家用燃?xì)庑孤┲悄軋?bào)警系統(tǒng)研究

趙延明 文家厚 曾瓊斌 黃 垚 陳建勛

(1.湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.湖南江麓機(jī)電集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭 411100)

美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)安全使用燃?xì)庵贫艘幌盗幸?guī)章、制度，特別制定了燃?xì)庑孤﹫?bào)警器的使用規(guī)定，使燃?xì)馐鹿事示S持在較低的水平[1]。日本早在1980年1月開(kāi)始實(shí)行安裝城市煤氣、液化石油氣報(bào)警器法規(guī)，1986年5月日本通產(chǎn)省又實(shí)施了安全器具普及促進(jìn)基本方針。美國(guó)目前已有6個(gè)州立法，規(guī)定家庭、公寓等都要安裝CO報(bào)警器。因此研制高智能化，可及時(shí)監(jiān)控、報(bào)警、排除險(xiǎn)情的燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)十分必要。中國(guó)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局早在1998 年就在實(shí)施的國(guó)標(biāo) GB 16914-1997中明確規(guī)定：燃具安裝處所應(yīng)設(shè)置燃?xì)庑孤﹫?bào)警切斷裝置。 我國(guó)每年因燃?xì)庑孤┰斐傻闹卸臼鹿?、燃?xì)獗ㄊ鹿剩谌珖?guó)各地屢見(jiàn)不鮮[2]。為了減少因燃?xì)庑孤?、火?zāi)引起的燃燒、爆炸等事故，在家庭安裝居家安防系統(tǒng)十分有必要。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的安防報(bào)警系統(tǒng)有固定電話(huà)撥號(hào)、以太網(wǎng)及集群系統(tǒng)等[2]，但這些方式均存在缺陷：固定電話(huà)撥號(hào)通信方式局限于有線(xiàn)，線(xiàn)路容易老化或遭腐蝕、鼠咬、磨損，故障發(fā)生率較高，誤報(bào)警率高，在關(guān)鍵時(shí)候失靈；以太網(wǎng)同樣面臨線(xiàn)路產(chǎn)生問(wèn)題的隱患，并且不易普及；集群系統(tǒng)功耗很大，網(wǎng)絡(luò)架設(shè)和維護(hù)費(fèi)用很高，而且需要購(gòu)買(mǎi)固定的頻點(diǎn)[6]；不能實(shí)現(xiàn)小區(qū)化監(jiān)控管理報(bào)警和向戶(hù)主個(gè)人手機(jī)發(fā)送短信報(bào)警的雙保險(xiǎn)機(jī)制。

針對(duì)目前居家安防系統(tǒng)存在的問(wèn)題，筆者提出一種基于無(wú)線(xiàn)通信和GSM移動(dòng)通信的家用燃?xì)庑孤┲悄軋?bào)警系統(tǒng)[3～5]，對(duì)家用燃?xì)鉂舛?、煙霧濃度及室內(nèi)溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和雙重報(bào)警，及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，采取有效措施，避免事故發(fā)生，減少因燃?xì)庑孤┒斐傻膰?yán)重?fù)p失，具有重要意義。

1 智能燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)總體方案①

針對(duì)目前市面上燃?xì)鈭?bào)警器在通信方式、安全系數(shù)等方面的不足，采用無(wú)線(xiàn)通信和GSM移動(dòng)通信相結(jié)合的家用燃?xì)庑孤┲悄軋?bào)警系統(tǒng)，總體方案如圖1所示。系統(tǒng)包括圖2所示的本地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊(發(fā)送方)、遠(yuǎn)程集中監(jiān)控模塊(接收方)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信自組網(wǎng)和GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建燃?xì)庑孤┲悄鼙O(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)通信傳輸數(shù)據(jù)方式，代替了繁瑣的布線(xiàn)工序，減少因有線(xiàn)通信線(xiàn)纜故障而造成數(shù)據(jù)傳輸中斷和出錯(cuò)。若存在燃?xì)庑孤撓到y(tǒng)能第一時(shí)間通過(guò)GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)短信通知戶(hù)主，并自動(dòng)采取聲光報(bào)警、自動(dòng)開(kāi)窗、智能通風(fēng)及自動(dòng)滅火等應(yīng)急處理措施。同時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信送到小區(qū)燃?xì)獗O(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)小區(qū)集中實(shí)時(shí)監(jiān)控，采取相應(yīng)的有效措施，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)存入小區(qū)燃?xì)饧斜O(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估。通過(guò)GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)通信，實(shí)現(xiàn)了雙重報(bào)警，提高了系統(tǒng)的可靠性，能確保燃?xì)庑孤┰谧疃虝r(shí)間內(nèi)被發(fā)現(xiàn)并被處理，從而做到減少能源浪費(fèi)，保護(hù)生命財(cái)產(chǎn)安全，做到防患于未然。

圖1 智能燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)總體框圖

a. 本地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊(發(fā)送方)

b. 遠(yuǎn)程集中監(jiān)控模塊(接收方)

2 系統(tǒng)硬件

2.1 主控模塊

主控芯片采用STC12C5A60S2單片機(jī)，STC12C系列單片機(jī)是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度提高8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路，兩位PWM，8路高速十位A/D轉(zhuǎn)換(250K/s，即25萬(wàn)次/s)，它有高速、高可靠、低功耗、超低價(jià)、強(qiáng)抗靜電和強(qiáng)抗干擾的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)送站點(diǎn)主模塊與接收站點(diǎn)主模塊的電路設(shè)計(jì)分別如圖3、4所示，發(fā)送站點(diǎn)主模塊中主要與無(wú)線(xiàn)模塊(P1.1～P1.6)、ADC(P1.0、P1.7)、串口(P3.0～P3.1)、聲光報(bào)警(P3.3、P3.4)、矩陣鍵盤(pán)(P2.0～P2.7)、液晶顯示(P0.0～P0.5)、繼電器(P3.6、 P3.7)相連接，接收站點(diǎn)主模塊主要與無(wú)線(xiàn)模塊(P1.1～P1.6)、聲光報(bào)警(P3.3、P3.4)、串口(P3.0～P3.1)相連接。

圖3 發(fā)送站點(diǎn)主模塊電路

圖4 接收站點(diǎn)主模塊電路

2.2 無(wú)線(xiàn)通信模塊

無(wú)線(xiàn)通信模塊采用CC1101無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，支持?jǐn)?shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖和突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，廣泛應(yīng)用于低功率遙感勘測(cè)、住宅和建筑自動(dòng)控制、無(wú)線(xiàn)警報(bào)和安全系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)測(cè)和控制及無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。在發(fā)送站點(diǎn)和接收站點(diǎn)都采用了CC1101無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，硬件設(shè)計(jì)如圖5所示，數(shù)據(jù)輸入SI、輸出SO引腳分別與P1.6、P1.7相連，時(shí)鐘輸出引腳SCLK與P1.5相連，接口配置、芯片選擇引腳CSN與P1.2相連，工作狀態(tài)引腳GDO0、GDO2分別與P1.3、P1.1相連，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信模塊與主控芯片的數(shù)據(jù)通信。

圖5 CC1101硬件設(shè)計(jì)

2.3 串口通信模塊

采用PL2303 USB轉(zhuǎn)RS232控制器，實(shí)現(xiàn)USB和標(biāo)準(zhǔn)RS-232串行端口之間的轉(zhuǎn)換，支持USB電源管理和遠(yuǎn)程喚醒協(xié)議，硬件設(shè)計(jì)如圖6所示。數(shù)據(jù)接收引腳RXD與P3.0引腳相接，接收單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送引腳TXD與P3.1引腳相接，將數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)。

圖6 串口硬件設(shè)計(jì)

2.4 數(shù)據(jù)采集電路

MQ-5是半導(dǎo)體氣敏器件，它將可燃?xì)怏w轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)輸出。在其6個(gè)引腳中，H-H是加熱電極，通電后使氣敏傳感器內(nèi)部保持一定的溫度。當(dāng)有可燃?xì)怏w與它接觸時(shí)，其A-B兩端導(dǎo)電率就會(huì)改變，如果負(fù)載等相關(guān)條件確定時(shí)，隨著可燃?xì)怏w的成分和濃度的不同，則負(fù)載兩端的變化亦是不同的。當(dāng)可燃?xì)怏w濃度越大時(shí)，負(fù)載兩端電壓的變化亦越大，而且不同種類(lèi)的燃?xì)怆妷鹤兓笮∫膊煌?。RP是傳感器靈敏度調(diào)節(jié)電位器，最好選用多圈電位器，可以比較精確地調(diào)整靈敏度，其電路連接如圖7所示，其輸出接單片機(jī)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換的正負(fù)輸入端，分別為單片機(jī)的P1.0、P1.7口。MQ-2工作原理與之類(lèi)似。

圖7 RP電位器硬件電路連接示意圖

2.5 液晶顯示電路

該設(shè)計(jì)采用12864液晶作為顯示器件，具有低功耗、接口方式簡(jiǎn)單、取指令方便及人機(jī)交互圖形界面友好等特點(diǎn)。單片機(jī)通過(guò)串行通信方式控制液晶顯示器內(nèi)各種數(shù)據(jù)信息，具體電路如圖8所示，片選CS、指令返回RET、指令選擇RS分別接單片機(jī)的P0.0、P0.1、P0.2口，數(shù)字線(xiàn)SDA、時(shí)鐘線(xiàn)SCL分別接單片機(jī)P0.3、P0.4口。

圖8 液晶顯示電路

2.6 GSM短信收發(fā)電路

該設(shè)計(jì)采用西門(mén)子的TC35模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)短信發(fā)送功能。TC35是一款雙頻900/1 800MHz高度集成的GSM模塊，它易于集成，可以在較短的時(shí)間內(nèi)花費(fèi)較少的成本開(kāi)發(fā)出新穎的產(chǎn)品。該設(shè)計(jì)通過(guò)單片機(jī)串口發(fā)送AT指令來(lái)控制短信收發(fā)，具體電路如圖9所示。模塊啟動(dòng)腳IGT接單片機(jī)P0.7，串口接收RXD、串口發(fā)送TXD分別接單片機(jī)P3.0、P3.1口。

3 系統(tǒng)軟件

在keil C51編程環(huán)境下，先初始化I/O口。對(duì)發(fā)送站點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，設(shè)置計(jì)數(shù)器1和定時(shí)器2，單片機(jī)采集電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，A/D為STC12C5A60S2內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器，判斷轉(zhuǎn)換成功之后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)CC1101無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送，采集到的脈沖信號(hào)通過(guò)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后通過(guò)CC1101發(fā)射模塊發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和無(wú)線(xiàn)發(fā)送，多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集與處理模塊程序流程如圖10所示。對(duì)接收站點(diǎn)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，先對(duì)液晶、無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)行初始化，再對(duì)頁(yè)面進(jìn)行控制，無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再由液晶顯示，并通過(guò)串口通信發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理與分析，判斷燃?xì)馐欠裥孤?，若泄漏則啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，否則進(jìn)入循環(huán)，其程序流程如圖11所示。

圖9 GSM短信收發(fā)電路

4 結(jié)束語(yǔ)

家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)燃?xì)鉂舛鹊臋z測(cè)，當(dāng)燃?xì)鉂舛瘸^(guò)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值，燃?xì)鈭?bào)警器自動(dòng)聲光報(bào)警，并采取諸如隔斷氣源及關(guān)電源等措施。該系統(tǒng)還可以通過(guò)GSM短信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警功能，同時(shí)將所在房間號(hào)傳送至監(jiān)控室的PC機(jī)同步顯示與聲光報(bào)警，實(shí)現(xiàn)雙重報(bào)警功能，確保因燃?xì)庑孤┒斐傻氖鹿始皶r(shí)被發(fā)現(xiàn)。PC端軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)分析，形成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)。該報(bào)警系統(tǒng)成本低，使用方便，可以廣泛地應(yīng)用于家庭、住宅小區(qū)、或者燃?xì)夤艿缆鈾z測(cè)。

圖10 多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集與處理模塊程序流程 圖11 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊程序流程