張敏麗 郭紅壯 于源華
摘 要:針對(duì)家用燃?xì)馐覂?nèi)應(yīng)用環(huán)境,對(duì)無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了研究,提出一種智能化、成本低的適用家庭的無(wú)線報(bào)警器。硬件主要由STM32F103單片機(jī)、NRF24L01無(wú)線通信模塊、DS18B20溫度傳感器、MQ-2可燃?xì)怏w煙霧檢測(cè)傳感器、SR505人體紅外感應(yīng)傳感器以及LCD1602顯示屏組成。系統(tǒng)采用無(wú)線通信方式,顯示屏實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)溫濕度,通過(guò)人體紅外感應(yīng)檢測(cè)感應(yīng)點(diǎn)亮屏幕。通過(guò)對(duì)室內(nèi)溫度、家用燃?xì)獾臐舛取熿F的濃度等對(duì)家用燃?xì)庠O(shè)備進(jìn)行有效實(shí)時(shí)監(jiān)控,并在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后第一時(shí)間通過(guò)GSM移動(dòng)網(wǎng)以短信方式通知戶主,同時(shí)發(fā)出控制信號(hào)啟動(dòng)排風(fēng)扇等相關(guān)措施,并發(fā)出相關(guān)警報(bào)信息[1]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出,該系統(tǒng)成本低、安裝簡(jiǎn)單、使用方便,擴(kuò)展性強(qiáng)等,可以應(yīng)用在智能家具控制系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞:溫度傳感器;煙霧傳感器;無(wú)線通信;GSM移動(dòng)通信
1 智能燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)總體方案
系統(tǒng)整體框圖有一個(gè)主模塊和子模塊組成。主要有可燃?xì)怏w煙霧檢測(cè)傳感器、人體紅外感應(yīng)傳感器、溫度傳感器、主控芯片、LCD顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、GSM模塊以及控制模塊等組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示:
本設(shè)計(jì)一共采用兩個(gè)STM32單片機(jī),主模塊的單片機(jī)用來(lái)檢測(cè)處理溫度傳感器DS18B20的信號(hào),將處理后的信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)線模塊發(fā)射到子模塊,單片機(jī)通過(guò)NRF24L01接收信號(hào),傳遞給單片機(jī)處理信號(hào),然后顯示在LCD1602上。監(jiān)測(cè)子模塊單片機(jī)處理接收到的數(shù)據(jù),和設(shè)置的溫度、燃?xì)夥秶鷿舛葘?duì)比,如果超出溫度范圍則通過(guò)GSM模塊對(duì)用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程短信報(bào)警,并開啟排風(fēng)裝置,其中需要監(jiān)測(cè)子模塊地址和報(bào)警目標(biāo)用戶手機(jī)號(hào)碼可以通過(guò)鍵盤設(shè)置,并且保存在EEPORM里面不丟失[2]。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 主控模塊
主控芯片采用STM32單片機(jī),設(shè)計(jì)中單片機(jī)的最小系統(tǒng),包含復(fù)位電路、晶振電路,單片機(jī)所提供的接口均可對(duì)外拓展。原理圖設(shè)計(jì)中NRF24L01無(wú)線芯片、溫度傳感器、蜂鳴器、LED報(bào)警、電源電路、均采用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào),使頁(yè)面更加簡(jiǎn)潔。系統(tǒng)中所有元器件的供電均使用單片機(jī)自身所帶供電口供電。
2.2 無(wú)線通信模塊
在本次設(shè)計(jì)中,通過(guò)多個(gè)無(wú)線模塊比較,綜合各個(gè)因素比如成本、傳輸距離、可穿墻性、操作方便性、選擇了采用NRF24L01是8引腳無(wú)線模塊,通過(guò)編程設(shè)置,兩個(gè)無(wú)線模塊一個(gè)作為發(fā)射端,一個(gè)作為接收端對(duì)測(cè)量的溫度實(shí)時(shí)發(fā)送對(duì)接。NRF24L01此芯片可以實(shí)現(xiàn)1個(gè)對(duì)1個(gè)無(wú)線芯片或是1個(gè)對(duì)多個(gè)芯片進(jìn)行無(wú)線通訊,無(wú)線通信速率最高的時(shí)候可以達(dá)到2M。本次設(shè)計(jì)采用的是一對(duì)一的形式,只有一個(gè)接收端和一個(gè)發(fā)射端,要想實(shí)現(xiàn)兩個(gè)芯片的無(wú)線對(duì)接,需要運(yùn)用單片機(jī)變成對(duì)其控制。
2.3 DS18B20溫度傳感器
設(shè)計(jì)所采用的溫度傳感器DS18B20是唯一通過(guò)無(wú)線芯片傳輸,在無(wú)線報(bào)警的發(fā)射端,接收端在接到數(shù)據(jù)后在接收端的單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[3]。在家用燃?xì)鉄o(wú)限報(bào)警設(shè)計(jì)中,采用DS18B20傳感器,對(duì)燃?xì)鉅t的溫度監(jiān)測(cè),把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)。因?yàn)槿細(xì)鉅t溫度過(guò)高,DS18B20只有小段不銹鋼,后面為膠皮,為了防止膠皮軟化還有不超過(guò)DS18B20溫度監(jiān)測(cè)的最高溫度,采用讓傳感器距離明火稍遠(yuǎn)的距離。
2.4 MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊
在發(fā)射端本次設(shè)計(jì)采用的MQ-2煙霧氣敏傳感器,根據(jù)查閱資料MQ-2煙霧氣敏傳感器具有很多特性,傳感器有一個(gè)D0輸出口,可以輸出高低電平。TTL根據(jù)檢測(cè)到氣體濃度,輸出不同的電壓,電壓范圍為0V~5V。另外MQ-2傳感器具有響應(yīng)速度快,操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)在無(wú)線模塊發(fā)射端單片機(jī)I/O口,加入MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊,把MQ-2模塊直接連接在發(fā)射端單片機(jī)上當(dāng)濃度高于設(shè)定值時(shí),單片機(jī)發(fā)射端的蜂鳴器直接發(fā)出報(bào)警。
2.5 HC-SR505人體感應(yīng)模塊
HC-SR505小型人體感應(yīng)模塊是一個(gè)集成模塊,次模塊靈敏度相對(duì)較高,廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制電路中。本產(chǎn)品為全自動(dòng)感應(yīng),感應(yīng)延時(shí)可調(diào),默認(rèn)8秒延時(shí),當(dāng)檢測(cè)到有人進(jìn)入到感應(yīng)區(qū)后,感應(yīng)模塊輸出高電平3.3V,當(dāng)檢測(cè)到人離開超過(guò)8秒以后就會(huì)輸出低電平。本模塊對(duì)工作電壓要求不高,可以在4.5V~20V,正常工作,輸出電流很小最大不超過(guò)60uA,模塊輸出的高電平,即3.3V可以直接與各類電路對(duì)接,方便使用。
2.6 GSM短信收發(fā)電路
本設(shè)計(jì)短消息發(fā)送模塊采用TC35i模塊,TC35i西門子工業(yè)GSM模塊是一個(gè)支持中文短信息的工業(yè)級(jí)GSM模塊,電源范圍為直流3.3~4.8V,通過(guò)接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線[4]。SIM電壓為3V/1.8V,TC35i的數(shù)據(jù)接口(CMOS電平)通過(guò)AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù),LPC2138通過(guò)I/O端口控制TC35的開關(guān)機(jī)、復(fù)位等,進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,通信速率為9600Kbps,采用8位異步通訊方式,1位起始位,8位數(shù)據(jù)位,1位停止位[5]。
3 軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)無(wú)線報(bào)警器系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求以及內(nèi)部程序運(yùn)行流程,制定了以下系統(tǒng)的總工作流程,如圖所示:(NRF24L01無(wú)線模塊;STM32為處理器;DS18B20傳感器為傳感器1;MQ-2傳感器為傳感器2;HC-SR505為傳感器3;LCD1602為顯示屏)??偝绦蛄鞒虉D如圖2所示:
4 總結(jié)
本次設(shè)計(jì)共采用兩個(gè)STM32F103單片機(jī)和三個(gè)傳感器,組成了一個(gè)智能家用無(wú)線燃?xì)鈭?bào)警裝置。監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度和燃?xì)鉂舛韧ㄟ^(guò)傳感器發(fā)送至單片機(jī),處理分析后與設(shè)定的值進(jìn)行對(duì)比,超出設(shè)置范圍發(fā)出警報(bào)及控制信號(hào)打開排氣扇,并發(fā)送短信給用戶;顯示屏能夠?qū)崟r(shí)顯示、檢測(cè)環(huán)境溫度變化,根據(jù)人體紅外感應(yīng)傳感器檢測(cè)控制屏顯時(shí)間,用作日常檢查,有效降低燃?xì)庑孤┑娘L(fēng)險(xiǎn)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示,該裝置穩(wěn)定運(yùn)行,測(cè)量誤差小,操作簡(jiǎn)單,可用于智能家居的設(shè)計(jì)使用。
參考文獻(xiàn):
[1]趙延明,文家厚,曾瓊斌,黃垚,陳建勛.家用燃?xì)庑孤┲悄軋?bào)警系統(tǒng)研究[J].化工自動(dòng)化及儀表,2014,41(02):222-225+228.
[2]陳英,肖利軍,劉蒙瑞.智能家庭煤氣中毒及火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無(wú)線互聯(lián)科技,2018,15(15):68-69.
[3]覃鮮艷.基于DS18B20的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].武漢理工大學(xué),2012.
[4]朱蘭,任志偉.一種基于LPC2138的智能家用燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2014(23):150-151.
[5]劉昌珍.基于GSM的遠(yuǎn)程家庭監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].安防科技,2008(08):22-25.
*通訊作者:于源華。