低功耗遠程煙霧報警系統(tǒng)設計

肖家文，茅勝榮，陳小平

(蘇州大學 電子信息學院，江蘇 蘇州 215000)

低功耗遠程煙霧報警系統(tǒng)設計

肖家文，茅勝榮，陳小平

(蘇州大學 電子信息學院，江蘇 蘇州 215000)

大部分火災的發(fā)生是由于在火災初期沒有及時采取應急防火措施，如果能夠有效檢測異?；鹈缁蛘邭怏w并及時報警采取措施，就能大大降低火災對人類的威脅。設計了煙霧報警系統(tǒng)，能使外出的人及時收到家中的報警信息。該系統(tǒng)由24 V直流電源供電，使用低功耗單片機MSP430F5529搭載靈敏度高、可靠性好、價格低廉的煙霧傳感器MQ-2實現(xiàn)煙霧監(jiān)測，并通過GSM模塊SIM900A對報警信息進行無線遠距離傳輸。經(jīng)測試，系統(tǒng)能夠在7～10 s內(nèi)將警報通知到用戶，這對減少火災引起的損失起到了十分關鍵的作用。

煙霧報警；傳感器；MSP430；GSM通信

0 引言

隨著社會節(jié)奏加快，住宅往往處于長期無人的狀態(tài)，全國每年因居住場所無人而引發(fā)的火災逐年增多，造成了巨大的財產(chǎn)損失[1]。煙霧傳感器是一種典型的火災監(jiān)測傳感器，它能夠將空氣中異常氣體的濃度或者火焰光強度轉化成電信號。傳統(tǒng)的煙霧報警器只能夠在檢測到火災的情況下發(fā)出警報聲響，傳播距離短，有很大的局限性。本文利用低功耗單片機MSP430將煙霧傳感器MQ-2的模擬電信號轉換成數(shù)字信號，一旦檢測到異?；瘜W氣體超標便通過GSM網(wǎng)絡將警報信息以短信或電話的形式告知遠方的用戶，系統(tǒng)反應迅速并且成本低廉。

1 系統(tǒng)硬件架構

圖1展示了遠程煙霧報警系統(tǒng)的硬件架構，整個系統(tǒng)由6個模塊構成，分別是電源模塊、傳感器模塊、邏輯控制模塊、顯示模塊、GSM通信模塊和手機接收端。

圖1 系統(tǒng)硬件結構圖

1.1 煙霧傳感器MQ-2

火災傳感器按原理可以分為熱傳感器、光電子傳感器、離子傳感器、空氣采樣監(jiān)測器、半導體氣體傳感器和火焰?zhèn)鞲衅?。其中，熱傳感器正確率高但反應速度慢，光電傳感器、離子傳感器和空氣采樣檢測器主要在特殊環(huán)境中發(fā)揮作用，火焰?zhèn)鞲衅魍ㄟ^檢測光的波長來監(jiān)測火災和爆炸，可靠性高，反應速度極快，但是價格昂貴。本文采用的傳感器MQ-2屬于半導體氣體煙霧傳感器，火災現(xiàn)場產(chǎn)生的煙霧及氣體與傳感器中的半導體材料二氧化錫發(fā)生化學反應，造成表面勢壘降低，材料的導電性能顯著提高，通過外圍電子電路檢測這種變化能夠準確發(fā)出火災警報[2]。MQ-2傳感器體積小、易安裝、安全性好，非常適合檢測液化石油氣、甲烷、丙烷、酒精、一氧化碳等可燃氣體引起的火災。圖2所示的是MQ-2的工作原理圖，傳感器輸出的模擬電壓與滑動變阻器的預設電壓值一同輸入比較器，當傳感器輸出電壓超過預設值，比較器輸出低電平，點亮LED燈。

圖2 MQ-2模塊工作原理圖

1.2 電源模塊

考慮到GSM模塊在搜索網(wǎng)絡與接收發(fā)送短消息的功率比較大，因此本系統(tǒng)使用24 V直流供電，通過DC/DC芯片LM2596將24 V轉換成5 V為GSM提供充足的電能[3]。通過LDO(低壓差線性穩(wěn)壓器)芯片AMS1117將5 V電源轉換成3.3 V為MCU提供穩(wěn)定且紋波低的工作電壓。圖3展示了DC/DC電源的工作原理圖，其中的續(xù)流二極管D6選擇肖特基快速整流管1N5825，最大電流可達5 A。反饋端的電阻R6與R5需要選擇1%的精密電阻，電感L2的DCR(直流電阻)越小越好，一般選擇在0.03 Ω左右即可，電容C10、C8的ESR(等效串聯(lián)電阻)對輸出電壓的紋波起著關鍵作用，ESR越低，電源的紋波越小，一般ESR在幾毫歐附近即可。

圖3 LM2596工作原理圖

1.3 MCU與顯示模塊

整個系統(tǒng)并不需要實現(xiàn)非常復雜的邏輯算法，因此選擇超低功耗的單片機MSP430F5529，該MCU內(nèi)部有一顆16位的RISC CPU，此外還集成了4個16位定時器和1個高性能的12位模數(shù)轉換器[4]，可以用來采集MQ-2輸出的模擬信號量。為了方便人機交互，本系統(tǒng)使用了一款102×64像素的LCD顯示屏來顯示一些必要的系統(tǒng)信息，它與MCU通過SPI總線進行通信，圖4展示了它們的連接圖。其中的TPS75105為液晶屏的恒流源驅動，支持使用PWM來調節(jié)液晶的背光亮度。

圖4 MCU與液晶屏的連接圖 ∶

1.4 GSM模塊

SIM900A是目前市面上比較通用的一款GSM通信模塊，它有兩個工作頻段，分別是EGSM 標準的900 MHz和DCS 標準的1 800 MHz。它的功耗很低，在睡眠模式下僅消耗1 mA的電流[5]。圖5所示是SIM900A的工作原理圖，通過長按開關機鍵可以強制GSM模塊開機或者關機，在開機瞬間，SIM900A需要非常大的驅動電流，一旦搜索到信號便會穩(wěn)定下來，需要的電流也會大幅下降，這種特性對電源要求比較嚴苛，可以為SIM900A的電源引腳并聯(lián)一個大電容，使其平滑開機過程中的電流脈沖。SIM900A通過串口與MCU進行通信，波特率通常選擇為9 600 b/s。MCU使用標準的AT指令來配置GSM模塊，并完成發(fā)送短信警報的功能。

2 系統(tǒng)軟件架構

如圖6所示，系統(tǒng)上電后，SIM900A模塊開機，MCU完成初始化，通過串口發(fā)送AT指令給SIM900A模塊使SIM900A初始化，配置SIM900A進入中文短信發(fā)送模式。當煙霧傳感器檢測到異常，其輸出的模擬信號電壓超過了設定的閾值，比較器輸出端會產(chǎn)生一個下降沿，觸發(fā)MCU的外部中斷，MCU將立即發(fā)送AT指令及報警短信的編碼數(shù)據(jù)給SIM900A模塊。

2.1 MCU初始化

MCU一上電默認開啟看門狗，為了測試方便，主程序中首先將看門狗關閉，接著配置系統(tǒng)時鐘至24 MHz，設置好外部中斷并打開全局中斷，初始化液晶顯示屏，打開背光燈，調整好對比度。最后，將MSP430的串行通信接口USCI配置成UART模式，波特率為9 600 b/s，禁止奇偶校驗，8位數(shù)據(jù)格式，1位停止位，發(fā)送和接收低位優(yōu)先。通過串口發(fā)送ATI指令，SIM900A如果工作正常會返回設備信息和“OK”。

圖5 SIM900A工作原理圖

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

2.2 SIM900A搜索設備運營商網(wǎng)絡

發(fā)送指令“AT+COPS?”，如果成功則會收到“+COPS：0,0”、“CHINA MOBILE”和“OK”的回復信息，其中CHINA MOBILE表示中國移動運營商，不同運營商的SIM卡會返回不同的字符串。程序通過檢測接收字符串中是否包含OK字樣來判斷是否成功搜索到運營商網(wǎng)絡。

2.3 SIM900A獲取信息中心號碼

信息中心號碼是一種短信息服務器，各個地區(qū)都有自己的信息中心號碼，例如蘇州短信中心號碼為8613802001500。短信的收發(fā)必須交由信息中心進行轉發(fā)才能成功發(fā)送，所以獲取本地信息中心號碼十分關鍵。通過發(fā)送“AT+CSCA?”可以獲取信息中心的號碼。

2.4 SIM900A短信模式配置

短信編碼主要有三種：BLOCK模式、TEXT模式和PDU(Protocol Data Unit)模式，其中BLOCK模式幾乎已經(jīng)被淘汰；TEXT模式收發(fā)短信代碼簡單，實現(xiàn)容易，但是最大的缺點是不能收發(fā)中文短信；而PDU模式被所有手機支持，可以使用任何字符集。PDU模式收發(fā)短信可以使用3種編碼：7 bit、8 bit和UCS2編碼，其中7 bit編碼用于發(fā)送普通ASCII字符，8 bit編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息，比如圖片和鈴聲等，UCS2編碼用于發(fā)送Unicode字符。本報警系統(tǒng)主要面向國內(nèi)用戶，所以采用支持中文的PDU模式。因此通過發(fā)送指令AT+CMGF=0來選擇使用PDU模式，發(fā)送指令AT+CSCS="UCS2"使SIM900A模塊支持UCS2編碼。

2.5 發(fā)送端中文短信的PDU編碼

PDU作為一種數(shù)據(jù)單元，它必須包含源/目的地址、有效時間、數(shù)據(jù)格式、協(xié)議類型和正文內(nèi)容，正文長度可以達到140字節(jié)。本節(jié)以發(fā)送中文短信“火災報警”為例，根據(jù)表1所示, 按照發(fā)送端PDU的格式來進行編碼得到的結果為：0891683108502105F011000D91688168121489 F200080008706B707E62A58B66。

表1 發(fā)送方PDU格式

SCA即服務中心號，共由3個字段組成，分別是SCA區(qū)的字節(jié)數(shù)、服務中心的類型和服務中心的地址。本例中SCA區(qū)為0891683108502105F0，其中08表示除去08外后面的字節(jié)數(shù)，十六進制表示的91683108502105F0正好8個字節(jié)。緊跟其后的91表示后面的服務中心號為國際格式。683108502105F0就是編碼后的服務中心號，每個字節(jié)先編碼低4位，再編碼高4位，如果號碼個數(shù)為奇數(shù)，則最后一個字節(jié)的4～7位全部設置為1，由此便可將蘇州地區(qū)的服務中心號碼8613802001500編碼成683108502105F0。

PDU-Type即協(xié)議數(shù)據(jù)單元類型，發(fā)送方的典型值為11，表示消息類型是發(fā)送。MR即短消息參考，表示手機向消息服務中心提交的短消息序號，從0到255，一般手機端會自動改動，所以默認為00。DA即目的手機地址，由三個字段組成，分別是長度、地址類型和編碼后的具體地址，本例中的DA為0D91688168121489F2，其中0D即目標地址的數(shù)字的個數(shù)，不包括國際格式91和號碼奇數(shù)的補位F在內(nèi)共13個十進制數(shù)，688168121489F2即為目標電話號碼8618862141982的編碼，編碼方式同服務中心號碼。PID即協(xié)議標識，00表示普通GSM類型，點到點通信。DCS即數(shù)據(jù)編碼方法，08表示采用UCS2編碼。VP即有效時間，表示服務中心收到短消息后，在沒有發(fā)送到目標機前可以保證消息有效的時間，00代表5分鐘。UDL即用戶數(shù)據(jù)長度，UCS2編碼的情況下表示用戶數(shù)據(jù)區(qū)的字節(jié)數(shù)，中文“火災報警”在Unicode編碼后共占8個字節(jié)，因此這里是08。UD即用戶數(shù)據(jù)，這里填入“火災報警”的Unicode編碼，為706B707E62A58B66。

2.6 SIM900A發(fā)送中文短信

在完成上述步驟之后，發(fā)送AT指令AT+CMGS=，來通知服務中心待發(fā)送數(shù)據(jù)長度，其中代表要發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，應當從PDU編碼后的PDU-Type段開始計算，在這里即計算11000D91688168121489 F200080008706B707E62A58B66的長度，即23。發(fā)送成功后，延遲1 s，檢查是否收到‘>’字符，如果收到，便可以將上一節(jié)編碼后的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務中心。發(fā)送短信的UML序列圖如圖7所示。

圖7 SIM900A發(fā)送短信UML序列圖

3 運行測試

當MCU板與SIM900A通信板的通信串口使用杜邦線連接好后，給整個系統(tǒng)接上24 V直流電壓，系統(tǒng)迅速上電啟動。SIM900A上電會自動搜尋網(wǎng)絡，這個過程需要消耗一段時間。當系統(tǒng)成功運行起來后，GSM模塊的LED燈以1 PPS的速度閃爍，液晶顯示屏上打印出了相應的啟動信息。另外，若要煙霧傳感器的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，需要20 s左右的預熱時間。為了模擬火災情形，使用打火機釋放微量的混合烷烴氣體并逐漸靠近MQ-2傳感器，傳感器迅速發(fā)出了警報，在測試中，7～10 s后手機收到了火災警報的短信。

4 結論

本文介紹的煙霧報警系統(tǒng)通過MQ2半導體煙霧傳感器能夠及時感知火情的發(fā)生，GSM通信網(wǎng)寬廣的覆蓋范圍能夠使遠離住宅區(qū)上班的用戶收到家中的警報信息并在第一時間采取急救措施，這將大大降低了火災帶來的巨大的財產(chǎn)損失。成熟穩(wěn)定的GSM網(wǎng)絡基礎設施使得整套遠程煙霧報警系統(tǒng)具有非常高的性價比。此外MSP430單片機具有出色的低功耗特性，符合智能家居綠色節(jié)能的主題。

[1] 范志華.區(qū)域火災報警控制器的設計與實現(xiàn)[D].成都：西南交通大學, 2014.

[2] 鄭州煒盛電子科技有限公司. MQ-2半導體煙霧傳感器使用說明書[Z]. 2012.

[3] Texas Instruments Incorporated. LM2596 simple switcher power converter 150-kHz 3-A Step-Down voltage regulator [EB/OL]. (2016-05-xx)[2016-07-30]http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2596.pdf.

[4] Texas Instruments Incorporated. MSP430F552x, MSP430F551x Mixed-signal microcontrollers[EB/OL].(2015-11-xx)[2016-07-30]http://www.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f5529.pdf.

[5] 芯訊通無線科技(上海)有限公司. SIM900A SPEC_CN [EB/OL]. (2015-04-xx)[2016-07-30]http://simcomm2m.com/module/detail.aspx?id=7.

陳小平(1965)，博士，教授，主要研究方向：工業(yè)控制系統(tǒng)。

Low-power remote smoke detection system

Xiao Jiawen, Mao Shengrong, Chen Xiaoping

(Department of Electronic Information, Soochow University, Suzhou 215006, China)

Most of the fire damage is caused by failing to take prompt actions at the initial stage of fire. If the abnormal flame or gas could be detected effectively and an alarm could be raised in time, we can reduce the risk caused by fire hazard. In this paper, a smoke detect system is designed for fire hazards which can alert distant property-owner. The system is supplied by a 24 V DC power, it consists of the MSP430F5529 which is a low-power microcontroller and a smog detector MQ-2 which is cheap and sensitive. The system uses SIM900A to send text messages via GSM network. According to the test, the system can send the alarm message in less than 10 seconds, which plays an important role in reducing the damage brought from fire disaster.

smoke alarm; sensor; MSP430; GSM communication

TP212.9

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.02.029

肖家文，茅勝榮，陳小平.低功耗遠程煙霧報警系統(tǒng)設計[J].微型機與應用，2017,36(2)：96-99.

2016-07-30)

肖家文(1992-)，通信作者,女，在讀研究生，主要研究方向：嵌入式通信系統(tǒng)設計。E-mail:294618627@qq.com。

茅勝榮(1992-)，男，在讀研究生，主要研究方向：嵌入式通信系統(tǒng)設計。