基于單片機的短信火災報警系統(tǒng)

引 言

隨著中國城市化進程的不斷推進，城市人口密度不斷提高[1]?；馂氖峭{人身、財產等安全的主要災害之一，因此預防火災的發(fā)生，減少災害具有重要的意義和價值 [2]。傳統(tǒng)的煙霧報警系統(tǒng)存在測量精度較低、報警方式單一、報警范圍有限、缺乏后備電源等一系列缺點。鑒于此，本文提出了一種新型煙霧報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了可以滿足傳統(tǒng)煙霧報警的功能外，還加入了短信報警模塊。目前 GSM網絡已經非常成熟， 所以該設計可以超越空間的限制，實現準確、及時的報警，同時為了解決火災可能造成的斷電問題，本系統(tǒng)加入了電源管理芯片，可以快速實現主備電源的切換，確保系統(tǒng)正常運行。

1 系統(tǒng)總體方案

在本系統(tǒng)中，把當前環(huán)境的溫度以及煙霧濃度實時顯示在液晶屏上。當傳感器檢測到有火災發(fā)生時，單片機驅動蜂鳴器和燈光系統(tǒng)工作，向本地用戶發(fā)送火警信息，同時單片機驅動 GSM 模塊，通過短信通知遠程用戶終端，以便用戶對火災迅速做出處理。為了確保系統(tǒng)全天候實時工作，我們還加入了電源管理芯片，確保系統(tǒng)可自動進行主備電源的切換。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng) 的硬 件 系統(tǒng) 主 要 包 括 4 個 模 塊， 分 別為STC12C5A60S2 單片機系統(tǒng)，LM35 溫度傳感器模塊和 MQ2 煙霧傳感器模塊，蜂鳴器報警模塊和 GSM 模塊，LTC4412 電源管理模塊。系統(tǒng)的硬件框架如圖 1 所示。

在系統(tǒng)工作過程中，單片機實時接收傳感器發(fā)送的數據， 通過內部自帶的 10 位 ADC 把模擬信號轉換為數字信號，并實時顯示在 LCD 液晶上。當出現火災情況后，系統(tǒng)檢測到的信號將超出閾值，可以驅動蜂鳴器模塊和 LED 模塊進行燈光報警。同時單片機通過 AT 指令驅動GSM 模塊工作，把報警短信發(fā)送到遠程終端，實現超遠距離報警。為了提高系統(tǒng)的可靠性，我們設計了雙電源工作模式。系統(tǒng)使用電源適配器提供的外部 12 V 直流電源供電，同時使用一節(jié) 9 V 堿性電池作為其備用電源。當外部供電出現故障時，可以自動切換為備用電源工作模式。

圖1 系統(tǒng)硬件框架

2.1 傳感器測量電路

傳感器是系統(tǒng)重要的檢測儀器。在本系統(tǒng)中，我們使用LM35溫度傳感器模塊和 MQ2煙霧傳感器模塊。這兩個傳感器都是TTL電平，只需簡單的外圍驅動電路就可以直接與單片機的管腳連接。為了準確顯示當前環(huán)境的溫度和煙霧濃度， 本系統(tǒng)使用單片機自帶的 10位 ADC 對模擬信號進行轉換， 然后把數據顯示在液晶屏上。

2.2 GSM短信模塊電路

傳統(tǒng)的煙霧報警系統(tǒng)多采用聲光報警方式，這種報警方式有很大的局限性，無人時報警失敗，因此本系統(tǒng)加入了GSM 短信報警電路。在硬件連接方面，使用 RS 232 進行轉換， 在實際通信過程中，只需將雙方的 RX 管腳和 TX 管腳交叉， 然后 GND 管腳連接共地即可。

2.3 供電及主備電切換電路

對于一個系統(tǒng)來說，保證系統(tǒng)能在任何時間都穩(wěn)定運行至關重要。大多時候火災首先帶來的后果就是斷電，一旦系統(tǒng)斷電，那么整個系統(tǒng)就會陷入癱瘓，報警功能無從談起，因此確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性意義重大。系統(tǒng)所需電壓主要為5 V 和 12 V 兩種。所以本系統(tǒng)使用電源適配器提供外部 12 V 直流供電，同時使用一節(jié)堿性電池為其提供備用電源。使用穩(wěn)壓模塊將 12 V 電壓穩(wěn)壓之后為其他模塊供電。當外部供電出現故障時，需要及時切換至備用電源。使用 LTC441 可以實現電源的自動切換。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件部分使用 C 語言編寫，采取模塊化設計的模式，把各部分的文件都封裝成一個獨立的模塊。在主函數中， 我們只需引用對應模塊的頭文件就可實現業(yè)務邏輯的整合。這種設計方式具有高內聚、低耦合的特點，對于后期的軟件維護和功能拓展有很大幫助。

系統(tǒng)的主程序流程如圖 2 所示。

在系統(tǒng)上電后，主程序第一次運行時會依次調用 LCD 初始化函數、ADC 初始化函數和串口初始化函數，完成各項準備工作后使系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。初始化完成后，系統(tǒng)將讀取 ADC 轉換的溫度和煙霧數據，實時顯示在 LCD上，并與閾值相比較，判斷是否發(fā)生火災。為確保檢測數據的準確性， 當檢測到溫度和煙霧其中一項或兩項超過閾值時，延遲 2 s 后再次讀取 ADC 轉換的溫度和煙霧數據，進行判斷。如果此時數據依舊超過設定閾值，則將發(fā)生火災標志置位為 1。系統(tǒng)繼續(xù)調用顯示子程序、報警子程序和發(fā)送短信子程序。當這些子程序執(zhí)行完成后，再次回到初始化后的位置重新執(zhí)行，依次循環(huán)。

4 實驗結果

為了觀察系統(tǒng)對火災情況的性能和響應，進行了 10 次單獨的模擬測試，每次煙霧和溫度的狀況均不同。測試結果表明，系統(tǒng)可以可靠地在不同的測試條件下作出正確的響應。在不同煙霧或溫度情況下的系統(tǒng)響應如圖 3 所示。

5 結 語

通過上述實驗結果的驗證，本系統(tǒng)可以讀取溫度傳感器與煙霧傳感器的數據來實現對火災的探測。在保留傳統(tǒng)聲光報警的基礎上還加入了短信報警，同時為了增強系統(tǒng)的實用性，我們還加入了電源管理芯片來實現主備電源的切換。系統(tǒng)經過多次使用驗證，效果較好。