黃　靜

山東科技大學(xué)

遠(yuǎn)程智能火災(zāi)檢測報警系統(tǒng)

黃靜

山東科技大學(xué)

眾所周知，火災(zāi)給人民的生產(chǎn)生活造成的損失是無法彌補(bǔ)和挽回的。為了避免火災(zāi)以及減少火災(zāi)造成的損失，讓人們的生活更加安寧，一次次觸目驚心的教訓(xùn)要求我們必須設(shè)計(jì)并完善火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，提高火災(zāi)預(yù)警能力，將火災(zāi)消滅在萌芽狀態(tài)，最大限度地減少社會財(cái)富的損失。本系統(tǒng)以AT89S51單片機(jī)為控制器，結(jié)合溫度傳感器和煙霧檢測器為火災(zāi)檢測的敏感元件，采集的溫度數(shù)據(jù)在本地通過LCD1602液晶顯示器顯示，當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)值時，本地蜂鳴器發(fā)聲報警，LED火災(zāi)報警燈亮，實(shí)現(xiàn)本地聲光報警；同時，SIM900A發(fā)送短信到指定的手機(jī)號實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報警。

火災(zāi)自動報警；AT89S51；溫度傳感器；煙霧檢測器；SIM900A

1　緒論

1.1設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)意義

火災(zāi)，是指火源失去控制蔓延發(fā)展而給人民生命財(cái)產(chǎn)造成損失的一種災(zāi)害性燃燒現(xiàn)象?；馂?zāi)能燒掉人類經(jīng)過辛苦勞動創(chuàng)造的物資財(cái)富，在一定程度上影響著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們的正常生活；火災(zāi)還污染大氣，破壞生態(tài)環(huán)境；火災(zāi)不但會使人陷于窘境，它還涂炭生靈，奪去許多人的生命和健康，造成難以消除的身心痛苦。據(jù)世界火災(zāi)統(tǒng)計(jì)中心及歐洲共同體研究測算，火災(zāi)直接損失占國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的2‰，全部火災(zāi)的損失將占國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的10‰以上。在城市地區(qū)，人口相對集中，建筑設(shè)施密集，一旦發(fā)生火災(zāi)，便會嚴(yán)重危害人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，造成慘痛的損失。近幾年，我國城市頻繁發(fā)生火災(zāi)，僅2015年，大連、天津、江蘇、佛山、寧夏等地發(fā)生的火災(zāi)及其后果至今令人歷歷在目?；馂?zāi)自動報警系統(tǒng)就是為了將火災(zāi)消滅在萌芽狀態(tài)而研制出的，并且隨著人們需求的提高，其自身的技術(shù)也在不斷地完善。

火災(zāi)的發(fā)展過程如下：初起階段、成長階段、極盛階段、衰減階段。初期階段一般是電火花、未熄滅煙頭等將易燃、可燃物點(diǎn)著，經(jīng)過一段時間陰燃而變成明火，但范圍很小。之后燃燒溫度緩慢升高，這一階段持續(xù)一般在幾分鐘到十幾分鐘，若此時能及時發(fā)現(xiàn)火情，便很容易將火災(zāi)撲滅在萌芽階段。我們設(shè)計(jì)的火災(zāi)遠(yuǎn)程自動報警系統(tǒng)就是在這一階段發(fā)現(xiàn)火情并及時報警的。

2　火災(zāi)報警系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

2.1火災(zāi)報警系統(tǒng)功能分析

2.2系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

2.2.1硬件整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)總體由控制器、火災(zāi)探測器和報警器三部分組成。我們選擇AT89S51單片機(jī)作為控制器，DS18B20溫度傳感器和煙霧傳感器作為火災(zāi)探測器，SIM900A作為遠(yuǎn)程報警器，由此構(gòu)成一個完整的遠(yuǎn)程火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。具體模塊劃分如圖2.1。在單片機(jī)中可以預(yù)先設(shè)定報警溫度、煙霧濃度預(yù)警值，正常情況下，火災(zāi)探測器不斷進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，將檢測值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，如果檢測值小于預(yù)設(shè)值，將數(shù)據(jù)信息傳給LCD1602液晶顯示器進(jìn)行顯示；當(dāng)溫度傳感器或煙霧傳感器其中一方的檢測值達(dá)到預(yù)設(shè)值后，本地發(fā)出異常報警，可通過液晶顯示器查看具體報警原因，消除異常；當(dāng)溫度和煙霧的檢測值同時達(dá)到預(yù)測值，則本地聲光報警，同時SIM900A發(fā)送報警短信，將本地位置信息及煙霧成分檢測值發(fā)送到指定手機(jī)號進(jìn)行報警。這樣，消防人員既可以在第一時間知道火災(zāi)位置，又可以知道燃燒物成分，準(zhǔn)備精確、充足的滅火設(shè)施。

2.2.2軟件整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)程序主要包括溫度數(shù)據(jù)采集程序、煙霧數(shù)據(jù)采集程序、火災(zāi)判斷與報警程序等。為了避免虛報火情，本系統(tǒng)在多次采集、多次判斷之后才確定進(jìn)行報警。每次數(shù)據(jù)采集后根據(jù)得到的數(shù)據(jù)對現(xiàn)場情況進(jìn)行判斷，最終得出是否報警的結(jié)論。主程序是一個無限循環(huán)體：首先，在上電后對系統(tǒng)的各部分進(jìn)行性初始化，包括單片機(jī)各個端口輸入輸出的設(shè)置、外圍驅(qū)動電路和數(shù)據(jù)存儲電路等，其次是對各芯片的內(nèi)部程序進(jìn)行初始化，然后執(zhí)行火災(zāi)報警系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集任務(wù)、數(shù)據(jù)通信任務(wù)和查詢判斷任務(wù)。主系統(tǒng)程序的流程圖如圖2.2。

圖2.2

3　系統(tǒng)的硬件選擇與軟件設(shè)計(jì)

3.1單片機(jī)的介紹

單片機(jī)，全稱單片微型計(jì)算機(jī)，又稱微控制器，是把中央處理器、存儲器、定時/計(jì)數(shù)器、各種輸入輸出接口等都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。與應(yīng)用在個人電腦中的通用型微處理器相比，它更強(qiáng)調(diào)自供應(yīng)和節(jié)約成本。它的最大優(yōu)點(diǎn)是體積小，可放在儀表內(nèi)部，但存儲量小，輸入輸出接口簡單，功能較低。由于其發(fā)展非常迅速，舊的單片機(jī)的定義已不能滿足，所以在很多應(yīng)用場合被稱為范圍更廣的微控制器；從上世紀(jì)80年代，由當(dāng)時的4位、8位單片機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在的32位300M的高速單片機(jī)。

HIGHLIGHT：Espionage and fraud in cyber is not an armed conflict,says System Expert’s Jonathan Gossels.

單片機(jī)是一個系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)的控制芯片使用的是ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S51。AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kBytesISP的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元。

AT89S51具有完整的輸入輸出、控制端口、以及內(nèi)部程序存儲空間。與我們通常意義上的微機(jī)原理類似，可以通過外接A/D，D/ A轉(zhuǎn)換電路及運(yùn)放芯片實(shí)現(xiàn)對傳感器傳送信息的采集，且能夠提供以點(diǎn)陣或LCD液晶及外接按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，能對內(nèi)部眾多I/O端口連接步進(jìn)電機(jī)對外圍設(shè)備進(jìn)行精確操控，具有強(qiáng)大的工控能力。

3.2火災(zāi)探測器的介紹

3.2.1溫度傳感器

溫度傳感器，是利用物質(zhì)各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律，把溫度轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器（RTD）和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。本設(shè)計(jì)采用的是數(shù)字溫度傳感器DS18B20。

DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？梢苑謩e在93.75ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源，因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。

3.2.2煙霧傳感器

煙霧傳感器就是通過監(jiān)測煙霧的濃度來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的，煙霧傳感器的分類：離子式煙霧傳感器、光電式煙霧傳感器、氣敏式煙霧傳感器。離子式煙霧傳感器內(nèi)部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器是一種技術(shù)先進(jìn)，工作穩(wěn)定可靠的傳感器。本設(shè)計(jì)采用離子式煙霧傳感器NIS-05A。

NIS-05A是日本NEMOTO公司生產(chǎn)的離子型感煙探測器，常用于探測火災(zāi)事故中的煙霧。其內(nèi)部使用了微量放射性物質(zhì)镅241，由于傳感器本體被金屬外殼所覆蓋，所以放射線決不會泄漏。并且這種傳感器的腳配置和輸出特性等與其他公司的產(chǎn)品有互換性。05C源片采用低放射能量，并適當(dāng)擴(kuò)大了電離室后，在清潔濕氣中，平衡電壓更趨穩(wěn)定，大大降低了誤報率。

檢測原理：NIS-05A內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.3。傳感器內(nèi)室的空氣經(jīng)常被放射源輻射的阿爾法射線所電離。當(dāng)9V電壓通電至電極時，產(chǎn)生約15pa的電離電流及約5.5V的輸出。當(dāng)煙霧進(jìn)入傳感器內(nèi)室的時候，煙塵粒子就會被壓制成陰陽雙粒子。從而上層室的電離電流就會減弱，最終導(dǎo)致對煙塵密度的輸出電壓比例降低。調(diào)節(jié)降低輸出電壓就可以探測到煙塵。

3.3SIM900A的介紹

SIM900A是緊湊型、高可靠性的無線模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，采用功能強(qiáng)大的處理器ARM9216EJ-S內(nèi)核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發(fā)要求。使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)界面，使得具備GSM/GPRS900/1800MHz功能的SIM900A以小尺寸和低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸。SIM900A能滿足M2M幾乎所有應(yīng)用要求，尤其是小巧、緊湊型的設(shè)計(jì)。

圖3.3

3.4LCD1602的介紹

LCD1602是工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。本設(shè)計(jì)采用LCD1602液晶顯示器在本地顯示檢測到的溫度及煙霧信息。LCD1602共有16個管腳，但是編程用到的主要管腳不過三個，分別為：RS（數(shù)據(jù)命令選擇端），R/W（讀寫選擇端），E（使能信號）。編程便是主要圍繞這三個管腳展開進(jìn)行初始化，寫命令，寫數(shù)據(jù)。

3.5聲光報警電路

直接將蜂鳴器、LED燈與單片機(jī)連接，當(dāng)檢測到的溫度和煙霧值到達(dá)預(yù)設(shè)值時，單片機(jī)供電，LED燈亮，蜂鳴器報警。

4　總結(jié)

將各部分硬件與單片機(jī)開發(fā)板連接好，在SIM900A中插入手機(jī)卡，將程序下載到單片機(jī)中，開始驗(yàn)證。此時液晶顯示屏顯示當(dāng)前溫度，當(dāng)溫度和煙霧濃度到達(dá)預(yù)設(shè)值之后，LED燈亮，蜂鳴器響，SIM900A在大約1分鐘后，將火災(zāi)短信發(fā)送到設(shè)定的手機(jī)號碼。實(shí)現(xiàn)了本地聲光報警，遠(yuǎn)程短信通知功能。

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)AT89C51的遠(yuǎn)程智能火災(zāi)報警系統(tǒng)，系統(tǒng)安全可靠，誤報率低，操作方便，成本較低。本設(shè)計(jì)采用了溫度傳感器DS18B20監(jiān)測溫度，靈敏度高、響應(yīng)時間短，在火災(zāi)發(fā)生的早期就能準(zhǔn)確的報警。系統(tǒng)以通用芯片AT89S51作為系統(tǒng)的控制器，LED燈和蜂鳴器作為本地報警，SIM900A發(fā)送短信作為遠(yuǎn)程報警。系統(tǒng)在采集溫度信號時，采用多次采集，多次判斷的方法，降低了誤報率。在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方面，采用了模塊化程序設(shè)計(jì)方法，既使得程序結(jié)構(gòu)清晰，又便于以后進(jìn)一步擴(kuò)展其功能，也便于系統(tǒng)的維護(hù)。

［1］公茂法.MCS-51/52單片機(jī)原理與實(shí)踐.北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［2］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.第4版，高等教育出版社，2006.

［3］劉軍.單片機(jī)原理與接口技術(shù).華東理工大學(xué)出版社，2006.

［4］賴壽宏.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［5］李中望.一種智能火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案.安防科技，2008.

［6］王釗.智能型火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究：（碩士學(xué)位論文）.西安理工大學(xué)，2009

［7］孟立凡，藍(lán)金輝.傳感器原理與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，2007.8

［8］陳悅，刁若菲，劉志偉等.煙霧檢測火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計(jì).2007