檢測可燃?xì)怏w遠(yuǎn)程防火報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

陳東升

【摘 要】本遠(yuǎn)程防火報(bào)警系統(tǒng)采用MQ-2可燃?xì)怏w傳感器監(jiān)測各個房間內(nèi)的可燃?xì)怏w，經(jīng)過主控模塊ATmega8單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)超過閾值時通過nRF24L01無線射頻模塊將報(bào)警信息發(fā)送給家庭內(nèi)部的監(jiān)控設(shè)備，通過液晶顯示報(bào)警地點(diǎn)；同時通過GSM模塊TC35將報(bào)警信息發(fā)送給目標(biāo)手機(jī)號碼，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的自動短信報(bào)警。

【關(guān)鍵詞】遠(yuǎn)程防火報(bào)警；單片機(jī)；氣體監(jiān)測；nRF24L01；GSM模塊

一、引言

本遠(yuǎn)程防火報(bào)警系統(tǒng)采用近幾年來成熟的各種傳感器技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)、GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理控制技術(shù)和功能化模塊來構(gòu)造其基本的系統(tǒng)功能。

系統(tǒng)的功能往往決定了系統(tǒng)采用的結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)家庭火災(zāi)、煤氣泄漏的監(jiān)測以及本地、遠(yuǎn)程報(bào)警等功能，因此系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可以構(gòu)想為可燃?xì)怏w監(jiān)測主控設(shè)備、本地監(jiān)控報(bào)警設(shè)備兩大部分。主控設(shè)備主要用于家中可燃?xì)怏w的監(jiān)測以及報(bào)警信息的發(fā)送，本地監(jiān)控報(bào)警設(shè)備主要用于實(shí)現(xiàn)家中的報(bào)警信息提示，兩者共同完成可燃?xì)怏w的監(jiān)測以及本地、遠(yuǎn)程自動報(bào)警。

二、遠(yuǎn)程防火報(bào)警系統(tǒng)方案構(gòu)想

根據(jù)本文上章確定的系統(tǒng)方案構(gòu)想，本章進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路的具體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由可燃?xì)怏w監(jiān)測主控設(shè)備與本地監(jiān)控報(bào)警設(shè)備組成，其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。

可燃?xì)怏w監(jiān)測主控設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖

可燃?xì)怏w監(jiān)測主控設(shè)備由MQ-2可燃?xì)怏w傳感器模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊nRF24L01、GSM模塊TC35、主控模塊ATmega8單片機(jī)以及電源模塊等部分組成。本地監(jiān)控報(bào)警設(shè)備由無線數(shù)據(jù)傳輸模塊nRF24L01、12864液晶顯示模塊、主控模塊ATmega8單片機(jī)以及電源模塊等部分組成。整個系統(tǒng)的工作原理是采用MQ-2可燃?xì)怏w傳感器監(jiān)測各個房間內(nèi)的可燃?xì)怏w，經(jīng)過主控模塊ATmega8單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)超過閾值時通過nRF24L01無線射頻模塊將報(bào)警信息發(fā)送給家庭內(nèi)部的監(jiān)控報(bào)警設(shè)備，通過液晶顯示報(bào)警地點(diǎn)；同時通過GSM模塊TC35將報(bào)警信息發(fā)送給目標(biāo)手機(jī)號碼，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的自動短信報(bào)警。

三、可燃?xì)怏w檢測電路

可燃?xì)怏w檢測電路由可燃?xì)怏w、煙霧傳感器MQ-2組成，該傳感器具有雙路信號輸出，模擬量輸出及TTL電平輸出，在本系統(tǒng)中采用TTL電平輸出，當(dāng)測量濃度大于設(shè)定濃度時，輸出高電平給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。MQ-2傳感器工作原理圖如圖所示：

MQ-2傳感器工作原理圖

四、nRF24L01的工作原理

nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只9mA；接收時，工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。nRF2401適用于多種無線通信的場合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線鼠標(biāo)、遙控開鎖、遙控玩具等。

五、TC35模塊功能實(shí)現(xiàn)

TC35模塊從功能上看主要由4部分組成：GSM基帶處理器、GSM射頻部分、電源A-SIC（Application Specific Integrated Circuit）、Flash。GSM基帶處理器是整個模塊的核心，它由一個C166CPU和一個DSP處理器內(nèi)核控制著模塊內(nèi)各種信號的傳輸、轉(zhuǎn)換、放大等處理過程。GSM射頻部分是一個單片機(jī)收發(fā)器SMARTi，它由一個外差式接收器、上變頻調(diào)制環(huán)路發(fā)送器（upconversion modulation loop transmitter）、一個射頻鎖相環(huán)路和一個全集成中頻合成器4個功能塊組成，共同完成對射頻信號的接受和發(fā)送等處理。GSM模塊電流變化非常大，空閑時電流小于3.5mA，而在通話期間電流最大可達(dá)2.3A，這就對供電電路提出了較高的要求。GSM模塊電源ASIC部分使用線性電壓調(diào)節(jié)器把外部輸入的電源電壓Vbatt+進(jìn)行穩(wěn)壓處理后供GSM基帶處理器和GSM射頻部分使用，此外它還輸出一個2.9V/70mA的電壓供模塊外的其他電路使用。GSM射頻部分的功率放大器對電源電壓要求不高，所以直接使用外部的輸入電壓Vbatt+。Flash用來存儲一些用戶配置信息、電話本和其他信息。

六、主控處理模塊

本系統(tǒng)經(jīng)過各種MCU的選擇對比，選定了ATMEL公司的ATmega8單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控模塊芯片。

ATmega8 有如下特點(diǎn)：8K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有同時讀寫的能力，即RWW），512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，23 個通用I/O 口線，32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計(jì)數(shù)器（T/C），片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益（TQFP 封裝） 的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。 工作于空閑模式時CPU 停止工作，而USART、兩線接口、A/D 轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個時間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時終止CPU 和除了異步定時器與ADC 以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴(kuò)展Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。

ATmega8是以Atmel 高密度非易失性存儲器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISP Flash 允許程序存儲器通過ISP 串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過運(yùn)行于AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲區(qū)（ApplicationFlash Memory）。在更新應(yīng)用Flash存儲區(qū)時引導(dǎo)Flash區(qū)（Boot Flash Memory）的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了RWW 操作。 通過將8 位RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash 集成在一個芯片內(nèi)， ATmega16 成為一個功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。ATmega16 具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C 語言 編譯器、宏匯編、 程序調(diào)試器/ 軟件仿真器、仿真器及評估板。

本地監(jiān)控報(bào)警設(shè)備主要用于實(shí)現(xiàn)家中的報(bào)警信息顯示。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行一系列的系統(tǒng)初始化，包括I/O端口初始化、nRF24L01初始化、液晶模塊初始化等；然后進(jìn)入自檢程序，不斷檢測nRF24L01是否收到數(shù)據(jù)，如果有，則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后將相應(yīng)的報(bào)警信息通過12864液晶模塊進(jìn)行顯示。

七、結(jié)論

本課題研究與設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程防火報(bào)警系統(tǒng)利用GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣、信號穩(wěn)定、保密性好、數(shù)據(jù)傳輸量大、可以把現(xiàn)場采集到的信息及時傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的特點(diǎn)，將GSM與火災(zāi)報(bào)警器結(jié)合起來，證明了遠(yuǎn)程火災(zāi)報(bào)警的可行性。該遠(yuǎn)程防火報(bào)警系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警在無人情況下報(bào)警無效的不足，更有利于消防工作的快速進(jìn)行。

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