摘 要：設(shè)計(jì)了一種無(wú)線煙火報(bào)警系統(tǒng)，采用超靈敏的微小電流傳感器檢測(cè)煙火報(bào)警器的工作狀態(tài)，STC89C51單片機(jī)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器檢測(cè)電流傳感器的狀態(tài)，控制GSM模塊發(fā)送短信到目的手機(jī)。采用GSM無(wú)線通信的方式，實(shí)現(xiàn)了待監(jiān)測(cè)房屋和房屋主人的信息溝通，不受時(shí)間、地域、距離的限制，如果發(fā)生火災(zāi)，能夠立即發(fā)送短信到屋主，最大限度地降低火災(zāi)損失；采用電流感應(yīng)的方式，能與市面上各種煙火報(bào)警器結(jié)合使用而不用改變硬件設(shè)計(jì)。

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關(guān)鍵詞：TC35； STC89C51； 煙火報(bào)警； GSM

中圖分類號(hào)：TN919.6-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2012)01-0049-03

Design of remote wireless smoke alarm system

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SUO Wei-wei， HU Sheng-ling， WU Ling-ling

(College of Electronic and Information， South-Central University for Nationalities， Wuhan 430074， China)

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Abstract：

A wireless smoke alarm system is proposed. An ultra-sensitive small current sensor was used to detect working status of smoke alarm， in which STC89C51 not only detected the current sensor′s state through AD converter， but also controlled the GSM module sending messages to the destination mobile phone. So this alarm system has ability of communication between house and users without limitations of time， place and distance. Messages can be sent to the owner immediately when fire occuring. Because of using the DC current sensors， this system does not need any hardware changes can combine with variety of fire alarm.

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Keywords： TC35； STC89C51； smoke alarm； GSM

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收稿日期：2011-08-10

0 引 言

一次又一次的火災(zāi)給人們不斷的警示，要最小限度地降低火災(zāi)的發(fā)生，一方面要樹(shù)立火災(zāi)安全意識(shí)，防患于未然；另一方面，要最大限度地利用科技的進(jìn)步，開(kāi)發(fā)出更加可靠、更加及時(shí)的火災(zāi)報(bào)警裝置。市面上通用的煙霧傳感器器可以實(shí)現(xiàn)適時(shí)報(bào)警，價(jià)格低廉，但往往不具備遠(yuǎn)程報(bào)警功能，大型的報(bào)警系統(tǒng)雖然具有遠(yuǎn)程報(bào)警功能，但系統(tǒng)大，成本高，不適合小型場(chǎng)合。對(duì)于小型家庭或倉(cāng)庫(kù)等環(huán)境，設(shè)計(jì)一種低成本的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人值守，通過(guò)GPRS模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警功能，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。煙火報(bào)警器采用市面上通用的報(bào)警器，如監(jiān)測(cè)到火災(zāi)，報(bào)警器會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)其電源線的電流會(huì)突然增大。報(bào)警器報(bào)警時(shí)的電流只有10 mA左右，故選用型號(hào)為TDC10LTA直流型微小電流傳感器，可檢測(cè)電流范圍為0~20 mA，輸出電壓范圍為0~5 V。系統(tǒng)控制核心采用STC89C51[1]單片機(jī)，通過(guò)A/D模塊TLC1549[2]，采集電流傳感器的輸出電壓，當(dāng)電壓突然增大并持續(xù)，MCU判斷發(fā)生了火災(zāi)會(huì)控制GSM模塊TC35，向預(yù)存的屋主手機(jī)號(hào)碼發(fā)送火災(zāi)報(bào)警信息。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于TC35的GSM無(wú)線煙火報(bào)警器主要由STC89C51單片機(jī)、GSM模塊TC35、A/D采集TLC1549、電流傳感器和普通煙火報(bào)警器組成，如圖2所示，系統(tǒng)可分為兩部分：煙火檢測(cè)部分和控制部分。煙火檢測(cè)部分是普通的煙火報(bào)警器，和9 V電池連接，其中一根電源線穿過(guò)電流傳感器；控制部分是由單片機(jī)通過(guò)A/D采集電流傳感器的輸出，控制GSM無(wú)線通信模塊發(fā)送短信。

2.1 STC89C51單片機(jī)電路

STC89C51單片機(jī)是MCS-51系列單片機(jī)的派生產(chǎn)品，它在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)完全兼容。STC89C51單片機(jī)功耗低，速率高，最高可達(dá)90 MHz，帶有4 KB的內(nèi)存和程序保護(hù)系統(tǒng)，便于程序的調(diào)試修改和保密[3]。單片機(jī)引腳在本系統(tǒng)中的功能如下：P1.0口輸出用于啟動(dòng)GSM模塊正常工作；RXD，TXD引腳用于和GSM通信，設(shè)置GSM模塊工作模式和發(fā)送短信；P1.1，P3.5和P3.6引腳用于控制A/D模塊的工作狀態(tài)，讀取電流傳感器的輸出電壓。

圖2 系統(tǒng)電路圖

2.2 GSM模塊電路設(shè)計(jì)

TC35是一款支持中文短信息的工業(yè)級(jí)GSM模塊，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍是3.3~4.8 V，電流消耗如下：休眠狀態(tài)為3.5 mA，空閑狀態(tài)為25 mA，發(fā)射狀態(tài)平均為300 mA，峰值為2.5 A；可傳輸語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信號(hào)，功耗在EGSM900和GSM1800分別為2 W和1 W，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。TC35的數(shù)據(jù)接口通過(guò)AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，使用串口通信，支持Text和PDU格式的短信息[4]。

TC35的電路設(shè)計(jì)包括電源電路、啟動(dòng)電路、串口電路和SIM卡電路。GSM的發(fā)射電流峰值可達(dá)2.5 A，對(duì)電源要求比較高，故采用開(kāi)關(guān)電源芯片LM2576進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，提供4.2 V電源給TC35。TC35上電后，要進(jìn)入工作狀態(tài)，必須給IGT加一延時(shí)大于100 ms的低脈沖，電平下降持續(xù)時(shí)間不可超過(guò)1 ms。啟動(dòng)后，IGT應(yīng)保持3.3 V高電平，因此，通過(guò)STC89C51單片機(jī)的P1.0口輸出所需電平，控制TC35工作狀態(tài)。由于單片機(jī)輸出電平為TTL，故需要通過(guò)7407電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成符合TC35的COMS電平[5]。串口通信電路也是如此，需通過(guò)7407進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，TC35的COMS電平在3.3 V左右，因此還要選擇合適的上拉電阻。TC35使用外接式SIM卡， SIM卡的CCRST，CCIO，CCCLK，CCVCC和CCGND引腳通過(guò)SIM卡座與TC35的同名端直接相連，ZIF連接座的CCIN引腳用來(lái)檢測(cè)SIM卡是否插好，如果連接正確，則CCIN輸出高電平，否則為低電平。

2.3 煙火報(bào)警器

市面上煙火報(bào)警器的種類多種多樣，如果在煙火報(bào)警器電路上進(jìn)行改進(jìn)，加入狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路，雖然也能實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的功能，但如果報(bào)警器換了，所有電路都得換；對(duì)于已經(jīng)安裝了煙火報(bào)警器的地方，還要更換等等，都會(huì)使得系統(tǒng)不具有廣泛的適用性。因此本系統(tǒng)的創(chuàng)新思路是：煙火報(bào)警器電路不需進(jìn)行任何改動(dòng)，當(dāng)報(bào)警器監(jiān)測(cè)到火災(zāi)時(shí)會(huì)發(fā)出高分貝報(bào)警聲，電源電流變化明顯，因此可以采用電流感應(yīng)的方式檢測(cè)報(bào)警器的狀態(tài)。這樣對(duì)于市面上幾乎所有的煙火報(bào)警器，都可以使用本系統(tǒng)，即使屋主已經(jīng)安裝了普通煙火報(bào)警器，只要加入本系統(tǒng)電路，就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線監(jiān)控火災(zāi)情況，發(fā)生火災(zāi)，能夠第一時(shí)間收到報(bào)警短信。

2.4 電流傳感器電路

為了不破壞普通煙火報(bào)警器的電路，以感應(yīng)電流的方式檢測(cè)煙火報(bào)警器的工作狀態(tài)，選用了直流型電流傳感器。經(jīng)測(cè)試得知，普通煙火報(bào)警器的靜態(tài)電流小于10 μA，報(bào)警時(shí)的工作電流只有10~30 mA，這么微弱的電流一般的電流傳感器根本檢測(cè)不出。本系統(tǒng)選用的TDC-LTA系列直流漏電流傳感器是應(yīng)用磁調(diào)制原理研制而成的一種新型電流傳感器，其小電流的穩(wěn)定性好，初級(jí)與次級(jí)之間高度絕緣，額定輸出電壓為0~5 V，非常適合本系統(tǒng)。電路連接比較簡(jiǎn)單，將煙火報(bào)警器的一根電源線穿過(guò)電流傳感器，上電后，電流傳感器的輸出電壓就代表感應(yīng)電流的大小。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的功能是實(shí)時(shí)檢測(cè)報(bào)警器工作狀態(tài)，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，控制GSM模塊發(fā)送報(bào)警短信息到屋主手機(jī)。程序設(shè)計(jì)可分為三個(gè)部分：?jiǎn)?dòng)部分、監(jiān)控部分和發(fā)送部分，主程序流程圖如圖3所示。

3.1 啟動(dòng)部分

啟動(dòng)部分的程序主要負(fù)責(zé)初始化單片機(jī)，配置A/D模塊和啟動(dòng)GSM模塊。系統(tǒng)上電后，必須對(duì)微控制器的定時(shí)器、端口、中斷和串口等進(jìn)行初始化。A/D模塊TLC1549是10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸出為串行方式，以中斷的方式讀取采集到的數(shù)據(jù)[6]。GSM模塊上電后，要進(jìn)入工作狀態(tài)，必須給IGT加一延時(shí)大于100 ms的低脈沖，電平下降持續(xù)時(shí)間不可超過(guò)1 ms。啟動(dòng)后，IGT應(yīng)保持3.3 V高電平，因此，通過(guò)STC89C51單片機(jī)的P1.0口輸出所需電平，控制TC35工作。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

3.2 監(jiān)控部分

監(jiān)控部分的程序主要實(shí)現(xiàn)的功能是通過(guò)A/D采樣，檢測(cè)電流傳感器的輸出電壓有沒(méi)有發(fā)生變化，進(jìn)而決定是否觸發(fā)發(fā)送程序。

首先是調(diào)用A/D采樣程序，通過(guò)控制A/D芯片TLC1549的CLK，DATA和CS的時(shí)序，讀取10位A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，正常情況下，電流傳感器輸出的電壓幾乎為零；而在煙火報(bào)警器工作時(shí)，輸出電壓為4 V以上。因此在程序中，設(shè)置了一個(gè)A/D采樣值的閾值，當(dāng)A/D采樣值超過(guò)這個(gè)閾值，則判定發(fā)生火災(zāi)。為了防止出現(xiàn)假報(bào)警的情況，程序中設(shè)置了一個(gè)計(jì)數(shù)器，只有當(dāng)檢查到超過(guò)閾值的次數(shù)大于10次時(shí)，才最終判定發(fā)生了火災(zāi)。

3.3 短信息發(fā)送部分

監(jiān)控程序檢測(cè)出有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，即調(diào)用發(fā)送程序發(fā)送短信到目標(biāo)手機(jī)。本系統(tǒng)所用到的短消息規(guī)范為GSM07.05，發(fā)送模式有Text模式和PDU模式，Text模式的編碼規(guī)范比較簡(jiǎn)單，只能發(fā)送英文，為了發(fā)送中文，這里選擇PDU模式。PDU串是一串ASCII碼，由數(shù)字0~9和字母A~F組成，它們是8位字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)。PDU信息不僅包含需要發(fā)送的消息本身，還包含很多其他的信息。PDU模式信息編碼有一定的規(guī)則，需要編碼三個(gè)部分：短信息中心號(hào)碼、目標(biāo)手機(jī)號(hào)碼和短信息內(nèi)容，最后要將這三部分進(jìn)行組合，并加入特定的字符串即可[7]。發(fā)送中文短信息使用的AT命令[8]主要有：AT+CMGF=0，AT+CMGS=短信字節(jié)數(shù)，和待發(fā)送的PDU編碼。

為了判斷短信是否發(fā)送成功，程序中在短信發(fā)送后，檢測(cè)TC35模塊回傳的信息，如果接收到“OK”，則表示短信發(fā)送成功，如果未接收到，則再次發(fā)送短信。同時(shí)，為了防止在一次火災(zāi)中多次發(fā)送短信息的情況，程序中在成功發(fā)送短信息后，將延時(shí)一段時(shí)間再啟動(dòng)監(jiān)控程序。

4 結(jié) 語(yǔ)

本報(bào)警系統(tǒng)充分利用了51單片機(jī)價(jià)格優(yōu)廉、控制性強(qiáng)的特點(diǎn)，采用直流電流傳感器檢測(cè)煙火報(bào)警器的工作狀態(tài)，不需改動(dòng)市面上所有普通報(bào)警器電路和結(jié)構(gòu)，只需外加GSM模塊即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警功能。

通過(guò)實(shí)際反復(fù)測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有準(zhǔn)確可靠、性能良好等優(yōu)點(diǎn)，本報(bào)警系統(tǒng)適用于家庭或公共場(chǎng)合的火災(zāi)監(jiān)測(cè)和適時(shí)遠(yuǎn)程報(bào)警，能在很大程度上減少和避免因無(wú)法及時(shí)了解火災(zāi)發(fā)生而帶來(lái)的損失，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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［2］Texas Instruments. TLC1549 10-bit analog-to-digital converters with serial control [M]. [S.l.]: Texas Instruments， 1995.

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［4］吳青，仵博.基于TC35i的GSM報(bào)警器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2009，25(1):306-307.

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［5］何光禹，李太全.基于TC35i GSM模塊的SMS設(shè)計(jì)和應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33(16):157-159.

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［9］SIEMENS. TC35/TC37 hardware interface description vision:03.10 [M]. [S.l.]: SIEMENS， 2001.

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［10］劉文濤.單片機(jī)C51語(yǔ)言典型應(yīng)用設(shè)計(jì)［M］.北京:人民郵電出版社，2005.

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作者簡(jiǎn)介：

鎖威威 男，1987年出生，安徽阜陽(yáng)人，碩士研究生。研究方向?yàn)橥ㄐ判盘?hào)處理。