吳永麗，高利業(yè)

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州，450018）

0 引言

隨著社會的發(fā)展以及科技的進步，人們的生活節(jié)奏變得越來越快?，F(xiàn)代人對于家用電器的依賴，加上社會轉(zhuǎn)型期間，危害人們家庭財產(chǎn)和生命安全的家庭安全隱患和社會不穩(wěn)定因素逐漸增加，使城市火災(zāi)以及入室盜竊這樣的犯罪事件呈增長的趨勢。為了保障家庭安全，近幾年，家用安防電子產(chǎn)品出現(xiàn)[1]。然而，目前存在的大多數(shù)家用安防產(chǎn)品存在功能單一，且很少具有盜情監(jiān)測功能。針對上述情況，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于GSM的家用防火防盜報警系統(tǒng)。該家用防火防盜報警系統(tǒng)具有火災(zāi)、盜情實時監(jiān)測功能，并能在檢測到火災(zāi)、盜情的第一時間通過GSM以短信形式通知到用戶并進行聲光報警和應(yīng)急響應(yīng)。

本文首先介紹該家用防火防盜報警系統(tǒng)的設(shè)計方案，再對系統(tǒng)的硬件電路進行設(shè)計，然后對系統(tǒng)的程序進行設(shè)計，最后給出系統(tǒng)的調(diào)試與測試結(jié)果。

1 系統(tǒng)的設(shè)計方案

考慮到在判斷和預(yù)防火災(zāi)、盜情時涉及到的環(huán)境因素主要有以下三個：環(huán)境溫度、空氣中煙霧濃度、環(huán)境中人體紅外信號的變化[2]。本家用防火防盜報警系統(tǒng)的設(shè)計以上述三個因素為出發(fā)點，使用相應(yīng)的傳感器，對所處的環(huán)境進行實時監(jiān)測，并將監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，由控制器進行判斷并驅(qū)動系統(tǒng)做出相應(yīng)的響應(yīng)，

從而實現(xiàn)防火防盜的目的。

該系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖1所示。由圖1可知，組成該家用防火防盜報警系統(tǒng)的模塊有：電源模塊、單片機主控模塊、按鍵模塊、火災(zāi)檢測模塊、盜情檢測模塊、報警與遠程通信模塊、顯示模塊和火災(zāi)響應(yīng)模塊。其中，火災(zāi)檢測模塊由溫度檢測模塊、煙霧濃度檢測模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊組成，報警與遠程通信模塊由GSM遠程通信模塊和本地聲光報警模塊構(gòu)成。模塊化的設(shè)計使本系統(tǒng)在工作時邏輯清晰，并增強了系統(tǒng)的可靠性。在選擇本設(shè)計方案所需要的核心器件時，遵循高性價比的原則，如此一來，不僅能實現(xiàn)整個系統(tǒng)所需的功能，還能提高整個系統(tǒng)的性價比，從而有利于該家用防火防盜報警系統(tǒng)的普及，達到保障家庭生命財產(chǎn)的最終目標。

本基于GSM的家用防火防盜報警系統(tǒng)有三個主要功能。第一個是基于GSM的通信功能，該功能由圖1中的GSM遠程通信模塊實現(xiàn)。第二個是防火功能，該功能由圖1中的火災(zāi)檢測模塊實現(xiàn)。第三個是防盜功能，該功能由圖1中的盜情檢測模塊實現(xiàn)。

在本設(shè)計方案中，GSM遠程通信模塊基于SIM800C模塊實現(xiàn)。SIM800C模塊支持4頻GSM，同時具有體積小，接口豐富的特點[3]。溫度檢測模塊使用DS18B20溫度傳感器實現(xiàn)。DS18B20是基于單總線進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏囟葌鞲衅?，與熱敏電阻相比，DS18B20能將環(huán)境溫度直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳送給主控芯片而無需另外的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，這樣一方面避免了外加模數(shù)轉(zhuǎn)換電路引入的信號失真，提高了溫度測量值的準確性，另一方面也節(jié)省了硬件成本。圖1中的煙霧濃度檢測模塊使用MQ-2煙霧濃度傳感器實現(xiàn)。MQ-2煙霧濃度傳感器工作時會實時檢測當前環(huán)境中的煙霧、可燃氣體濃度并生成相應(yīng)的模擬電壓信號，該模擬電壓信號經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號再傳送給主控芯片進行判斷、處理[4]。通過該傳感器獲取到的煙霧濃度數(shù)據(jù)可靠，且該傳感器價格較低，因此，滿足本設(shè)計方案的要求。盜情檢測模塊使用HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊實現(xiàn)[5]。該人體紅外感應(yīng)模塊是基于紅外線技術(shù)的感應(yīng)控制模塊，具有數(shù)字輸出、靈敏度高、可靠性強、功耗低等特點，因此，符合本系統(tǒng)的設(shè)計要求。

圖1 基于GSM的家用防炎防盜報警系統(tǒng)的總體設(shè)計方案圖

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

在該家用防火防盜報警系統(tǒng)中，電源模塊由電源適配器提供5V直流電源；按鍵模塊由5個獨立按鍵構(gòu)成，用于更改參數(shù)的閾值、開啟/關(guān)閉布防、手動開關(guān)本地聲光報警；顯示模塊由LCD1602實現(xiàn)；本地聲光報警模塊由蜂鳴器以及發(fā)光二極管實現(xiàn)；火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)模塊由水泵和風扇實現(xiàn)。

2.1 單片機主控模塊的電路設(shè)計

該系統(tǒng)的單片機主控模塊以STC89C52RC單片機為控制核心，包括復(fù)位電路以及時鐘電路，其電路原理圖如圖2所示。單片機的P1.0、P1.1、P1.2引腳分別連接LCD1602顯示器的RS、RW、EN引腳信號；P1.3引腳控制布防指示燈的閃爍，布防狀態(tài)開啟時，單片機會以固定的頻率輸出PWM電平；P0.0至P0.7引腳連接的是LCD1602的DB0至DB7引腳；P3.5引腳連接的是模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸出信號；P3.6、P3.4引腳分別向模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的CLK和CS引腳輸入時鐘信號和低電平使能信號；P1.4、P1.5、P1.6、P1.7、P3.7引腳與按鍵模塊接連，當其中某一按鍵按下時，與其相連的引腳被置為低電平，從而判斷出哪一個按鍵被按下；P2.0引腳控制由發(fā)光二極管和蜂鳴器組成的聲光報警模塊的工作狀態(tài)；P2.1、P2.2引腳分別控制火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)模塊中水泵和風扇的運行；P3.0、P3.1引腳與GSM遠程通信模塊連接進行數(shù)據(jù)的收發(fā)；P3.2引腳與HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊相連，接收人體的檢測信號；P3.3引腳與DS18B20進行通訊。

2.2 GSM遠程通信模塊的電路設(shè)計

在GSM遠程通信模塊中，SIM800C模塊的13（TXD）、14（RXD）引腳分別與單片機的P3.0、P3.1引腳相連，從而實現(xiàn)短信息的收發(fā)。由于該模塊在發(fā)短信時功率會有所上升，從而導(dǎo)致整個電路的電流增大，電流增大又會導(dǎo)致電路中其它部分的分壓過大，最終使得該模塊無法得到正常供電電壓而不能穩(wěn)定工作。為解決這個問題，本電路使用一個1000uf的電容來為該模塊提供臨時收發(fā)短信所需要的電壓。該GSM遠程通信模塊的電路原理圖見圖2。

圖2 硬件電路圖

2.3 火災(zāi)檢測模塊的電路設(shè)計

在火災(zāi)檢測模塊中，溫度檢測模塊的電路原理圖見圖2。在圖2中，DS18B20的DQ單數(shù)據(jù)總線與單片機的P3.3引腳相連以傳輸測量到的溫度數(shù)據(jù)。

煙霧濃度檢測模塊與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的電路原理圖見圖2。在圖2中，MQ-2產(chǎn)生模擬電壓信號經(jīng)過ADC0832轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入給單片機主控模塊。

2.4 盜情檢測模塊的電路設(shè)計

盜情檢測模塊的電路原理圖見圖2。當人體紅外感應(yīng)模塊內(nèi)部有報警信號產(chǎn)生時，模塊的2引腳輸出高電平到單片機的P3.2引腳，而沒有報警時，P3.2引腳呈現(xiàn)低電平。

2.5 火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)模塊的電路設(shè)計

火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)模塊由一個小型水泵和一個風扇組成，用以模擬現(xiàn)實中的水泵滅火裝置和排風系統(tǒng)。該模塊使得本系統(tǒng)具有一定的滅火排煙功能。本模塊的水泵控制電路原理圖見圖2。該水泵的核心為一個工作電壓為5V的直流電機，由于小型水泵工作時的額定功率需要，在電路設(shè)計中，采用繼電器作為小型水泵的開關(guān)。當系統(tǒng)進行火災(zāi)報警時，單片機通過P2.1引腳控制繼電器閉合使水泵開始工作，同時圖2中的發(fā)光二極管D3也導(dǎo)通發(fā)光。

本模塊的風扇控制電路原理圖見圖2，圖中的J1連接小型風扇模擬排風系統(tǒng)，當室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)或可燃氣體泄漏時，單片機P2.2引腳變?yōu)榈碗娖?，三極管Q2導(dǎo)通，風扇開始運轉(zhuǎn)以模擬現(xiàn)實中開啟排風系統(tǒng)，并發(fā)送短信告知用戶。用戶也可通過短信控制小風扇的開啟與關(guān)閉。

3 系統(tǒng)的程序設(shè)計

該家用防火防盜報警系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3所示。在圖3中，系統(tǒng)啟動后，首先對各模塊進行初始化，然后進行按鍵檢測，接著單片機主控模塊將各個其他模塊接收到的數(shù)據(jù)進行處理后驅(qū)動顯示模塊進行顯示。當開啟布防時，單片機主控模塊將數(shù)據(jù)與報警條件相比較，當滿足報警條件時，單片機驅(qū)動相應(yīng)報警模塊按照相應(yīng)的報警類型報警，并驅(qū)動相應(yīng)電路開始工作，報警結(jié)束后返回到按鍵檢測位置重新開始，如此循環(huán)。

圖3 系統(tǒng)的主程序流程圖

4 系統(tǒng)的調(diào)試與測試

如圖4所示的是上電工作狀態(tài)下的本家用防火防盜報警系統(tǒng)的實物圖。在圖4中，顯示屏中的T表示溫度，S表示煙霧濃度。下排五個按鍵，從左到右分別用于開啟或關(guān)閉布防、進入條件設(shè)定界面、加功能鍵、減功能鍵、手動啟動或關(guān)閉本地聲光報警功能。

圖4 實物圖

如圖5所示為用戶手機終端與本系統(tǒng)遠程通信的測試界面。當發(fā)生不同的警情時，手機都會收到相應(yīng)的報警短信息。此外，用戶手機端發(fā)送的“on”和“off”表示開啟和關(guān)閉系統(tǒng)布防，“bj”指令可遠程啟動系統(tǒng)的本地聲光報警功能。

圖5 用戶手機終端與本系統(tǒng)遠程通信的測試界面

5 結(jié)束語

根據(jù)目前市場對家用智能安全設(shè)備的需求，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于GSM的家用防火防盜報警系統(tǒng)。在系統(tǒng)方案設(shè)計過程中，遵循高性價比的指導(dǎo)思想，本方案采用STC89C52單片機作為主控芯片，火災(zāi)檢測模塊使用DS18B20溫度傳感器和MQ-2煙霧濃度傳感器，分別用作檢測當前環(huán)境溫度、可燃氣體與煙霧濃度，盜情檢測模塊使用低功耗的HC-SR501被動式人體紅外感應(yīng)模塊。此外，本系統(tǒng)使用GSM遠程通信模塊實現(xiàn)了同時發(fā)送報警信息和接收用戶的遠程控制指令。本系統(tǒng)的報警模塊采取本地聲光報警和遠程短信報警結(jié)合的形式。本系統(tǒng)除了擁有檢測、通信和報警功能，還具有由風扇和水泵組成得火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)模塊，能夠?qū)馂?zāi)進行有效的控制和撲救，增強了系統(tǒng)的實用性。