基于SIM900A的家居火災(zāi)檢測與預(yù)警系統(tǒng)

曾思通，何用輝，王麟珠

(1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建福州350007；2.福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建福州350003)

基于SIM900A的家居火災(zāi)檢測與預(yù)警系統(tǒng)

曾思通1，何用輝2，王麟珠1

(1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建福州350007；2.福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建福州350003)

針對傳統(tǒng)單傳感器有線信息傳輸?shù)幕馂?zāi)檢測系統(tǒng)的不足，設(shè)計一種基于nRF24L01和SIM900A的家居火災(zāi)檢測預(yù)警系統(tǒng)。采用溫度傳感器、煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測火災(zāi)信息，利用權(quán)重分析融合火災(zāi)信息，進而判斷火災(zāi)狀態(tài)，再通過nRF24L01射頻模塊實現(xiàn)主從機無線數(shù)據(jù)交換，最后將判斷結(jié)果通過SIM900A無線通信模塊發(fā)送至用戶手機。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確檢測火災(zāi)信息并預(yù)警。

火災(zāi)檢測；nRF24L01；SIM900A通訊模塊；信息融合

傳統(tǒng)的建筑火災(zāi)檢測一般對火災(zāi)的某一物理特性進行檢測。如不少建筑物中采用煙霧報警器對煙霧進行檢測并通過線路傳送警報信息?；趩我换馂?zāi)信息的檢測方法容易造成火災(zāi)的誤判或失判，只能適用于特定的場所和特定的火災(zāi)類型，而且有線傳輸成本高，布線麻煩，結(jié)構(gòu)不靈活[1]。為此，本文設(shè)計了基于SIM900A的火災(zāi)檢測預(yù)警系統(tǒng)，通過多種傳感器檢測火災(zāi)信息后融合判斷，再通過無線模塊傳送信息，克服了傳統(tǒng)檢測方法的不足。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確檢測火災(zāi)信息并發(fā)出警報，同時將火災(zāi)信息發(fā)送至用戶手機終端。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與原理

火災(zāi)檢測系統(tǒng)由火災(zāi)檢測從機、主機和用戶手機三部分組成。檢測系統(tǒng)通過傳感器檢測火災(zāi)信息并將檢測情況傳送到從機，從機CPU根據(jù)不同傳感器的檢測信號進行綜合判斷后通過nRF24L01無線射頻模塊把火災(zāi)檢測識別結(jié)果發(fā)送給主機。若判斷為有火災(zāi)發(fā)生，則主機通過語音模塊發(fā)出語音報警，并通過SIM900A無線通訊模塊將火災(zāi)及其位置區(qū)域信息反饋到用戶手機。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)組成示意圖

2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件主要由從機硬件系統(tǒng)和主機硬件系統(tǒng)構(gòu)成。從機硬件由STC89C52單片機系統(tǒng)、傳感器檢測模塊和nRF24L01射頻模塊構(gòu)成，主機則由STC89C52單片機系統(tǒng)、nRF24L01射頻模塊、語音報警模塊和SIM900A通訊模塊構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

2.1 nRF24L01無線射頻模塊

nRF24L01是Nordic公司生產(chǎn)的一款低功耗射頻收發(fā)芯片，工作頻段為2.4 GHz～2.524 GHz,而且芯片內(nèi)部集成了頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等，并融合增強型ShockBurst技術(shù)，與目前的藍牙技術(shù)相比，在提供更高速率的同時，只需要更小的功耗[2]。

nRF24L01無線射頻模塊可以實現(xiàn)一對六的無線通信[3]，本設(shè)計中使用了三個從機和一個主機，進行一對三的無線通信，后續(xù)仍可擴展。nRF24L01無線收發(fā)模塊是實現(xiàn)傳感器檢測信號無線發(fā)送的主要功能模塊，檢測系統(tǒng)中傳感器將信號傳給從機的CPU，從機通過收發(fā)模塊發(fā)送信號，由主機上的收發(fā)模塊接收信號。主從機均通過nRF24L01射頻模塊進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，射頻模塊與單片機接口電路如圖3所示。

圖3 nRF24L01無線射頻模塊與單片機接口電路

2.2 SIM900A通訊模塊

SIM900A通訊模塊是一款雙頻GSM/GPRS模塊，具有數(shù)據(jù)收發(fā)、語音通話、短信收發(fā)、彩信收發(fā)等功能，工作頻段為DCS 1800 MHz和EGSM 900 MHz。模塊采用SMT封裝，尺寸只有24 mm×24 mm×3 mm。模塊的功能框圖如圖4所示。

圖4 SIM900A通訊模塊功能框圖

SIM900A模塊有兩組TTL接口，一組供3.3 V單片機選用，一組供5 V單片機選用。在單片機連接時，將SIM900A TXD 連接到單片機的P3.0 管腳，SIM900A RXD 連接到單片機的P3.1管腳。

本系統(tǒng)SIM900A模塊的供電電路如圖5所示。

圖5 SIM900A電源電路

SIM900A模塊VBAT引腳的電壓輸入范圍為3.2～4.8 V,推薦值為4 V。電源模塊以MIC29302WT為核心，最大電流輸出達3 A。取參考電壓VREF=1.215 V,通過式(1)取電源電路中R1和R2的值為100 kΩ和43 kΩ,則VOUT=4.04 V。因此，本電源模塊能為SIM900A提供合適的工作電壓。

(1)

2.3 火災(zāi)檢測

2.3.1 煙霧傳感器

MQ-2傳感器對液化石油氣、 天然氣、 烷類等煙霧都具有很高的靈敏度和良好的抗干擾性[4]。煙霧傳感器檢測信號需要經(jīng)過放大電路放大、濾波后再由AD模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。氣體采集電路如圖6所示。

圖6 氣體采集電路

2.3.2 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

火焰?zhèn)鞲衅鬟x擇紅外火焰?zhèn)鞲衅鳎綔y波長為700 nm～1 000 nm范圍，探測角度為60°。紅外火焰?zhèn)鞲衅鲗z測到的外界紅外光轉(zhuǎn)化為電流，通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為0～255的數(shù)字量。設(shè)計中每個節(jié)點有6個火焰?zhèn)鞲衅鳎允姑總€節(jié)點能在360°范圍內(nèi)檢測火焰信息。

2.3.3 溫度傳感器

系統(tǒng)中溫度檢測采用DS18B20溫度傳感器。DS18B20是一種單總線芯片，只需要通過一條線與單片機引腳相連，占用處理器端口少，可節(jié)省大量引線和邏輯電路，使用方便，適用于精確測溫場合[5]。

3 軟件設(shè)計

火災(zāi)發(fā)生時，不同節(jié)點的煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱蜏囟葌鞲衅鞣謩e對所在區(qū)域的煙霧、火焰和溫度進行檢測，檢測結(jié)果經(jīng)融合判斷后反饋給主機，再由主機將節(jié)點檢測結(jié)果發(fā)送給用戶。三種傳感器檢測信息運用文獻[6]的方法通過權(quán)重分配運算后再做出最終判斷：

(2)

式中：P為火災(zāi)發(fā)生概率;Pi為各傳感器信號對應(yīng)的火災(zāi)發(fā)生概率；λi為對應(yīng)傳感器信號的權(quán)重。

(3)

式中：Qt為火災(zāi)評估閾值。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生概率P大于安全閾值時，則系統(tǒng)發(fā)出火災(zāi)警報，否則，認為無火災(zāi)發(fā)生。Qt可以理解為與系統(tǒng)靈敏度相關(guān)的參數(shù)，用戶可以在實際應(yīng)用中根據(jù)實驗或者應(yīng)用場所等進行調(diào)整。

火災(zāi)檢測與預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖7所示。三個從機分別處理三個節(jié)點的火災(zāi)信息檢測，并對節(jié)點所在區(qū)域的火災(zāi)信息進行判斷識別，最后將火災(zāi)信息和節(jié)點信息發(fā)送給主機，主機根據(jù)收到的火災(zāi)信息和節(jié)點信息發(fā)出火災(zāi)警報并反饋至用戶手機。

主機向用戶手機終端發(fā)送信息流程圖如圖8所示。其中SIM900A無線通訊模塊的初始化設(shè)置包括發(fā)送AT+CMGF=1指令，將短消息設(shè)置為文本模式，再發(fā)送AT+CSCS=GSM指令設(shè)置TE字符集，發(fā)送AT+CMGS=(用戶手機號)，設(shè)置發(fā)送號碼等。短信收發(fā)狀態(tài)由單片機控制，發(fā)送內(nèi)容由單片機寫。發(fā)送信息包括火災(zāi)報警及火災(zāi)發(fā)生的節(jié)點號。無線通訊模塊SIM900A發(fā)送短信和初始化程序如下所示：

voidsend()

{uchari= 0;

SerialInti();

while(1)

圖7 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

圖8 主機通過SIM900A發(fā)送短信流程圖

{Uart1Sends("AT+CSCS="GSM" ");DelaySec(3);

Uart1Sends("AT+CMGF=1 ");

DelaySec(3);

Uart1Sends("AT+CMGS="18*********" ");

DelaySec(3);

Uart1Sends(sms_text);//修改短信內(nèi)容

Uart1Send(0x1a);

DelaySec(15);

}

}

voidSerialInti()//初始化程序

{

TMOD=0x20;

TH1=0xfd;//波特率9600

TL1=0xfd;

TR1=1;

SM0=0;

SM1=1;

REN=1;

EA=1;

ES=1;

}

4 實驗測試

試驗測試取3間大小為3 m×3 m×2.4 m的房間，各節(jié)點檢測位置設(shè)在對應(yīng)房間正中上方,采用天燃氣作燃燒材料。測試結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果

當(dāng)火焰約大于1.5 cm時，從點火到手機接收到短信的時間約為50 s,火焰目標(biāo)越大，接收到短信的時間越短。系統(tǒng)抗干擾性好，不受太陽光、燈光等影響。實驗中 nRF24L01無線射頻模塊主從機通信距離最遠約為7.5 m,將主機安裝于中心，各從機安裝于主機周圍，基本可以滿足一般家庭的使用范圍。通過實驗測試，SIM900A通訊模塊能很好地滿足設(shè)計的要求。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了基于nRF24L01無線射頻模塊和SIM900A無線通訊模塊的智能家居火災(zāi)檢測預(yù)警系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過在家居環(huán)境中設(shè)置不同節(jié)點的多傳感器火災(zāi)檢測裝置，對家居環(huán)境進行全方面的火災(zāi)檢測，并對傳感器信息進行融合處理，再通過無線射頻模塊發(fā)送給主機，由主機發(fā)出報警并將火災(zāi)及火災(zāi)區(qū)域位置信息發(fā)送至用戶手機終端。系統(tǒng)實現(xiàn)火災(zāi)煙霧、火焰和溫度信息的融合處理，且實現(xiàn)全程無線控制，克服有線信息傳輸?shù)牟蛔悖〉昧肆己玫膶嶒炐Ч?/p>

[1]閻曉玲，王黎明，卜樂平.基于多維彩色向量空間的火焰圖像模糊聚類分割算法[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2012,27(3):368-371.

[2]張杰.基于nRF24L01的室內(nèi)50W遙控LED調(diào)光系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2013.

[3]朱慧彥,林林.基于 MCU 與 nRF24L01 的無線通信系統(tǒng)設(shè)計[J].電子科技，2012,25 (4):81-83.

[4]周熊.基于 AT89C52 單片機的煙霧報警器設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2013,21(1):164-165.

[5]丁恩杰,蹤曉志.基于nRF24E1和DSl8820的無線測溫系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010(11)：60-62.

[6]夏煥雄,孫樹文,姚益武,等.多傳感器概率綜合的火災(zāi)報警器設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2011，19(2)：370-372.

責(zé)任編輯：楊子立

A Home Fire Detection and Alarm System Based on SIM900A

ZENG Sitong1，HE Yonghui2,WANG Linzhu1

(1.Fujian Chuanzheng Communications College,Fuzhou 350007；2.Fujian Polytechnic of Information Technology,Fuzhou 350003)

A home fire detection and alarm system based on nRF24L01 and SIM900A is proposed to address the shortcomings of traditional fire systems which adopt a single sensor and transmits data through wire.The new system incorporates temperature sensor,smoke sensor and flame sensor to collect the field date of the fire monitoring area.Weight proportion fusion algorithm is used to fuse the multi-sensor information and decide the fire condition.The fire data is exchanged between master and slave machines by nRF24L01.The result of the fire detection is sent to the user′s mobile phone by the SIM900A wireless communication module.The experimental results show that the system has a quick and accurate fire detection and warning.

fire detection;nRF24L01;SIM900A;data fusion

10．3969/j．issn．1671-0436．2016．05．007

2016- 08- 09

福建省科學(xué)技術(shù)廳科技計劃重點項目(2013H0008)；福建省教育廳中青年教師教育科研項目(JA15662；JAT160725)

曾思通(1985— )，男，碩士，講師。

TN919.6

A

1671- 0436(2016)05- 0030- 05