李 康，趙培佳，胡國棟，陸偉奇，金寶根

（紹興文理學(xué)院 電子信息工程，浙江 紹興　312000）

基于無線傳感與FPGA的智能報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 康，趙培佳，胡國棟，陸偉奇，金寶根

（紹興文理學(xué)院 電子信息工程，浙江 紹興312000）

本文介紹了基于無線傳感與FPGA的智能報(bào)警系統(tǒng)的硬件組成部分并闡述了報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，提出了該系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展前景。本設(shè)計(jì)主要包括家用煙霧監(jiān)測(cè)儀器的設(shè)計(jì)、家用煤氣監(jiān)測(cè)儀器的設(shè)計(jì)、家用紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)、GSM驅(qū)動(dòng)模塊。家用煙霧監(jiān)測(cè)儀器和煤氣監(jiān)測(cè)儀器可以通過MQ-2型氣體傳感器監(jiān)測(cè)煙霧和有毒氣體的濃度來防范火災(zāi)和中毒的發(fā)生；家用紅外監(jiān)測(cè)器通過HC-SR501型紅外傳感器監(jiān)測(cè)入侵者發(fā)出警報(bào)，當(dāng)FPGA經(jīng)由RF收到各模塊發(fā)送的報(bào)警信號(hào)并作相應(yīng)處理后，驅(qū)動(dòng)GSM模塊發(fā)送短信通知用戶。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，該設(shè)計(jì)能夠有效地防范家庭安全事故的發(fā)生。

無線傳感；FPGA；智能報(bào)警；煙霧監(jiān)測(cè)；煤氣監(jiān)測(cè)；紅外監(jiān)測(cè)

隨著我國人民生活水平的逐步提高和個(gè)體經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，各種現(xiàn)代化的家用電器不斷增加，威脅到我們生命財(cái)產(chǎn)安全的火災(zāi)事故也不斷增加，因此，居民住宅和“九小”場(chǎng)所的火災(zāi)安全問題越來越引起人們的關(guān)注。尤其是2010年上海靜安區(qū)“11.15”高層住宅樓特大火災(zāi)給人們的消防安全意識(shí)敲響了警鐘，引起了各級(jí)政府和民眾對(duì)消防工作的重視，但我國火災(zāi)多發(fā)，群死群傷的狀況仍然未得到根本改變。煙霧是火災(zāi)的早期現(xiàn)象，使用煙霧監(jiān)測(cè)儀器可以更早地預(yù)測(cè)到火災(zāi)的發(fā)生。在紅外報(bào)警器方面，市場(chǎng)上的大多數(shù)產(chǎn)品只能監(jiān)測(cè)到入侵行為發(fā)出報(bào)警信號(hào)，卻不能及時(shí)通知家庭人員。目前市場(chǎng)上的安全監(jiān)測(cè)儀器功能單一，不能滿足人們多方面的需求，而且這些設(shè)備落后于我們當(dāng)前已具備的技術(shù)水平。所以，一套齊全的智能報(bào)警器成為家中的必須品，所以本設(shè)計(jì)集煙霧監(jiān)測(cè)儀器、煤氣監(jiān)測(cè)儀器、紅外探測(cè)器于一身，提出一種新型的智能報(bào)警系統(tǒng)。

1　研究內(nèi)容

本設(shè)計(jì)主要結(jié)合無線傳感技術(shù)、GSM和FPGA來實(shí)現(xiàn)智能報(bào)警系統(tǒng)。通過各采集監(jiān)測(cè)模塊來采集例如煤氣濃度、煙霧濃度等物理量信息并作適當(dāng)信號(hào)調(diào)理，然后通過無線傳輸技術(shù)發(fā)送至FPGA控制模塊，F(xiàn)PGA控制模塊根據(jù)接收信號(hào)做出相應(yīng)判斷，并決定是否觸發(fā)安全控制指令給采集監(jiān)測(cè)端并實(shí)施相應(yīng)安全舉措，同時(shí)通過GSM模塊發(fā)出報(bào)警短信。

2　系統(tǒng)方案

本設(shè)計(jì)將煙霧感應(yīng)、紅外傳感器安裝在家庭的不同角落，通過FPGA對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，然后通過蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)并通過GSM模塊短信通知報(bào)警器使用者。本設(shè)計(jì)所研究的智能報(bào)警系統(tǒng)由以下模塊組成。圖1為本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖。

圖1　系統(tǒng)框圖Fig.1　Block diagram of the system

2.1FPGA主控器

FPGA是一種大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷诳删幊痰牟檎冶恚↙UT）結(jié)構(gòu)大規(guī)模可編程邏輯器件［1］。在本設(shè)計(jì)所選用的FPGA主控芯片是Cyclone II的EP2C8Q208C8N，它屬于第二代芯片，有著更低的功耗和更多的資源可供開發(fā)者使用。EP2C8Q208C8N的工作頻率為50 MHz，擁有138個(gè)輸入輸出IO口，擁有的邏輯塊/元件數(shù)有8 256個(gè)，有8K的Les和165Kb的Ram，擁有兩個(gè)PLL，工作電壓在1.15 V到3.465 V，工作溫度在0度到85度。

為了更利于我們的研發(fā)，本設(shè)計(jì)采用的開發(fā)板是紅芯電子RCQ208_V3開發(fā)板。這塊板子所采用的FPGA主控芯片是EP2C8Q208C8N，具有大容量的SDRAM和強(qiáng)大的外設(shè)配置。本設(shè)計(jì)中FPGA主控模塊負(fù)責(zé)接收分布在各處的監(jiān)測(cè)模塊發(fā)出的危險(xiǎn)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警并及時(shí)將警告短信發(fā)給用戶。FPGA主控模塊協(xié)調(diào)各個(gè)模塊并完成系統(tǒng)功能的流程圖如圖2所示。

圖2　FPGA主控模塊流程圖Fig.2　Flow chart of the FPGA control module

2.2煤氣和煙霧監(jiān)測(cè)模塊

煤氣檢測(cè)模塊和煙霧檢測(cè)模塊均采用MQ-2型氣體傳感器。MQ-2型氣體傳感器具有廣泛的探測(cè)范圍，較高的靈敏度，較好的穩(wěn)定性，且僅需要簡單的驅(qū)動(dòng)電路便可工作。MQ-2可用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測(cè)裝置，適宜于液化氣、甲烷、酒精、煙霧等的監(jiān)測(cè)任務(wù)。圖3是MQ-2型傳感器的驅(qū)動(dòng)電路。

圖3　MQ-2驅(qū)動(dòng)電路Fig.3　Drive circuit of MQ-2

MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在煙霧是，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中煙霧濃度的增加而增大。電導(dǎo)率越大，輸出電阻越低，利用這一點(diǎn)可以獲得煙霧濃度值［2］。由于氣敏電阻的電阻大小及變化幅度未知，因此在分壓網(wǎng)絡(luò)后加入可調(diào)增益的同相放大器。當(dāng)空氣中的敏感氣體或煙霧濃度升高時(shí)，MQ-2中的敏感電阻電導(dǎo)率會(huì)迅速升高，從而氣敏電阻和電阻R2的分壓網(wǎng)絡(luò)輸出電位迅速升高，致使比較器的輸出電平發(fā)生由低到高的變化。將該信號(hào)輸送給單片機(jī)，便完成了對(duì)煤氣和煙霧濃度的監(jiān)測(cè)。

2.3紅外監(jiān)測(cè)模塊

紅外監(jiān)測(cè)模塊采用HC-SR501型熱釋電傳感器。HCSR501是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，采用進(jìn)口LHI778探頭，靈敏度高并且可靠性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各類自動(dòng)感應(yīng)電氣設(shè)備。當(dāng)有人進(jìn)入其感應(yīng)范圍時(shí)，人體發(fā)射的紅外線導(dǎo)致傳感器輸出高電平，人離開其感應(yīng)范圍時(shí)則自動(dòng)輸出低電平，將該電平送給單片機(jī)即可完成防盜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊。其原理圖如圖4所示。

紅外監(jiān)測(cè)模塊的原理是熱釋電效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)同壓電效應(yīng)類似，是指由于溫度的變化而引起晶體表面荷電的現(xiàn)象。熱釋電傳感器是對(duì)溫度敏感的傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，在元件兩個(gè)表面做成電極，在傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有ΔT的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電荷ΔQ，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱的電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高，在傳感器中有一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ會(huì)被空氣中的離子所結(jié)合而消失，即當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，ΔT=0，則傳感器無輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT，則有ΔT輸出；若人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后不動(dòng)，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出了。所以這種傳感器檢測(cè)人體或者動(dòng)物的活動(dòng)傳感。

2.4無線收發(fā)模塊

圖4　熱釋電傳感器驅(qū)動(dòng)電路Fig.4　Drive circuit of the pyroelectric sensor

由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分布在家居的各個(gè)位置，所以需要無線收發(fā)模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給核心板——FPGA控制模塊。本設(shè)計(jì)的無線收發(fā)模塊采用的是 nRF905無線芯片。nRF905無線芯片是有挪威NORDIC公司出品的低于1 GHz無線數(shù)傳芯片，主要工作于433 MHz、868 MHz和915 MHz 的ISM頻段。芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。非常適合于低功耗、低成本的系統(tǒng)設(shè)計(jì)［3］。nRF905無線芯片的驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

nRF905無線芯片通過STC89C52RC單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其與單片機(jī)連接的方式是SPI總線，設(shè)置其發(fā)送地址和接受地址即可完成網(wǎng)絡(luò)的組建和數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。

2.5GSM通信模塊

圖5　nRF905無線芯片驅(qū)動(dòng)電路Fig.5　Drive circuit of the nRF905 wireless chip

全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)GSM是當(dāng)前我國覆蓋范圍最廣的移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。短消息服務(wù)SMS作為一項(xiàng)基于GSM的增值服務(wù)，價(jià)格低廉、服務(wù)穩(wěn)定，除了手機(jī)之間的短消息通信外，SMS還被廣泛地應(yīng)用到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、電子商務(wù)、辦公自動(dòng)化等領(lǐng)域［4］。本設(shè)計(jì)采用的GSM模塊是西門子的TC35，完成對(duì)GSM的短信收發(fā)控制，需要通過串口向GSM模塊發(fā)送AT指令集，GSM收到串口發(fā)送過來的AT指令，將會(huì)對(duì)命令進(jìn)行處理并采取相關(guān)的措施，在本設(shè)計(jì)當(dāng)中主要是完成短信收發(fā)的功能，所以僅使用與其短信收發(fā)相關(guān)的AT指令來控制GSM模塊。圖6為FPGA驅(qū)動(dòng)GSM模塊發(fā)送短信及蜂鳴器的流程圖。

FGPA與GSM模塊的數(shù)據(jù)通信使用RS232串口方式。RS232采用的串口為9針串口，除了9針串口還有25針串口。最常用的三線連接方式，即只連接RXD、TXD和GND三根線就能正常通信。表1為RS232的引腳表。

AT指令集是專門被用來控制GSM的一款指令，它是由諾基亞、摩托羅拉等多家移動(dòng)電話廠商共同制定出來的。它命令的主要格式是

AT

當(dāng)AT指令執(zhí)行成功時(shí)，則會(huì)返回字符串“OK”表示成功。

在本設(shè)計(jì)中主要要用到這些AT指令［6］來實(shí)現(xiàn)短信收發(fā)功能：

1）AT+CSCA來設(shè)置短信息中心地址

2）AT+CMGF設(shè)置發(fā)送模式

3）AT+CSCS設(shè)置字符集

4）AT+CMGS來發(fā)送短信息

5）AT+CMGR來讀取一條短消息

圖7為FPGA與GSM模塊的連接框圖。

圖7　FPGA驅(qū)動(dòng)GSM模塊框圖Fig.7　Block diagram of FPGA driving GSM module

當(dāng)FPGA接收到相應(yīng)的危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)，蜂鳴器鳴叫，并將預(yù)設(shè)好的短信內(nèi)容發(fā)送給用戶手機(jī)。

3　設(shè)計(jì)結(jié)果

智能報(bào)警系統(tǒng)上電后，調(diào)整煙霧報(bào)警器靈敏度，通過在煙霧報(bào)警器周圍釋放煙霧來測(cè)試煙霧報(bào)警模塊是否正常工作，通過人體移動(dòng)來測(cè)試紅外傳感器模塊是否正常工作。經(jīng)測(cè)試，智能報(bào)警系統(tǒng)各模塊均正常工作，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8　測(cè)試結(jié)果示意圖Fig.8　Reveal of the test results

4　結(jié)束語

本文介紹了一個(gè)基于FPGA的多功能報(bào)警器，通過無線收發(fā)模塊讓監(jiān)控模塊與核心控制模塊通信，使控制模塊能夠及時(shí)獲取危險(xiǎn)信息并將危險(xiǎn)信息告知用戶，降低發(fā)生危險(xiǎn)的可能性。它不同于傳統(tǒng)功能單一的報(bào)警器，本設(shè)計(jì)是綜合多種報(bào)警器的改進(jìn)產(chǎn)品，更適用于家庭安全的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有利于創(chuàng)造更加和諧安全的家庭環(huán)境，加強(qiáng)了家庭安全裝置的完善性和可靠性。

［1］潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教程［M］.北京：科學(xué)出版社，2010.

［2］單春艷，章平，張同翰.基于STM32的學(xué)生宿舍煙霧檢測(cè)器設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014，27（4）：149.

［3］Nordic VLSI ASA.Single chip 433/868/915 MHz Transceiver ［EB/OL］.http：//www.nordicsemi.com/eng/Products/Sub-1-GHz-RF/nRF905，2004-01/2014-10-18.

［4］孫丘偉，余臻.基于GSM的短信報(bào)警收發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.福州大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36：44.

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Design of intelligent alarm system based on FPGA and wireless sensor

LI Kang，ZHAO Pei-jia，HU Guo-dong，LU Wei-qi，JIN Bao-gen
（Faculty of Electronic&Information Engineering，Shaoxing University，Shaoxing 312000，China）

This paper introduces the hardware composition of the intelligent alarm system based on wireless sensor and FPGA，

explains the design principles，and puts forward the application field of this system and the development prospects.The design mainly consists of a household smoke monitoring instrument，a household gas monitoring instrument，a household infrared detector，and a GSM driving module.The household smoke monitoring instrument and gas monitoring instrument adopt the smoke concentration sensor monitoring MQ-2 to detect smoke and toxic gas to prevent fire and poisoning；The household infrared monitor uses HC-SR501 type infrared sensor to keep watch on invaders，and FPGA controller will deal with the alert signal received from the modules，and then drives GSM module to send messages in order to inform the user.After the actual test，the design can effectively prevent the occurrence of safety misadventures in the home.

wirelesssensor；FPGA；intelligent alarm；smoke monitoring；gas monitoring；infrared monitoring

TN99

A

1674－6236（2016）03-0098-04

2015-03-21稿件編號(hào)：201503287

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃（2013R426030）

李 康（1993—），男，浙江龍灣人。研究方向：光伏逆變器。