肖家文，茅勝榮，陳小平

(蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

低功耗遠(yuǎn)程煙霧報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖家文，茅勝榮，陳小平

(蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

大部分火災(zāi)的發(fā)生是由于在火災(zāi)初期沒有及時(shí)采取應(yīng)急防火措施，如果能夠有效檢測異?；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，并通過GSM模塊SIM900A對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行無線遠(yuǎn)距離傳輸。經(jīng)測試，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。

煙霧報(bào)警；傳感器；MSP430；GSM通信

0 引言

隨著社會(huì)節(jié)奏加快，住宅往往處于長期無人的狀態(tài)，全國每年因居住場所無人而引發(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)，一旦檢測到異?；瘜W(xué)氣體超標(biāo)便通過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。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

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)測器、半導(dǎo)體氣體傳感器和火焰?zhèn)鞲衅?。其中，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器主要在特殊環(huán)境中發(fā)揮作用，火焰?zhèn)鞲衅魍ㄟ^檢測光的波長來監(jiān)測火災(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)，造成表面勢壘降低，材料的導(dǎo)電性能顯著提高，通過外圍電子電路檢測這種變化能夠準(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預(yù)設(shè)值，比較器輸出低電平，點(diǎn)亮LED燈。

圖2 MQ-2模塊工作原理圖

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。

圖3 LM2596工作原理圖

1.3 MCU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顯示屏來顯示一些必要的系統(tǒng)信息，它與MCU通過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來調(diào)節(jié)液晶的背光亮度。

圖4 MCU與液晶屏的連接圖 ∶

1.4 GSM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，通過長按開關(guān)機(jī)鍵可以強(qiáng)制GSM模塊開機(jī)或者關(guān)機(jī)，在開機(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，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，使其平滑開機(jī)過程中的電流脈沖。SIM900A通過串口與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模塊開機(jī)，MCU完成初始化，通過串口發(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)煙霧傳感器檢測到異常，其輸出的模擬信號(hào)電壓超過了設(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。

2.1 MCU初始化

MCU一上電默認(rèn)開啟看門狗，為了測試方便，主程序中首先將看門狗關(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全局中斷，初始化液晶顯示屏，打開背光燈，調(diào)整好對(duì)比度。最后，將MSP430的串行通信接口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”。

圖5 SIM900A工作原理圖

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

2.2 SIM900A搜索設(shè)備運(yùn)營商網(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表示中國移動(dòng)運(yùn)營商，不同運(yùn)營商的SIM卡會(huì)返回不同的字符串。程序通過檢測接收字符串中是否包含OK字樣來判斷是否成功搜索到運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)。

2.3 SIM900A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。通過發(fā)送“AT+CSCA?”可以獲取信息中心的號(hào)碼。

2.4 SIM900A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)主要面向國內(nèi)用戶，所以采用支持中文的PDU模式。因此通過發(fā)送指令A(yù)T+CMGF=0來選擇使用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)議類型和正文內(nèi)容，正文長度可以達(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的格式來進(jìn)行編碼得到的結(jié)果為：0891683108502105F011000D91688168121489 F200080008706B707E62A58B66。

表1 發(fā)送方PDU格式

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)單元類型，發(fā)送方的典型值為11，表示消息類型是發(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，分別是長度、地址類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。

2.6 SIM900A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=，來通知服務(wù)中心待發(fā)送數(shù)據(jù)長度，其中代表要發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，應(yīng)當(dāng)從PDU編碼后的PDU-Type段開始計(jì)算，在這里即計(jì)算11000D91688168121489 F200080008706B707E62A58B66的長度，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。

圖7 SIM900A發(fā)送短信UML序列圖

3 運(yùn)行測試

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)過程需要消耗一段時(shí)間。當(dāng)系統(tǒng)成功運(yùn)行起來后，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。

[1] 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明書[Z]. 2012.

[3] 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.

[4] 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.

[5] 芯訊通無線科技(上海)有限公司. SIM900A SPEC_CN [EB/OL]. (2015-04-xx)[2016-07-30]http://simcomm2m.com/module/detail.aspx?id=7.

陳小平(1965)，博士，教授，主要研究方向：工業(yè)控制系統(tǒng)。

Low-power remote smoke detection system

Xiao Jiawen, Mao Shengrong, Chen Xiaoping

(Department of Electronic Information, Soochow University, Suzhou 215006, China)

Most of the fire damage is caused by failing to take prompt actions at the initial stage of fire. If the abnormal flame or gas could be detected effectively and an alarm could be raised in time, we can reduce the risk caused by fire hazard. In this paper, a smoke detect system is designed for fire hazards which can alert distant property-owner. The system is supplied by a 24 V DC power, it consists of the MSP430F5529 which is a low-power microcontroller and a smog detector MQ-2 which is cheap and sensitive. The system uses SIM900A to send text messages via GSM network. According to the test, the system can send the alarm message in less than 10 seconds, which plays an important role in reducing the damage brought from fire disaster.

smoke alarm; sensor; MSP430; GSM communication

TP212.9

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.02.029

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.

2016-07-30)

肖家文(1992-)，通信作者,女，在讀研究生，主要研究方向：嵌入式通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail:294618627@qq.com。

茅勝榮(1992-)，男，在讀研究生，主要研究方向：嵌入式通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。