紅外對射報警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

郭 亮 ，肖 勇 ，王赟生

(1.南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063；2.江西珉軒智能科技有限公司，江西 南昌 330077)

紅外對射報警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

郭 亮1，肖 勇2，王赟生1

(1.南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063；2.江西珉軒智能科技有限公司，江西 南昌 330077)

對現(xiàn)有市場智能家居安防產(chǎn)品的性能和價格等進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該類產(chǎn)品電路復(fù)雜且價格普遍較高，使得其難以得到廣泛應(yīng)用，為此提出了一種紅外對射報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STC89C52為控制器，SIM900A為通信模塊，預(yù)留擴展接口，可接入可燃氣體傳感器等各類信號。戶外紅外對射部分采用清潔無污染的太陽能供電，通過無線有線轉(zhuǎn)發(fā)器與主控制器連接，用于監(jiān)控防區(qū)是否有侵入者，如發(fā)現(xiàn)異?？赏ㄟ^通信模塊向預(yù)設(shè)手機發(fā)送短信或撥打電話，同時發(fā)出聲光報警，確保報警信息及時傳送。對通信模塊、傳感器信號等進行系列調(diào)試。調(diào)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測防區(qū)內(nèi)不安全因素，實現(xiàn)遠程自動報警功能，設(shè)防區(qū)域大、穩(wěn)定可靠，為今后智能家居領(lǐng)域報警系統(tǒng)簡單化、智能化、平民化研制提供了參考和依據(jù)。

智能家居； 安防； 報警系統(tǒng)； 傳感器； 紅外對射； 通信； 可燃氣體

0 引言

隨著生活水平的不斷提高，人們不斷地對居住環(huán)境提出更高的要求，越來越注重家庭生活中每個成員的舒適、安全與便利，智能家居產(chǎn)品應(yīng)運而生[1]?，F(xiàn)有市場上的智能家居產(chǎn)品確實把人們帶入了一個智能、安全、便捷、舒適的智慧生活，但其價格讓很多人望而卻步。如何花費最小的經(jīng)濟代價獲取更可靠的家居安全保障，是智能家居安防產(chǎn)品亟待解決的問題[2]。

基于此，本文設(shè)計了紅外對射報警系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單片機STC89C52為控制器， SIM900A為通信模塊。系統(tǒng)可接收可燃氣體傳感器等各類傳感器信號，同時防侵入部分采用太陽能供電的主動式紅外對射傳感器，通過無線有線轉(zhuǎn)發(fā)器接入單片機。當(dāng)系統(tǒng)檢測到不安全因素后，會通過短信或電話的方式自動報警，使用戶及時獲取檢測對象的狀況，同時在現(xiàn)場采用聲光報警，便于用戶及時采取有效措施進行處理。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要由單片機、傳感模塊、供電及穩(wěn)壓模塊、報警模塊組成。單片機采用STC89C52，傳感模塊分為紅外對射傳感器和可燃氣體傳感器；紅外對射傳感器采用清潔無污染的太陽能進行供電，減少了對公共電網(wǎng)的依賴，同時也增加了系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性；報警模塊采用現(xiàn)場聲光報警，同時對于遠程報警，采用SIM900A通信模塊短信報警或電話報警。系統(tǒng)將可燃氣體傳感器等各類探測器的檢測結(jié)果送入單片機進行判斷，并通過單片機控制SIM900A通信模塊向程序預(yù)先設(shè)定好的手機發(fā)送報警信號或撥打電話。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 單片機控制電路

主控電路采用宏晶公司出品的STC89C52作為處理芯片。STC89C52是一個低電壓、高性能的CMOS 8位單片機[3]?？刂齐娐凡捎妙l率為11.059 2 MHz的外部晶振作為單片機的時鐘振蕩器，并配有獨立按鍵進行復(fù)位。P3.2、P3.3分別為紅外對射傳感器和可燃氣體傳感信號輸入端，P1.0(P1.2)、P1.1(P1.3)分別為紅外對射傳感器和可燃氣體傳感器輸出指示端。

2.2 可燃氣體檢測電路

可燃氣體傳感選用MQ-2，MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大[4-5]。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。該傳感器可檢測諸如液化氣、丙烷、氫氣、天然氣等多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器[6]?？扇細怏w檢測電路如圖2所示。

MQ-2傳感器的第4腳為檢測信號輸出引腳，能夠輸出一個隨煙霧濃度變化而變化的直流電壓信號。該電壓信號被送至比較器U1A與門檻電壓比較。門檻電壓通過電位器RP1調(diào)節(jié)，同時門檻電壓的大小也決定了傳感器的靈敏度。當(dāng)MQ-2傳感器檢測到空氣中存在可燃氣體或煙霧，此時第4腳輸出的電壓信號將高于比較器的門檻電壓，比較器的信號輸出端輸出低電平，對應(yīng)的LED燈亮。當(dāng)傳感器未檢測到可燃氣體或煙霧時，比較器信號輸出端輸出高電平，對應(yīng)的LED燈熄滅。

圖2 可燃氣體檢測電路圖

2.3 GSM通信電路設(shè)計

①通信接口電路。GSM通信接口電路包括SIM卡槽接口電路、RS-232電平轉(zhuǎn)換電路與IPXmini天線接口電路。電話卡安裝在卡槽之后，通過SIM卡槽接口電路激活電話卡，并將電話卡的信息與SIM900A通信模塊進行交換。RS-232電平轉(zhuǎn)換電路是便于程序調(diào)試階段將GSM通信部分電路與計算機進行連接調(diào)試而設(shè)置的。RS-232電平轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 RS-232電平轉(zhuǎn)換電路圖

通過RS-232電平轉(zhuǎn)換電路將計算機適用的RS-232電平轉(zhuǎn)換為單片機系統(tǒng)適用的TTL電平，從而實現(xiàn)系統(tǒng)與計算機聯(lián)機調(diào)試。IPXmini天線接口電路能夠在相應(yīng)的接口上加裝天線，使系統(tǒng)在通信時能夠得到足夠強的信號。

②SIM900A通信控制電路。SIM900A通信控制電路為上電自啟動模式，同時也預(yù)留了通過單片機控制通信電路開啟與關(guān)閉的接口。當(dāng)系統(tǒng)需要通過單片機控制通信的開啟與關(guān)閉時，只需采用單片機控制通信控制電路的供電部分即可。電路中通過SIM900A的RXD和TXD引腳與單片機進行數(shù)據(jù)和指令的傳送，進而控制通信電路進行短信的接收和發(fā)送。為了更直觀地了解系統(tǒng)的通信情況，電路中設(shè)計了D6和D7兩個指示燈。通過觀察D6、D7的工作狀態(tài)來大致判斷通信電路的工作狀態(tài)，D6、D7的亮滅和通信工作狀態(tài)可自行設(shè)計。

2.4 紅外對射傳感器

紅外對射的全稱為“主動紅外入侵探測器”，其基本的構(gòu)造包括發(fā)射端、接收端、光束強度指示燈、光學(xué)透鏡等。工作時，利用經(jīng)LED紅外光發(fā)射二極體發(fā)射的脈沖紅外線，再經(jīng)光學(xué)鏡面作聚焦處理使光線傳至很遠距離，由受光器接收[7]。當(dāng)發(fā)射器和和接收器之間紅外信號被阻擋，則接收器接收不到紅外信號，從而引發(fā)躍變信號送單片機，單片機作出相應(yīng)聲光報警、遠程短信或電話報警。相對被動紅外傳感的熱釋電傳感器，紅外對射傳感器具有設(shè)防區(qū)域大、誤報率低等特點。紅外對射傳感器發(fā)射電路和接收電路如圖4所示。

圖4 紅外對射發(fā)射、接收電路圖

發(fā)射電路是由具有4個2輸入的與非門CD4011組成的多諧振蕩器，其振蕩頻率取決于RW1﹑C1中頻率為1～15 kHz，三極管驅(qū)動后發(fā)出紅外光脈沖信號。接收器電路由紅外光電轉(zhuǎn)換探頭﹑放大器﹑譯碼器及功率開關(guān)控制元件等組成。紅外接收管JS須與發(fā)射管FS配對使用。當(dāng)紅外接收管JS接收到發(fā)射管發(fā)射的紅外信號后，經(jīng)IC2放大器后加至IC3譯碼器，LM567的輸出端8腳將為低電平。當(dāng)紅外發(fā)射管和接收管之間有遮擋物時，LM567的輸出端8腳將跳變?yōu)楦唠娖剑藭r單片機將獲得該跳變信號，從而引發(fā)系統(tǒng)報警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本控制系統(tǒng)程序采用KEIL軟件進行程序編寫，編程語言采用廣泛運用的C語言。本控制系統(tǒng)中，需對設(shè)防區(qū)域的活動進行監(jiān)控，同時還要對指定區(qū)域內(nèi)的可燃氣體進行監(jiān)控。監(jiān)控數(shù)據(jù)實時送入單片機控制系統(tǒng)，單片機控制系統(tǒng)根據(jù)送入的信號來執(zhí)行相應(yīng)的操作。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

若紅外對射傳感器在設(shè)防區(qū)域內(nèi)檢測到有人入侵，單片機就會控制聲光報警，同時向用戶發(fā)送提示短信。待用戶已知曉或情況已處理后，向單片機控制系統(tǒng)發(fā)送短信“解除1”，系統(tǒng)就會將對應(yīng)聲光報警關(guān)閉。同理，煙霧探測器等其他的傳感器也將檢測到的信號送給單片機，單片機作出處理，發(fā)送短信“解除2”，接觸對應(yīng)的傳感區(qū)域聲光報警。

4 系統(tǒng)程序調(diào)試

按以上設(shè)計方案進行制版并焊接，完成后的系統(tǒng)硬件結(jié)合自編軟件加以調(diào)試，以驗證設(shè)計方法的可行性。系統(tǒng)調(diào)試分為SIM900A通信模塊調(diào)試、傳感器信號調(diào)試、系統(tǒng)綜合調(diào)試。通信模塊調(diào)試是為了檢測該模塊是否能正常工作，采用SSCOM3.2串口調(diào)試工具，發(fā)送和接收模塊指令進行調(diào)試。紅外對射傳感器在沒有檢測到人體移動時，信號輸出引腳沒有信號輸出。

當(dāng)檢測到人體移動時，信號輸出引腳就會輸出一個高電平，此時認為紅外對射傳感正常。為減少系統(tǒng)的誤報率，除對傳感器的靈敏度進行調(diào)節(jié)外，還可增加紅外信號線數(shù)。可燃氣體傳感器調(diào)試可采用打火機氣體進行測試，只有氣體達到一定濃度時，傳感器才會輸出一個低電平，需將傳感器的靈敏度調(diào)節(jié)到合適的位置，防止出現(xiàn)火災(zāi)或氣體泄漏時不反應(yīng)、沒有險情時誤反應(yīng)。

通過多次測試，在設(shè)防區(qū)域有侵入或有可燃氣體時，系統(tǒng)能夠進行聲光報警，并且在預(yù)先設(shè)置好的手機上能夠接收到短信或電話報警，驗證了該系統(tǒng)設(shè)計的可行性。

5 結(jié)束語

本設(shè)計實現(xiàn)了對區(qū)域內(nèi)人體活動以及可燃氣體的監(jiān)測，能夠適用于普通的居民住宅、倉庫等其他有防火防盜要求的場所。

系統(tǒng)采用STC89C51單片機作為控制芯片，主要實現(xiàn)了SIM900A通信模塊和聲光報警電路的控制。人體侵入傳感采用紅外對射傳感器，彌補了被動式紅外傳感器設(shè)防范圍小、誤報率高的缺點。采用太陽能供電，解除了系統(tǒng)對公用電網(wǎng)的依賴，實現(xiàn)了無線供

電，大大提高了系統(tǒng)供電的可靠性。系統(tǒng)采用設(shè)防區(qū)聲光報警和遠程短信電話報警相結(jié)合的報警方式，報警范圍全覆蓋，能夠及時通知相關(guān)人員進行警情處理，增加了系統(tǒng)的可靠性。

本文設(shè)計的報警系統(tǒng)成本低廉、探測效果好、可實施性高，但還有較大的改進空間。比如控制芯片可以采用功能更為強大的ARM系列，同時可以增加多種其他傳感器，實現(xiàn)對環(huán)境中各個物理量的實時監(jiān)測。

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Design and Implementation of the Active Infrared Intrusion Alarm System

GUO Liang1，XIAO Yong2,WANG Yunsheng1

(1.School of Information Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China; 2.Jiangxi Minxuan Intelligent Technology Co.,Ltd，Nanchang 330077，China)

The performance and price of smart home security products in the market are investigated,it is found that the circuitry of the products is complex,and the cost is generally high; so the products are hard to be popularized.The active infrared intrusion alarm system is proposed.In this system,STC89C52 is used as the controller,SIM900A is used as the communication module; with reserved expansion interface，it can be connected with the combustible gas sensor and other signals.The outdoor infrared radiation part is powered by clean and pollution-free solar energy,it is connected with the main controller through wired and wireless repeater,for monitoring if these is any intruder.If abnormal situation is found,short message or phone call can be sent to pre-set mobile phone through communication module,in addition,audio and visual alarm messages can be issued promptly.The communication module,Sensor signal,etc.are carried out a series of experiments.The debugging results indicate that the system can detect unsafe factors of the region in real time,realize the function of remote automatic alarm stably and reliably,the secured area is wide.It provides reference and basis for simplification,intellectualization,and civilization development of smart home alarm system in the future.

Smart home; Security; Alarm system; Sensor; Active infrared intrusion; Communication; Combustible gas

江西省科技支撐計劃基金資助項目(20151BBE50032)

郭亮(1979—)，男，博士，講師，主要從事機器人技術(shù)與智能控制的研究。E-mail: acumen@nchu.edu.cn。

TH-39；TP277

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705024

修改稿收到日期:2017-01-16