基于GSM的物聯(lián)網(wǎng)火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計

司夏巖+宋丹+李博

摘 要：火災(zāi)報警系統(tǒng)智能化、無線化是發(fā)展方向?；馂?zāi)探測報警系統(tǒng)采用STC12C5A60S2、MQ-2型煙霧傳感器作為信號采集器。STC12C5A60S2將傳感器傳送的信息進行濾波處理和分析。當(dāng)檢測到火災(zāi)時，由GSM模塊將信號發(fā)送到中控端進行聲音報警，利用傳感網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)和計算機終端三者有效結(jié)合，實現(xiàn)了智能化、無線化，改善了傳統(tǒng)災(zāi)難報警系統(tǒng)因采用有線方式而導(dǎo)致的可靠性差、易受損、失效快、維護困難等問題。

關(guān)鍵詞：GSM；物聯(lián)網(wǎng)；煙霧報警器；火災(zāi)報警

DOIDOI：10.11907/rjdk.162280

中圖分類號：TP319

文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2016）012-0056-03

1 系統(tǒng)架構(gòu)

隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，火災(zāi)報警系統(tǒng)更加智能化、無線化，實用性更強[1]?；贕SM的物聯(lián)網(wǎng)火災(zāi)報警系統(tǒng)分為傳感器網(wǎng)絡(luò)、GSM網(wǎng)絡(luò)、計算機主機端3部分。整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，方便出現(xiàn)故障后及時更換，減少設(shè)備故障對安全監(jiān)測系統(tǒng)的影響。系統(tǒng)工作電壓為5V及以下，對于偏遠地區(qū)，太陽能電板即能滿足供電要求。圖1為基于物聯(lián)網(wǎng)的火災(zāi)報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架。

系統(tǒng)工作原理：煙霧傳感器采集煙霧信號，并將信號進行二階濾波處理，將此信號傳輸給單片機終端，由單片機分析處理后，通過串口控制GSM模塊發(fā)射多組煙霧信號。接收端接收到信號后，將信息通過串口傳給計算機主機端，主機端根據(jù)數(shù)據(jù)地址進行解析，將數(shù)據(jù)歸檔，同時轉(zhuǎn)換為能夠直觀感受的圖形界面，控制音響系統(tǒng)發(fā)出聲音報警。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件分為4個模塊：微控制器STC12C5A60S2、MQ-2型煙霧傳感器模塊、GTM900B模塊、ARK-3360L工控機。系統(tǒng)硬件框架如圖2所示。

系統(tǒng)通過GSM短消息接收對系統(tǒng)設(shè)備進行數(shù)據(jù)監(jiān)控及采集?；趩纹瑱C控制，利用支持短消息業(yè)務(wù)的GSM引擎模塊發(fā)送火情信息[2]。監(jiān)控終端PC機不局限于簡單的數(shù)據(jù)顯示，還有人機交互界面，并具有數(shù)據(jù)庫查詢功能，可對火情進行大數(shù)據(jù)分析。

系統(tǒng)控制過程：煙霧傳感器采集到火情經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換器，將此模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給單片機，單片機進行分析處理。系統(tǒng)采集端以單片機為主控制器，由MQ-2型煙霧傳感器模塊、蜂鳴器、工作指示燈、MAX232電平轉(zhuǎn)換模塊、 GTM900B通信模塊等組成。中控室端采用研華工控機為人機界面，通信接收模塊為GTM900B，加上音響組建整個系統(tǒng)。

2.1 主控STC12C5A60S2電路設(shè)計

STC12C5A60S2芯片[3]為增強型8051單片機，1T機器周期，指令代碼和傳統(tǒng)8051完全兼容，通用I/O口44個，4個16位定時器，2路PCA模塊可再實現(xiàn)2個16位定時器，8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度高達25萬次/s，2個全雙工異步串行口（UART）。

2.2 GTM900B模塊

采用西門子公司生產(chǎn)的GTM900B短信模塊處理和發(fā)送短消息。串口通訊遵循RS232協(xié)議，為了與單片機相連，還要通過串口電平轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)。

2.3 MQ-2煙霧傳感器輸入信號電路

MQ-2型煙霧傳感器[4]輸出的是比較微弱的模擬信號，且夾雜干擾信號，影響火災(zāi)報警系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)需要將MQ-2型煙霧傳感器采集的煙霧信號進行放大和濾波。由于本系統(tǒng)采用煙霧傳感器的電壓值作為火災(zāi)信號檢測，且MQ-2型煙霧傳感器的輸出電壓較大，達到幾伏，所以不需要放大煙霧信號，只需將信號進行濾波處理。煙霧傳感器輸入信號電路如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計有：設(shè)備端軟件設(shè)計，采用C51語言編寫，源程序分為煙霧傳感器數(shù)據(jù)采集驅(qū)動、GTM900B模塊驅(qū)動兩部分；上位機設(shè)計采用Microsoft Visual Studio 2012平臺，使用c#語言編寫Wonfom窗體程序。

3.1 設(shè)備端軟件編寫

火災(zāi)報警系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計方法。系統(tǒng)各模塊的具體功能都通過子程序調(diào)用實現(xiàn)，程序結(jié)構(gòu)清晰，便于功能擴展。系統(tǒng)使用無線接收模塊，該模塊程序較為復(fù)雜，在定義函數(shù)時應(yīng)對其進行初始化。程序流程框圖中的初始化包括兩個初始化，即單片機初始化和GTM900B模塊初始化。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

主程序為一個無限循環(huán)體，具體流程是：上電之后系統(tǒng)各部分及GTM900B模塊都完成初始化，之后給傳感器預(yù)熱3分鐘，因為MQ-2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器[5]在不通電存放一段時間后再次通電時，傳感器不能立即正常采集煙霧信息，需要一段時間預(yù)熱。接下來采集環(huán)境中的煙霧信號，然后通過A/D轉(zhuǎn)換將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并傳輸給第一塊單片機作判斷。如果正常則返回繼續(xù)采集煙霧信號，如果異常則通過GTM900B模塊傳輸信號。

3.2 GTM900B模塊驅(qū)動程序

GTM900B模塊通過AT指令實現(xiàn)通信功能。單片機通過AT指令對模塊進行初始化和短消息接發(fā)功能。短消息控制有Text、Block和PDU三種模式。為了保證更好的兼容性，本系統(tǒng)采用PDU模式收發(fā)SMS。異步串行通信字節(jié)格式：單片機的異步串行通信方式中，在串行口由硬件自動加入起始位和停止位，構(gòu)成一個完整字符。為了充分利用短消息長度，降低費用，考慮到延時情況，本方案中每條短消息的單幀長度均設(shè)為106個字符。

單片機使用十六進制進行數(shù)據(jù)傳送，傳送時將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ASCII碼。例如給手機號為13567371068的用戶發(fā)送短信數(shù)據(jù)9876543210，可用以下數(shù)據(jù)格式：

AT+CMGS=20 0D 0A 08 91 683108503305F0 11 00 0D 91 653168371760F8 00 00 00 0A 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30

3.3 煙霧傳感器數(shù)據(jù)采集驅(qū)動

傳感器采集模塊主要給MQ-2型煙霧傳感器設(shè)定一個濃度值，然后通過A/D轉(zhuǎn)化器將轉(zhuǎn)化的信號傳輸給單片機，如圖5所示。

單片機將傳輸進來的信號值與設(shè)定值作比較。如果超過規(guī)定數(shù)值，則向GSM模塊發(fā)送數(shù)據(jù)指令，否則繼續(xù)掃描。

3.4 Wonfom窗體程序

通過GTM900B模塊使窗體程序連接到設(shè)備端，設(shè)備端會顯示每一次變化信息，如果信息超過設(shè)置的閾值，計算機終端會發(fā)出聲音報警、頁面報警。窗體程序有強大的處理能力和存儲空間，產(chǎn)品穩(wěn)定可靠。與傳統(tǒng)Wed服務(wù)器一樣，Wonfom窗體程序同樣要給客戶提供共享資源，并應(yīng)答客戶請求。Wonfom窗體程序界面如圖6所示。

在端口上使用TCP服務(wù)。系統(tǒng)需要監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進行解包分析，根據(jù)結(jié)果分別進入處理程序，窗體程序主流程見圖7。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試采用從小到大、逐塊分割方法。通過對系統(tǒng)采集模塊、處理模塊、GSM收發(fā)模塊電路及程序進行個體檢驗，對總體系統(tǒng)電路進行仿真調(diào)試，保證基于物聯(lián)網(wǎng)的火災(zāi)報警系統(tǒng)能正常檢測和報警。調(diào)試完成后，系統(tǒng)將采集模塊與聲音報警模塊分隔400m放置，還要保證能正常工作。以甲烷作為實驗氣體，該系統(tǒng)能探測到濃度為300-10 000ppm的煙霧與氣體并報警，報警可通過手動復(fù)位。

5 結(jié)語

系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)測試，達到安全可靠運行標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點：①成本低、維護簡單；②無線傳輸方便、快捷；③可廣泛運用于普通家庭、林業(yè)、辦公樓等處。系統(tǒng)缺點及改進：①探測裝置單一，容易誤判火情。可增加探測用的傳感器類型及探測點；②終端較為傳統(tǒng)簡單。可進行聯(lián)網(wǎng)改造，在火災(zāi)發(fā)生時通過電話網(wǎng)絡(luò)更快通知消防機構(gòu)。

參考文獻：

[1] 孫立新.火災(zāi)報警系統(tǒng)發(fā)展趨勢[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008（2）：69-71.

[2] 王捷.分布式智能火災(zāi)報警系統(tǒng)綜合設(shè)計[J].單片機開發(fā)與應(yīng)用，2006（3）：125-129.

[3] 陳耀華.小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012.

[4] 黃煌.基于MQ2傳感器的環(huán)境檢測[J].新校園，2015（11）：24-27.

[5] 劉海洲.單片機在煙霧報警系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2010（24）：6876-6877.

[6] 牛丹，買和木提.單片機控制GSM模塊實現(xiàn)短信收發(fā)的技術(shù)及應(yīng)用[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2008（4）：7-12.

（責(zé)任編輯：杜能鋼）