張敏麗 郭紅壯 于源華

摘 要：針對家用燃氣室內應用環(huán)境，對無線報警系統(tǒng)進行了研究，提出一種智能化、成本低的適用家庭的無線報警器。硬件主要由STM32F103單片機、NRF24L01無線通信模塊、DS18B20溫度傳感器、MQ-2可燃氣體煙霧檢測傳感器、SR505人體紅外感應傳感器以及LCD1602顯示屏組成。系統(tǒng)采用無線通信方式，顯示屏實時顯示室內溫濕度，通過人體紅外感應檢測感應點亮屏幕。通過對室內溫度、家用燃氣的濃度、煙霧的濃度等對家用燃氣設備進行有效實時監(jiān)控，并在發(fā)現(xiàn)問題后第一時間通過GSM移動網以短信方式通知戶主，同時發(fā)出控制信號啟動排風扇等相關措施，并發(fā)出相關警報信息[1]。通過實驗得出，該系統(tǒng)成本低、安裝簡單、使用方便，擴展性強等，可以應用在智能家具控制系統(tǒng)。

關鍵詞：溫度傳感器;煙霧傳感器;無線通信;GSM移動通信

1 智能燃氣報警系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)整體框圖有一個主模塊和子模塊組成。主要有可燃氣體煙霧檢測傳感器、人體紅外感應傳感器、溫度傳感器、主控芯片、LCD顯示模塊、聲光報警模塊、GSM模塊以及控制模塊等組成。結構框圖如圖1所示：

本設計一共采用兩個STM32單片機，主模塊的單片機用來檢測處理溫度傳感器DS18B20的信號，將處理后的信號經過無線模塊發(fā)射到子模塊，單片機通過NRF24L01接收信號，傳遞給單片機處理信號，然后顯示在LCD1602上。監(jiān)測子模塊單片機處理接收到的數(shù)據(jù)，和設置的溫度、燃氣范圍濃度對比，如果超出溫度范圍則通過GSM模塊對用戶進行遠程短信報警，并開啟排風裝置，其中需要監(jiān)測子模塊地址和報警目標用戶手機號碼可以通過鍵盤設置，并且保存在EEPORM里面不丟失[2]。

2 硬件設計

2.1 主控模塊

主控芯片采用STM32單片機，設計中單片機的最小系統(tǒng)，包含復位電路、晶振電路，單片機所提供的接口均可對外拓展。原理圖設計中NRF24L01無線芯片、溫度傳感器、蜂鳴器、LED報警、電源電路、均采用網絡標號，使頁面更加簡潔。系統(tǒng)中所有元器件的供電均使用單片機自身所帶供電口供電。

2.2 無線通信模塊

在本次設計中，通過多個無線模塊比較，綜合各個因素比如成本、傳輸距離、可穿墻性、操作方便性、選擇了采用NRF24L01是8引腳無線模塊，通過編程設置，兩個無線模塊一個作為發(fā)射端，一個作為接收端對測量的溫度實時發(fā)送對接。NRF24L01此芯片可以實現(xiàn)1個對1個無線芯片或是1個對多個芯片進行無線通訊，無線通信速率最高的時候可以達到2M。本次設計采用的是一對一的形式，只有一個接收端和一個發(fā)射端，要想實現(xiàn)兩個芯片的無線對接，需要運用單片機變成對其控制。

2.3 DS18B20溫度傳感器

設計所采用的溫度傳感器DS18B20是唯一通過無線芯片傳輸，在無線報警的發(fā)射端，接收端在接到數(shù)據(jù)后在接收端的單片機進行數(shù)據(jù)處理[3]。在家用燃氣無限報警設計中，采用DS18B20傳感器，對燃氣爐的溫度監(jiān)測，把監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機。因為燃氣爐溫度過高，DS18B20只有小段不銹鋼，后面為膠皮，為了防止膠皮軟化還有不超過DS18B20溫度監(jiān)測的最高溫度，采用讓傳感器距離明火稍遠的距離。

2.4 MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊

在發(fā)射端本次設計采用的MQ-2煙霧氣敏傳感器，根據(jù)查閱資料MQ-2煙霧氣敏傳感器具有很多特性，傳感器有一個D0輸出口，可以輸出高低電平。TTL根據(jù)檢測到氣體濃度，輸出不同的電壓，電壓范圍為0V～5V。另外MQ-2傳感器具有響應速度快，操作簡單的優(yōu)點。本次設計在無線模塊發(fā)射端單片機I/O口，加入MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊，把MQ-2模塊直接連接在發(fā)射端單片機上當濃度高于設定值時，單片機發(fā)射端的蜂鳴器直接發(fā)出報警。

2.5 HC-SR505人體感應模塊

HC-SR505小型人體感應模塊是一個集成模塊，次模塊靈敏度相對較高，廣泛應用于各種自動控制電路中。本產品為全自動感應，感應延時可調，默認8秒延時，當檢測到有人進入到感應區(qū)后，感應模塊輸出高電平3.3V，當檢測到人離開超過8秒以后就會輸出低電平。本模塊對工作電壓要求不高，可以在4.5V～20V，正常工作，輸出電流很小最大不超過60uA，模塊輸出的高電平，即3.3V可以直接與各類電路對接，方便使用。

2.6 GSM短信收發(fā)電路

本設計短消息發(fā)送模塊采用TC35i模塊，TC35i西門子工業(yè)GSM模塊是一個支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，電源范圍為直流3.3～4.8V，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線[4]。SIM電壓為3V/1.8V，TC35i的數(shù)據(jù)接口（CMOS電平）通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，LPC2138通過I/O端口控制TC35的開關機、復位等，進行數(shù)據(jù)通信，通信速率為9600Kbps，采用8位異步通訊方式，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位[5]。

3 軟件設計

根據(jù)無線報警器系統(tǒng)設計要求以及內部程序運行流程，制定了以下系統(tǒng)的總工作流程，如圖所示：（NRF24L01無線模塊;STM32為處理器;DS18B20傳感器為傳感器1;MQ-2傳感器為傳感器2;HC-SR505為傳感器3;LCD1602為顯示屏）。總程序流程圖如圖2所示：

4 總結

本次設計共采用兩個STM32F103單片機和三個傳感器，組成了一個智能家用無線燃氣報警裝置。監(jiān)測環(huán)境溫度和燃氣濃度通過傳感器發(fā)送至單片機，處理分析后與設定的值進行對比，超出設置范圍發(fā)出警報及控制信號打開排氣扇，并發(fā)送短信給用戶;顯示屏能夠實時顯示、檢測環(huán)境溫度變化，根據(jù)人體紅外感應傳感器檢測控制屏顯時間，用作日常檢查，有效降低燃氣泄漏的風險。實際測試結果顯示，該裝置穩(wěn)定運行，測量誤差小，操作簡單，可用于智能家居的設計使用。

參考文獻：

[1]趙延明，文家厚，曾瓊斌，黃垚，陳建勛.家用燃氣泄漏智能報警系統(tǒng)研究[J].化工自動化及儀表，2014，41（02）：222-225+228.

[2]陳英，肖利軍，劉蒙瑞.智能家庭煤氣中毒及火災報警系統(tǒng)設計[J].無線互聯(lián)科技，2018，15（15）：68-69.

[3]覃鮮艷.基于DS18B20的無線測溫系統(tǒng)的研究與設計[D].武漢理工大學，2012.

[4]朱蘭，任志偉.一種基于LPC2138的智能家用燃氣報警系統(tǒng)設計[J].電子技術與軟件工程，2014（23）：150-151.

[5]劉昌珍.基于GSM的遠程家庭監(jiān)控及報警系統(tǒng)的設計[J].安防科技，2008（08）：22-25.

*通訊作者：于源華。