肖家文，茅勝榮，陳小平

　?。ㄌK州大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215000）

         摘要：大部分火災(zāi)的發(fā)生是由于在火災(zāi)初期沒(méi)有及時(shí)采取應(yīng)急防火措施，如果能夠有效檢測(cè)異?；鹈缁蛘邭怏w并及時(shí)報(bào)警采取措施，就能大大降低火災(zāi)對(duì)人類(lèi)的威脅。設(shè)計(jì)了煙霧報(bào)警系統(tǒng)，能使外出的人及時(shí)收到家中的報(bào)警信息。該系統(tǒng)由24 V直流電源供電，使用低功耗單片機(jī)MSP430F5529搭載靈敏度高、可靠性好、價(jià)格低廉的煙霧傳感器MQ2實(shí)現(xiàn)煙霧監(jiān)測(cè)，并通過(guò)GSM模塊SIM900A對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行無(wú)線遠(yuǎn)距離傳輸。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)能夠在7~10 s內(nèi)將警報(bào)通知到用戶，這對(duì)減少火災(zāi)引起的損失起到了十分關(guān)鍵的作用。

　　關(guān)鍵詞： 煙霧報(bào)警；傳感器；MSP430；GSM通信

　　中圖分類(lèi)號(hào)：TP212.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.02.029

　　引用格式：肖家文，茅勝榮，陳小平.低功耗遠(yuǎn)程煙霧報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（2）：96-99.

0引言

　　隨著社會(huì)節(jié)奏加快，住宅往往處于長(zhǎng)期無(wú)人的狀態(tài)，全國(guó)每年因居住場(chǎng)所無(wú)人而引發(fā)的火災(zāi)逐年增多，造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失［1］。煙霧傳感器是一種典型的火災(zāi)監(jiān)測(cè)傳感器，它能夠?qū)⒖諝庵挟惓怏w的濃度或者火焰光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警器只能夠在檢測(cè)到火災(zāi)的情況下發(fā)出警報(bào)聲響，傳播距離短，有很大的局限性。本文利用低功耗單片機(jī)MSP430將煙霧傳感器MQ2的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，一旦檢測(cè)到異?；瘜W(xué)氣體超標(biāo)便通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)將警報(bào)信息以短信或電話的形式告知遠(yuǎn)方的用戶，系統(tǒng)反應(yīng)迅速并且成本低廉。

1系統(tǒng)硬件架構(gòu)

　　圖1展示了遠(yuǎn)程煙霧報(bào)警系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)由6個(gè)模塊構(gòu)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(jī)接收端。

　　1.1煙霧傳感器MQ-2

　　火災(zāi)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(cè)器、半導(dǎo)體氣體傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鳌Ｆ渲?，熱傳感器正確率高但反應(yīng)速度慢，光電傳感器、離子傳感器和空氣采樣檢測(cè)器主要在特殊環(huán)境中發(fā)揮作用，火焰?zhèn)鞲衅魍ㄟ^(guò)檢測(cè)光的波長(zhǎng)來(lái)監(jiān)測(cè)火災(zāi)和爆炸，可靠性高，反應(yīng)速度極快，但是價(jià)格昂貴。本文采用的傳感器MQ2屬于半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的煙霧及氣體與傳感器中的半導(dǎo)體材料二氧化錫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成表面勢(shì)壘降低，材料的導(dǎo)電性能顯著提高，通過(guò)外圍電子電路檢測(cè)這種變化能夠準(zhǔn)確發(fā)出火災(zāi)警報(bào)［2］。MQ2傳感器體積小、易安裝、安全性好，非常適合檢測(cè)液化石油氣、甲烷、丙烷、酒精、一氧化碳等可燃?xì)怏w引起的火災(zāi)。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(dòng)變阻器的預(yù)設(shè)電壓值一同輸入比較器，當(dāng)傳感器輸出電壓超過(guò)預(yù)設(shè)值，比較器輸出低電平，點(diǎn)亮LED燈。

　　1.2電源模塊

　　考慮到GSM模塊在搜索網(wǎng)絡(luò)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(guò)DC/DC芯片LM2596將24 V轉(zhuǎn)換成5 V為GSM提供充足的電能［3］。通過(guò)LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）芯片AMS1117將5 V電源轉(zhuǎn)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(dá)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(duì)輸出電壓的紋波起著關(guān)鍵作用，ESR越低，電源的紋波越小，一般ESR在幾毫歐附近即可。

　　1.3MCU與顯示模塊

　　整個(gè)系統(tǒng)并不需要實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的邏輯算法，因此選擇超低功耗的單片機(jī)MSP430F5529，該MCU內(nèi)部有一顆16位的RISC CPU，此外還集成了4個(gè)16位定時(shí)器和1個(gè)高性能的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器［4］，可以用來(lái)采集MQ2輸出的模擬信號(hào)量。為了方便人機(jī)交互，本系統(tǒng)使用了一款102×64像素的LCD顯示屏來(lái)顯示一些必要的系統(tǒng)信息，它與MCU通過(guò)SPI總線進(jìn)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(qū)動(dòng)，支持使用PWM來(lái)調(diào)節(jié)液晶的背光亮度。圖4MCU與液晶屏的連接圖∶

　　1.4GSM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(gè)工作頻段，分別是EGSM 標(biāo)準(zhǔn)的900 MHz和DCS 標(biāo)準(zhǔn)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(guò)長(zhǎng)按開(kāi)關(guān)機(jī)鍵可以強(qiáng)制GSM模塊開(kāi)機(jī)或者關(guān)機(jī)，在開(kāi)機(jī)瞬間，SIM900A需要非常大的驅(qū)動(dòng)電流，一旦搜索到信號(hào)便會(huì)穩(wěn)定下來(lái)，需要的電流也會(huì)大幅下降，這種特性對(duì)電源要求比較嚴(yán)苛，可以為SIM900A的電源引腳并聯(lián)一個(gè)大電容，使其平滑開(kāi)機(jī)過(guò)程中的電流脈沖。SIM900A通過(guò)串口與MCU進(jìn)行通信，波特率通常選擇為9 600 b/s。MCU使用標(biāo)準(zhǔn)的AT指令來(lái)配置GSM模塊，并完成發(fā)送短信警報(bào)的功能。、

2系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　如圖6所示，系統(tǒng)上電后，SIM900A模塊開(kāi)機(jī)，MCU完成初始化，通過(guò)串口發(fā)送AT指令給SIM900A模塊使SIM900A初始化，配置SIM900A進(jìn)入中文短信發(fā)送模式。當(dāng)煙霧傳感器檢測(cè)到異常，其輸出的模擬信號(hào)電壓超過(guò)了設(shè)定的閾值，比較器輸出端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，觸發(fā)MCU的外部中斷，MCU將立即發(fā)送AT指令及報(bào)警短信的編碼數(shù)據(jù)給SIM900A模塊。

　　2.1MCU初始化

　　MCU一上電默認(rèn)開(kāi)啟看門(mén)狗，為了測(cè)試方便，主程序中首先將看門(mén)狗關(guān)閉，接著配置系統(tǒng)時(shí)鐘至24 MHz，設(shè)置好外部中斷并打開(kāi)全局中斷，初始化液晶顯示屏，打開(kāi)背光燈，調(diào)整好對(duì)比度。最后，將MSP430的串行通信接口圖5SIM900A工作原理圖、

　　USCI配置成UART模式，波特率為9 600 b/s，禁止奇偶校驗(yàn)，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(guò)串口發(fā)送ATI指令，SIM900A如果工作正常會(huì)返回設(shè)備信息和“OK”。

　　2.2SIM900A搜索設(shè)備運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)

　　發(fā)送指令“AT+COPS”，如果成功則會(huì)收到“+COPS：0,0”、“CHINA MOBILE”和“OK”的回復(fù)信息，其中CHINA MOBILE表示中國(guó)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商，不同運(yùn)營(yíng)商的SIM卡會(huì)返回不同的字符串。程序通過(guò)檢測(cè)接收字符串中是否包含OK字樣來(lái)判斷是否成功搜索到運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)。

　　2.3SIM900A獲取信息中心號(hào)碼

　　信息中心號(hào)碼是一種短信息服務(wù)器，各個(gè)地區(qū)都有自己的信息中心號(hào)碼，例如蘇州短信中心號(hào)碼為8613802001500。短信的收發(fā)必須交由信息中心進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)才能成功發(fā)送，所以獲取本地信息中心號(hào)碼十分關(guān)鍵。通過(guò)發(fā)送“AT+CSCA?”可以獲取信息中心的號(hào)碼。

　　2.4SIM900A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(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，但是最大的缺點(diǎn)是不能收發(fā)中文短信；而PDU模式被所有手機(jī)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(bào)警系統(tǒng)主要面向國(guó)內(nèi)用戶，所以采用支持中文的PDU模式。因此通過(guò)發(fā)送指令A(yù)T+CMGF=0來(lái)選擇使用PDU模式，發(fā)送指令A(yù)T+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(shí)間、數(shù)據(jù)格式、協(xié)議類(lèi)型和正文內(nèi)容，正文長(zhǎng)度可以達(dá)到140字節(jié)。本節(jié)以發(fā)送中文短信“火災(zāi)報(bào)警”為例，根據(jù)表1所示, 按照發(fā)送端PDU的格式來(lái)進(jìn)行編碼得到的結(jié)果為：0891683108502105F011000D91688168121489 F200080008706B707E62A58B66。

　　SCA即服務(wù)中心號(hào)，共由3個(gè)字段組成，分別是SCA區(qū)的字節(jié)數(shù)、服務(wù)中心的類(lèi)型和服務(wù)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(jìn)制表示的91683108502105F0正好8個(gè)字節(jié)。緊跟其后的91表示后面的服務(wù)中心號(hào)為國(guó)際格式。683108502105F0就是編碼后的服務(wù)中心號(hào)，每個(gè)字節(jié)先編碼低4位，再編碼高4位，如果號(hào)碼個(gè)數(shù)為奇數(shù)，則最后一個(gè)字節(jié)的4~7位全部設(shè)置為1，由此便可將蘇州地區(qū)的服務(wù)中心號(hào)碼8613802001500編碼成683108502105F0。

　　PDUType即協(xié)議數(shù)據(jù)單元類(lèi)型，發(fā)送方的典型值為11，表示消息類(lèi)型是發(fā)送。MR即短消息參考，表示手機(jī)向消息服務(wù)中心提交的短消息序號(hào)，從0到255，一般手機(jī)端會(huì)自動(dòng)改動(dòng)，所以默認(rèn)為00。DA即目的手機(jī)地址，由三個(gè)字段組成，分別是長(zhǎng)度、地址類(lèi)型和編碼后的具體地址，本例中的DA為0D91688168121489F2，其中0D即目標(biāo)地址的數(shù)字的個(gè)數(shù)，不包括國(guó)際格式91和號(hào)碼奇數(shù)的補(bǔ)位F在內(nèi)共13個(gè)十進(jìn)制數(shù)，688168121489F2即為目標(biāo)電話號(hào)碼8618862141982的編碼，編碼方式同服務(wù)中心號(hào)碼。PID即協(xié)議標(biāo)識(shí)，00表示普通GSM類(lèi)型，點(diǎn)到點(diǎn)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(shí)間，表示服務(wù)中心收到短消息后，在沒(méi)有發(fā)送到目標(biāo)機(jī)前可以保證消息有效的時(shí)間，00代表5分鐘。UDL即用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(zāi)報(bào)警”在Unicode編碼后共占8個(gè)字節(jié)，因此這里是08。UD即用戶數(shù)據(jù)，這里填入“火災(zāi)報(bào)警”的Unicode編碼，為706B707E62A58B66。

　　2.6SIM900A發(fā)送中文短信

　　在完成上述步驟之后，發(fā)送AT指令A(yù)T+CMGS=<length>，來(lái)通知服務(wù)中心待發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，其中<length>代表要發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，應(yīng)當(dāng)從PDU編碼后的PDUType段開(kāi)始計(jì)算，在這里即計(jì)算11000D91688168121489 F200080008706B707E62A58B66的長(zhǎng)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(wù)中心。發(fā)送短信的UML序列圖如圖7所示。

3運(yùn)行測(cè)試

　　當(dāng)MCU板與SIM900A通信板的通信串口使用杜邦線連接好后，給整個(gè)系統(tǒng)接上24 V直流電壓，系統(tǒng)迅速上電啟動(dòng)。SIM900A上電會(huì)自動(dòng)搜尋網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)過(guò)程需要消耗一段時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)成功運(yùn)行起來(lái)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(yīng)的啟動(dòng)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(yù)熱時(shí)間。為了模擬火災(zāi)情形，使用打火機(jī)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(bào)，在測(cè)試中，7~10 s后手機(jī)收到了火災(zāi)警報(bào)的短信。

4結(jié)論

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

參考文獻(xiàn)

　?。?］ 范志華.區(qū)域火災(zāi)報(bào)警控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都：西南交通大學(xué), 2014.

　　［2］ 鄭州煒盛電子科技有限公司. MQ2半導(dǎo)體煙霧傳感器使用說(shuō)明書(shū)［Z］. 2012.

　?。?］ 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.

　?。?］ 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.

　?。?］ 芯訊通無(wú)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.aspxid=7.