基于單片機和GSM的通信機房安全報警器設計

陶壯壯

（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學院，河南 焦作 454000）

0 引 言

近年來，通信設備的自動化和智能化水平不斷提升，機房的安全問題越來越受到人們的重視。作為現(xiàn)代通信傳播的重要承載，一旦機房出現(xiàn)火災等問題，會直接影響到區(qū)域內(nèi)通信網(wǎng)絡的正常運行，造成嚴重的財產(chǎn)損失，影響到人們的正常生活。因此，必須重視機房安全性問題，設計確保通信設備正常運行的機房安全報警器，實現(xiàn)對機房進行實時監(jiān)控。在控制器中采用單片機，在通信機房內(nèi)部裝置煙霧傳感器、溫度傳感器等，同時在工位上安裝人體紅外傳感器，實時監(jiān)測機房內(nèi)可能出現(xiàn)的安全隱患，并通過聲光系統(tǒng)報警的方式傳遞信息，確保報警器設計的合理性。

1 整體方案設計

采用STM32F103C8T6單片機作為機房安全報警器的控制核心，借助人體紅外傳感器獲取紅外信息，借助煙霧傳感器、溫度傳感器等實時監(jiān)測機房是否存在火災安全隱患。一旦發(fā)現(xiàn)火災隱患，則立即通過GSM模塊傳遞警報信息。安全報警器系統(tǒng)中包括單片機、GSM模塊、警報模塊、控制模塊以及各類傳感器等，整體的設計框架如圖1所示[1]。

單片機是通信信號采集的核心，也是進行信號處理的重要單元，同時還具有信息發(fā)送和傳遞的功能。由于單片機系統(tǒng)處于特殊的電磁環(huán)境，因此需具有較強的抗干擾能力[2]。GSM系統(tǒng)是信息發(fā)送的重要模塊，需選用符合質(zhì)量要求的工業(yè)級芯片，功能相對多樣且具有標準的串行接口，能夠與單片機有效連接，使用更加快捷。此外，可以通過指令實現(xiàn)短信收發(fā)，同時還能設置不同的操作模式。煙霧傳感器模塊主要是檢測空氣中的煙霧濃度，并將其轉(zhuǎn)換成信號輸出。煙霧傳感器可以選用離子式傳感器，工作相對穩(wěn)定可靠。一般情況下，內(nèi)外電離室的電流相對比較穩(wěn)定，但如果通信機房出現(xiàn)煙霧，會對帶電粒子的正常運動產(chǎn)生干擾，隨之也會改變電流和電壓，破壞機房內(nèi)外電離的平衡，此時發(fā)射器則會發(fā)出警報信號并傳遞警報信息。

2 電路和程序設計

2.1 電路設計

通信機房安全報警器的電路設計主要包括單片機外圍電路設計、溫度傳感器電路設計、報警電路設計以及顯示電路設計等。溫度監(jiān)測電路設計中涉及到數(shù)字溫度傳感器DS18B20，借助單片機的接口對DS18B20加以讀寫，可以得到當前環(huán)境的溫度值。報警電路設計中采用蜂鳴器，充分發(fā)揮其提示、報警的功能。蜂鳴器是一種廣泛應用于多種電子產(chǎn)品的元器件，在應用中工作電流較大，可通過增加三極管來增加蜂鳴器的電流。蜂鳴器的一端連接到電源上，另一端連接到三極管。在管腳低的狀態(tài)下，三極管處于聯(lián)通狀態(tài)，此時電流回路，可以用各管腳的高低控制發(fā)聲是否開啟和關(guān)閉。顯示電路的設計中可以采用數(shù)碼管，其顯示內(nèi)容相對簡單，但電路的焊接設計相對較難[3]。采用LCD1602液晶顯示，功耗相對較低，數(shù)字內(nèi)容多樣，能滿足顯示的基本要求。報警電路板塊主要用單片機程序進行設計，需確保在發(fā)生火災等險情時能及時傳遞警示信息，避免因突發(fā)情況無法聯(lián)系造成損失。

2.2 單片機系統(tǒng)設計

通信機房安全報警器控制系統(tǒng)設計中，選擇使用AT89S51單片機。通過將CPU芯片、存儲器芯片、I/O接口芯片以及簡單的I/O設備連接在相應的印刷電路板中，再將應用程序下載到單片機中，這樣就形成了一個小型的單片計算機，也就是單片機。最小系統(tǒng)是整體系統(tǒng)啟動工作運行的最小模塊，必不可少。單片機擁有自己的最小系統(tǒng)，其主要作用是實現(xiàn)系統(tǒng)運算以及控制目標，讓系統(tǒng)保持初始狀態(tài)下執(zhí)行的復位電路。根據(jù)系統(tǒng)設計需要，選擇如下圖2所示的包含芯片引腳及拓展插針的單片機。

在該通信機房安全報警器系統(tǒng)設計中，單片機通過采集周圍的系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)，借助數(shù)字形式開展傳輸，實現(xiàn)有效的報警控制，將動態(tài)的通信設備運行參數(shù)和變化情況記錄下來，進行動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測，能夠結(jié)合系統(tǒng)設定的安全報警控制目標，執(zhí)行相關(guān)操作，在發(fā)現(xiàn)異常情況時，能夠及時有效的開展報警控制。

2.3 程序設計

基于通用編程軟件Keil uVision5，采用C語言程序編寫系統(tǒng)，程序編寫主要涉及單片機連接AD量采集程序、GSM模塊系統(tǒng)和單片機之間的通信傳遞指令、短信內(nèi)容程序、紅外傳感器信號程序、掃描鍵輸入程度以及蜂鳴器控制程序等[4]。

在通信機房正常工作狀態(tài)下，安全報警器實行上電工作，模塊中的煙霧傳感器和溫度傳感器的探頭開始加熱工作，對機房內(nèi)外環(huán)境的煙霧、溫度等信息數(shù)據(jù)進行采集處理，并將處理數(shù)據(jù)傳送給單片機。單片機接收到傳感器所傳遞的數(shù)據(jù)后，進一步對這些數(shù)據(jù)進行分析。當任意一個傳感器的參數(shù)高于安全參數(shù)值時，進一步進行人體紅外檢測。如果在檢測中發(fā)現(xiàn)是周圍環(huán)境中有人員存在，單片機則會即刻發(fā)出指令，確保聲光報警模塊能發(fā)出警示信息和燈光。與此同時，GSM模塊也會發(fā)送對應的報警信息到對應的手機等移動終端，然后程序才會結(jié)束運行[5]。

采用CC2430芯片實現(xiàn)無線傳輸，其編程具有較大的靈活性和自由性，能實現(xiàn)不同的控制算法和邏輯算法。由于支持無線傳輸?shù)膯纹瑱C成本相對較高且程序復雜，電路設計難度也更大，因此可以采用NRF24L01芯片，不僅能實現(xiàn)無線傳輸，而且整體成本較低，單片機軟件的編程也比較自由，能滿足各種邏輯和控制算法的需要，符合節(jié)能設計的要求，也具有較強的抗干擾能力，在通信機房等場合的應用中編程比較方便[6]。

3 安全報警器系統(tǒng)調(diào)試分析

3.1 硬件測試

通過分析機房安全報警器工作原理，選擇符合要求的傳感器和其他功能模塊的元器件等進行通電測試，在測試工作完成后再進行硬件搭建工作[7]。結(jié)合設計好的系統(tǒng)布局，通過萬用板等對排母連接灰排線等進行焊接作業(yè)，并借助萬用表對電阻電容的功能性進行測試和對比。此外，對硬件系統(tǒng)中所涉及到的元器件基本參數(shù)進行分析并與標準的參數(shù)進行比對，最終選擇偏差相對較小的元器件[8-10]。采用萬用表對灰排線的線路等進行測試，如果萬用表出現(xiàn)蜂鳴聲則表明線路導通正常，反之則表明出現(xiàn)斷路問題。萬用板測試完成后還要插入各個傳感器、單片機以及GSM系統(tǒng)模塊，通電后再次用萬用表對系統(tǒng)的電壓加以測試。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

對各個模塊和程序等進行調(diào)試，查看其是否具有對應的功能。收集對應的數(shù)據(jù)信息，將其整理成表格，然后對這些數(shù)據(jù)信息進行分析，不斷優(yōu)化完善機房安全報警器系統(tǒng)設計。借助仿真器對不同傳感器、不同模塊的子程序進行下載，將其存放到單片機中，對子程序的運行進行分析，查看子程序是否正確。根據(jù)實際需求對其進行多次調(diào)試，確保各個子程序最終符合要求。

在煙霧傳感器的調(diào)試工作中，單片機系統(tǒng)通電后可以在煙霧傳感器探頭周圍放置燃燒的紙張，然后觀察采集到的AD數(shù)值是否發(fā)生了變化，同時關(guān)注發(fā)光二極管是否開啟變亮。如果AD值有巨大的波動且發(fā)光二極管變亮，則證明此狀態(tài)下煙霧傳感器系統(tǒng)功能正常；如果其中任何一個條件不滿足，則需要進行重新調(diào)試。在紅外傳感器的調(diào)試作業(yè)中，工作人員可以將手放在探頭上，查看是否處于高電平狀態(tài)。同時也可以正確輸出后用蓋子蓋住探頭，查看是否處于低電平狀態(tài)。如果出現(xiàn)異?；蜢`敏度不夠，則需要再次調(diào)試。GSM模塊的調(diào)試環(huán)節(jié)需要先啟動模塊并和單片機連接，然后發(fā)出AT指令，測試指令的正確與否。對按鍵模塊的調(diào)節(jié)主要是下載按鍵掃描的子程序，通過操作按鍵并采用萬用筆對輸出的電平進行測量。正常來講，按鍵按下時的電平為低電平。

3.3 調(diào)試和改進系統(tǒng)

當機電安全報警器通電運行后，煙霧傳感器和溫度傳感器會對所處環(huán)境的溫度變化、煙霧及一氧化碳的濃度等進行檢測。紅外傳感器會對所屬范圍內(nèi)的人員加以檢測，并將所檢測到的人體運動通過不同顏色進行顯示，一般以紅、綠、藍3種顏色來表示不同的運行狀態(tài)。顯示器可以實時動態(tài)地顯示空氣中煙霧的濃度和溫度等信息參數(shù)。當煙霧濃度或溫度參數(shù)超過安全閾值時，蜂鳴器等會進行聲光報警，同時GSM模塊也會給設定的移動終端發(fā)送短信。通過不斷的調(diào)試，查看報警器上電運行后，如果環(huán)境中存在異常情況，系統(tǒng)是否可以正常發(fā)送短信到手機上，以此來監(jiān)測整體設計是否科學。除此之外，系統(tǒng)的調(diào)試改進還包括軟件和程序的調(diào)試，對錯誤代碼等進行修改。將程序下載到系統(tǒng)實物中，對溫度、煙霧濃度等初始值的設定進行分析，根據(jù)結(jié)果對系統(tǒng)程序進行調(diào)試，確保系統(tǒng)正常運行后才能結(jié)束調(diào)試。

4 結(jié) 論

綜上所述，以單機片為控制核心，將煙霧傳感器、溫度傳感器、紅外傳感器等與GSM系統(tǒng)有效結(jié)合設計了一種通信機房安全報警器。通過系統(tǒng)測試，其能夠在檢測到機房安全隱患時及時發(fā)出警報信息，通過GSM模塊迅速傳遞信息提醒相關(guān)工作人員采取有效措施，具有一定的應用價值。