室內(nèi)天燃?xì)庑孤o(wú)線報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙永花，趙浪濤

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州工業(yè)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

室內(nèi)天燃?xì)庑孤o(wú)線報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙永花1，趙浪濤2

(1.蘭州工業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州工業(yè)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

燃?xì)庾鳛榍鍧嵞茉磸V泛應(yīng)用于家庭、工業(yè)和餐飲等眾多領(lǐng)域。為確保在建筑室內(nèi)安全使用天燃?xì)?，針?duì)室內(nèi)天然氣濃度進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)線報(bào)警。系統(tǒng)選用可燃?xì)怏w傳感器和溫度傳感器，應(yīng)用AT89C51微處理器和全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)傳輸模塊，完成燃?xì)庑孤z測(cè)和無(wú)線報(bào)警功能的軟硬件設(shè)計(jì)，對(duì)建筑室內(nèi)環(huán)境燃?xì)鉂舛群蜏囟葘?shí)時(shí)檢測(cè)、顯示，當(dāng)超過(guò)限幅值時(shí)報(bào)警。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)天然氣濃度和室內(nèi)溫度檢測(cè)精度高，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、操作方便，極大提高了天燃?xì)馐褂玫陌踩浴?/p>

AT89C51；天燃?xì)庑孤籊SM模塊；無(wú)線報(bào)警

0 引言

隨著人們生活水平的提高，燃?xì)馇鍧嵞茉磸V泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，但天燃?xì)庠诮o人們提供方便的同時(shí)也帶來(lái)了不必要的麻煩，因客觀使用不規(guī)范或者馬虎大意，常常發(fā)生燃?xì)庑孤┧鶎?dǎo)致的安全事故，給個(gè)人和國(guó)家?guī)?lái)不必要的無(wú)辜損失，為居民更好地安心、放心使用燃?xì)猓斜匾獙?duì)建筑室內(nèi)天燃?xì)鉂舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)天燃?xì)鉂舛瘸^(guò)上限值時(shí)提供現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警的同時(shí)，同時(shí)進(jìn)行無(wú)線傳輸及早告知親人，做好防范措施。

常規(guī)的工業(yè)燃?xì)庑孤z測(cè)設(shè)備基本采用RS-485串行通信或通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)(GPRS)，雖然可實(shí)現(xiàn)大范圍的遠(yuǎn)程檢測(cè)，檢測(cè)精度高，可靠性高，但是在監(jiān)控區(qū)域小而分散的用戶，實(shí)用性不是很高，另外安裝、調(diào)試和運(yùn)行成本較高，無(wú)法滿足用戶的需要。鑒于以上原因，本文設(shè)計(jì)應(yīng)用AT89C51單片機(jī)，通過(guò)溫度和燃?xì)鉂舛葌鞲衅鲗?shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)出燃?xì)獾男孤┣闆r[1]，當(dāng)出現(xiàn)異常，進(jìn)行報(bào)警。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，后期通過(guò)手機(jī)開(kāi)源軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制，逐步推廣到工業(yè)各個(gè)燃?xì)夂蜐舛葯z測(cè)場(chǎng)所，為安全使用燃?xì)馓峁┯辛Φ谋Ｕ?。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，相對(duì)來(lái)說(shuō)體積小、成本低、操作簡(jiǎn)單，能夠滿足普通用戶使用需求，具有很大的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

1 總體方案設(shè)計(jì)

燃?xì)庑孤o(wú)線報(bào)警系統(tǒng)[2]設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)包括AT89C51微處理器組成的最小系統(tǒng)、外圍搭建燃?xì)鉂舛葯z測(cè)和溫度檢測(cè)傳感器、時(shí)鐘模塊、GSM模塊、常規(guī)輸入輸出設(shè)備。

圖1 燃?xì)庑孤o(wú)線報(bào)警系統(tǒng)

系統(tǒng)的基本工作原理：首先根據(jù)建筑室內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境控制要求，通過(guò)鍵盤設(shè)定氣體濃度和溫度容許上限值，然后實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)燃?xì)鉂舛然驕囟戎?，通過(guò)AT89C51單片機(jī)將實(shí)測(cè)數(shù)值和給定值進(jìn)行比較，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，判斷當(dāng)前天燃?xì)獾臐舛仁欠癯^(guò)根據(jù)使用環(huán)境設(shè)定的給定值，一旦超界，通過(guò)蜂鳴器和發(fā)光二極管(LED)發(fā)出聲光報(bào)警，為了及時(shí)告知使用人員情況，通過(guò)GSM模塊發(fā)送報(bào)警信號(hào)，以便及時(shí)進(jìn)行處理。同時(shí)，采用LCD顯示器將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量濃度和溫度實(shí)時(shí)進(jìn)行顯示，以便用戶直觀地觀察變化動(dòng)向。

2 主要單元電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)的選取

隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，單片機(jī)[3]的類型相當(dāng)多，考慮系統(tǒng)資源需求，選用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能8位AT89C51，相對(duì)來(lái)說(shuō)，該芯片內(nèi)部集成8 K可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 B的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及產(chǎn)品引腳兼容，考慮設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，大大減少存儲(chǔ)器擴(kuò)展費(fèi)用。

2.2 天燃?xì)鉂舛葯z測(cè)電路

天燃?xì)鉂舛葯z測(cè)[4]利用現(xiàn)場(chǎng)模塊LPM2610-C13來(lái)實(shí)現(xiàn)，模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能如圖2所示。

模塊工作電壓5 V，根據(jù)燃?xì)鉂舛容敵?VOUT)0～5 V的模擬電壓，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換輸入到單片機(jī)，模塊自帶溫度補(bǔ)償電路，功耗低、尺寸小，氣體濃度檢測(cè)范圍為3%～30%LEL，能夠達(dá)到檢測(cè)要求。

圖2 LMP2610-C13模塊結(jié)構(gòu)與管腳

2.3 溫度檢測(cè)電路

為考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全面性，除了檢測(cè)室內(nèi)的天燃?xì)鉂舛?，還要對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行測(cè)量[5]，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，溫度傳感器選用由美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字式DS18B20[5]，該模塊溫度檢測(cè)范圍廣，測(cè)量范圍為-55～+125 ℃，分辨率根據(jù)控制要求在9～12位之間自行設(shè)置，轉(zhuǎn)換時(shí)間為93.75～750 ms，控制精度為0.5～0.062 5 ℃；現(xiàn)場(chǎng)溫度的測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸采用單線總線[3]數(shù)字方式，控制靈活、方便，抗干擾能力強(qiáng)，供電電壓可在 3～5.5 V波動(dòng)。DS18B20總共3個(gè)引腳，分別為電源地GND、電源端VDD和數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端DQ。

DS18B20與單片機(jī)之間采用單線總線數(shù)據(jù)通信模式，DS1820的編程和數(shù)據(jù)讀寫嚴(yán)格按照時(shí)序操作，一定的操作必須配有相應(yīng)的讀寫時(shí)序；同時(shí)，DS1820的單總線上的帶載能力也是有限的，一條總線上所接的DS1820最好不要超過(guò)8個(gè)，當(dāng)超過(guò)時(shí)須考慮總線驅(qū)動(dòng)問(wèn)題[6]；為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)傳輸線最好采用帶屏蔽的4芯雙絞線，其中一對(duì)線用于數(shù)據(jù)信號(hào)線和電源底線，剩下的另外一對(duì)用于接芯片供電的電源和地線，而屏蔽層一般采用源端單點(diǎn)接法，當(dāng)采用外部供電時(shí)，芯片的GND端絕對(duì)不能懸空，否則讀取的溫度值始終為85 ℃。

2.4 顯示電路設(shè)計(jì)

為更好地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度和燃?xì)鉂舛冗M(jìn)行展現(xiàn)，顯示電路[7]采用標(biāo)準(zhǔn)的YM12864RLCD顯示器，該液晶顯示器采用標(biāo)準(zhǔn)工作電源3.3～+5 V(內(nèi)置升壓電路，無(wú)需負(fù)壓)，實(shí)際使用能耗低、體積小，具有標(biāo)準(zhǔn)的硬件電路連接接口[8]，程序調(diào)試簡(jiǎn)便易行，近年來(lái)廣泛應(yīng)用在工業(yè)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制的各個(gè)場(chǎng)所和小型系統(tǒng)的電子儀器設(shè)備中。同時(shí)，該顯示器內(nèi)部資源豐富，自帶漢子字庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)中文點(diǎn)陣顯示。該顯示器可以實(shí)現(xiàn)各種圖形、曲線顯示，天燃?xì)鉂舛群同F(xiàn)場(chǎng)溫度圖像顯示[8]更加形象、直觀。

2.5 無(wú)線報(bào)警電路

隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，手機(jī)已成為我們獲取信息必不可少的途徑，為設(shè)計(jì)中的無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)[9]提供了有力的技術(shù)基礎(chǔ)。我們深信，隨著手機(jī)的廣泛使用，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)階段利用GSM[10]模塊構(gòu)建信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)傳輸室內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)的天燃?xì)鉂舛群蜏囟?，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算，為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，當(dāng)存在控制參數(shù)超過(guò)原來(lái)預(yù)期的設(shè)定值時(shí)，可將報(bào)警信息編輯成短信信息，然后通過(guò)GSM模塊發(fā)送出去，及時(shí)告知用戶或者監(jiān)控人員，使得警情傳遞更加及時(shí)可靠，報(bào)警系統(tǒng)更加方便、實(shí)用。設(shè)計(jì)采用GSM模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程短信無(wú)線溫度[11]和燃?xì)鉂舛葓?bào)警，短信通信不與語(yǔ)音通信沖突，即使手機(jī)通話也可接收短信，方便、可靠，GSM短信息每條最多可傳輸140 B數(shù)據(jù)，對(duì)于報(bào)警信號(hào)而言已能滿足要求。

GSM Modem模塊采用標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，EIA電平，但單片機(jī)采用TTL電平,為實(shí)現(xiàn)電平兼容，采用MAX232來(lái)實(shí)現(xiàn)EIA和TTL電平之間的轉(zhuǎn)換。AT89C51單片機(jī)與GSM模塊硬件連接[12]如圖3所示。

圖3 單片機(jī)與GSM模塊的接口連接

GSM模塊編程采用自帶的AT命令[13]實(shí)現(xiàn)，該規(guī)則是要求每條命令必須以AT開(kāi)頭。AT指令集的功能制定和提供了用戶編程及操作控制GSM模塊的所有軟件協(xié)議規(guī)則,數(shù)據(jù)傳輸采用串行通信，利用串口實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收發(fā)AT指令，從而控制GSM模塊給用戶或者監(jiān)控人員收發(fā)短信的目的。AT指令中實(shí)際收發(fā)短消息的模式主要有塊模式、文本模式和PDU模式3種[14]。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，因模塊在使用時(shí)需要廠家提供技術(shù)支持,使用不方便；而文本模式只能發(fā)送和接收英文短消息，使用不太直觀，而PDU模式可收發(fā)中英文混合短消息，AT命令在各個(gè)模塊中都有詳細(xì)說(shuō)明。本設(shè)計(jì)中，利用GSM模塊進(jìn)行天燃?xì)鉂舛群褪覂?nèi)溫度的數(shù)據(jù)超限報(bào)警信息傳輸，因此只簡(jiǎn)單介紹以文本模式進(jìn)行發(fā)送短消息的過(guò)程和基本指令：

AT+CSCA=″+86xxxxxxxxxxx″ xx為短信息中心號(hào)碼，設(shè)定監(jiān)控人手機(jī)號(hào)碼

AT+CNMI=2,1,0,0,1 設(shè)置接收方式，制定為SIM卡接收

AT+CMGF=1 工作模式選擇，設(shè)置為Text模式

AT+CMGS=″xxxxxxxxxxx″ 發(fā)送一條短信息,xx為目標(biāo)地址

TEP ERROR!< Z> 發(fā)送短消息內(nèi)容，可根據(jù)實(shí)際編寫

AT命令編寫有嚴(yán)格的規(guī)則，每條AT指令必須以回車符作為結(jié)束;TEP ERROR!為發(fā)送的短消息內(nèi)容,可根據(jù)見(jiàn)得參數(shù)自己設(shè)定;< Z>為CTRL+Z,其ASCII碼值為26,即可發(fā)送字符串(26),每天短息發(fā)完之后都必須以< Z>結(jié)束。通過(guò)簡(jiǎn)單的編程可以知道，在T文本模式下短消息內(nèi)容不用編程人員再進(jìn)行編解碼,編程和操作簡(jiǎn)單，通俗易懂。

2.6 其他外圍電路設(shè)計(jì)

為達(dá)到系統(tǒng)的基本功能，實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)信息交流，還需要設(shè)置相應(yīng)外圍電路。為更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息交換，輸入通過(guò)鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，考慮CPU利用率，鍵盤通過(guò)外部中斷方式實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)聲報(bào)警由蜂鳴器經(jīng)三極管驅(qū)動(dòng)報(bào)警，光報(bào)警采用最簡(jiǎn)單的發(fā)光二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件環(huán)境應(yīng)用

為方便設(shè)計(jì)，單片機(jī)程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言選擇德國(guó)Keil Software公司開(kāi)發(fā)的KeilC51編譯軟件[15]，采用ANSI標(biāo)準(zhǔn)，能夠提供了51系列單片機(jī)編程C語(yǔ)言環(huán)境,同時(shí)保留了匯編代碼高效、快速的特點(diǎn)，使用方便、靈活，通用性高。

3.2 系統(tǒng)軟件流程

該燃?xì)庑孤o(wú)線報(bào)警器的工作原理是根據(jù)建筑室內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)使用要求，通過(guò)鍵盤設(shè)置溫度和燃?xì)鉂舛葓?bào)警的上限值，然后通過(guò)溫度和氣體濃度傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)采集，對(duì)于氣體濃度傳感器輸出為模擬信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸送的單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)運(yùn)算，將設(shè)定和采集值比較，如有超限情況，在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出聲光報(bào)警的同時(shí)，將信息通過(guò)GSM模塊以短信的形式告知監(jiān)控人員，實(shí)現(xiàn)高效、快速反應(yīng)，減少事故發(fā)生。系統(tǒng)的主程序流程如圖4所示，溫度及氣體濃度采集通過(guò)定時(shí)器T0中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，程序流程圖如圖5所示。

圖4 天燃?xì)庑孤o(wú)線報(bào)警主程序流程

圖5 定時(shí)器T0中斷子程序

在實(shí)際軟件編程工作中，為避免偶然情況下引起的誤報(bào)，減少系統(tǒng)的出錯(cuò)率，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)抗干擾，即通過(guò)多次采集氣體濃度和溫度的值，再通過(guò)取算數(shù)或者加權(quán)平均值等軟件算法減小因單次采集引起的誤差，或者經(jīng)過(guò)多次采集去掉最大和最小，其他取算數(shù)平均值，也可采用當(dāng)檢測(cè)到指標(biāo)超標(biāo)時(shí)加一段延時(shí)，再重新進(jìn)行檢測(cè)，減少誤判，其實(shí)提高系統(tǒng)報(bào)警準(zhǔn)確性。

4 測(cè)試結(jié)果分析

為測(cè)試與驗(yàn)證本系統(tǒng)性能，采用成都清翔電子科技有限公司的系統(tǒng)板構(gòu)建最小系統(tǒng)，采用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行溫度模擬測(cè)量，GSM采用TC35i通信模塊實(shí)現(xiàn)短信收發(fā)構(gòu)建系統(tǒng)[16]，應(yīng)用通用的編程軟件Keil C51進(jìn)行編程，然后進(jìn)行了系統(tǒng)的可行性驗(yàn)證，通過(guò)測(cè)試，當(dāng)溫度在0～100 ℃變動(dòng)時(shí)，能夠識(shí)別的最小分辨率是當(dāng)DS18B20數(shù)字量變化1時(shí)，溫度的變化為理論值0.39°，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，溫度的最小分辨可達(dá)到0.5 ℃，所以實(shí)際運(yùn)行實(shí)測(cè)溫度和實(shí)際溫度的誤差能夠精確到±1 ℃，溫度測(cè)量精度較高。同時(shí)對(duì)氣體濃度采用LMP2610-C13模塊實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)測(cè)試，氣體濃度的檢測(cè)相對(duì)誤差為±1%。同時(shí)采用 GSM 網(wǎng)絡(luò)，對(duì)采集的溫度和天燃?xì)鉂舛榷绦艂鬏數(shù)街贫ǖ氖謾C(jī)終端；另外，通過(guò)鍵盤對(duì)不同環(huán)境下的溫度和氣體濃度上限值可以任意設(shè)定，控制靈活，當(dāng)出現(xiàn)超限情況時(shí)，能夠準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)通過(guò)短信形式報(bào)警，并告知當(dāng)前測(cè)量值，系統(tǒng)總體運(yùn)行穩(wěn)定、性能良好。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)只是針對(duì)室內(nèi)天燃?xì)鉂舛群蜏囟冗M(jìn)行的測(cè)試和監(jiān)控，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和方法經(jīng)過(guò)適當(dāng)改造，便可在多點(diǎn)檢測(cè)無(wú)線報(bào)警的智能家居[17]、城市污染檢測(cè)和工業(yè)車間現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)監(jiān)控等方面具有廣泛的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用AT89C51微處理器，實(shí)現(xiàn)了建筑室內(nèi)燃?xì)庑孤┖蜏囟葯z測(cè)無(wú)線報(bào)警功能，相對(duì)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單、成本低、系統(tǒng)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定；另外增設(shè)通訊模塊和相關(guān)接口電路，只要做適當(dāng)?shù)能浖陀布倪M(jìn)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)多點(diǎn)測(cè)量和檢測(cè)。該系統(tǒng)具有安裝調(diào)試方便、測(cè)量精度高、全數(shù)字化控制和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在燃?xì)庥脩艉凸I(yè)監(jiān)控等應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

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ADesignofWirelessAlarmSystemforIndoorGasLeakage

ZHAO Yong-hua1，ZHAO Lang-tao2

(1.CollegeofCivilEngineering,LanzhouInstituteofTechnology,LanzhouGansu730050,China; 2.CollegeofElectricalEngineering,LanzhouInstituteofTechnology,LanzhouGansu730050,China)

Gas as a clean energy is widely used in household,industrial,food and many other areas.In order to ensure the safe use of indoor gas in the building,the indoor gas concentration is detected and wireless alarm is realized simultaneously.The system uses the combustible gas sensor and temperature sensor,and applies AT89C51 microprocessor and the global system for mobile communication (GSM) module to complete hardware and software design of gas leak detection and wireless alarm function,so the gas concentration and temperature in the indoor environment can be detected and displayed in real-time,and the alarm is given when the amplitude exceeds the limit.The testing results show that the system has high precision of concentration and indoor temperature detection of natural gas,and can realize the wireless data transmission.Moreover,it has advantages of simple structure,low cost and convenient operation,and can greatly improve the safety of the use of natural gas.

AT89C51;gas leakage;GSM Module;wireless alarm

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.12.13

趙永花，趙浪濤.室內(nèi)天燃?xì)庑孤o(wú)線報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2017,47(12):56-60.[ZHAO Yonghua，ZHAO Langtao.A Design of Wireless Alarm System for Indoor Gas Leakage[J].Radio Engineering,2017,47(12):56-60.]

TN919.72

A

1003-3106(2017)12-0056-05

2017-06-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61462057)。

趙永花女，(1974—)，碩士，副教授。主要研究方向：建筑結(jié)構(gòu)及智能家居。

趙浪濤男，(1974—)，碩士，副教授。主要研究方向：控制理論與工程應(yīng)用。