李楠

（南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，江蘇南京，210023）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，燃?xì)庖哑毡檫M入城鎮(zhèn)居民家中，相比較于早期普遍使用的瓶裝液化氣，其使用方便且成本較低，受到了居民的歡迎，但同時也存在著一定的安全隱患，燃?xì)庑孤┎灰撞煊X，泄漏后若導(dǎo)致火災(zāi)將給居民人身財產(chǎn)帶來損失。目前，市面上一般手持燃?xì)獬硌b置主要通過紅外通信方式和燃?xì)獗磉M行數(shù)據(jù)傳輸，采集用戶燃?xì)馐褂枚葦?shù)等數(shù)據(jù)，但這些燃?xì)獬硌b置通信距離短、抄表效率較低。鑒于此，為克服一般手持燃?xì)獬硌b置的不足，并提高燃?xì)庠O(shè)備使用安全性，本文設(shè)計一種新型手持燃?xì)獬硌b置，該手持燃?xì)獬硌b置不僅能實現(xiàn)智能遠(yuǎn)距離無線抄表，而且能同時檢測周圍環(huán)境，當(dāng)環(huán)境中燃?xì)鉂舛冗^高或者溫度過高時，自動報警。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于ZigBee的自動報警手持燃?xì)獬硌b置系統(tǒng)包括微控制器、顯示模塊、聲光報警模塊、ZigBee模塊、GSM模塊、紅外模塊、燃?xì)鈧鞲衅?、溫度傳感器、存儲模塊、鍵盤模塊、電源模塊和時鐘模塊[1]。硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

微控制器對手持燃?xì)獬硌b置各模塊進行控制；顯示模塊顯示時間、燃?xì)獗戆l(fā)送過來的抄表數(shù)據(jù)和檢測出的異常情況狀態(tài)；聲光報警模塊在手持燃?xì)獬硌b置檢測到出現(xiàn)燃?xì)鉂舛冗^高或溫度過高的異常情況時發(fā)出報警聲音并閃爍發(fā)光進行報警；ZigBee模塊通過ZigBee通信方式和燃?xì)獗磉M行通信，發(fā)送數(shù)據(jù)至燃?xì)獗砘蚪邮杖細(xì)獗戆l(fā)送過來的數(shù)據(jù)[2]。微控制器和ZigBee模塊采用CC2530集成芯片，顯示模塊采用12864OLED，聲光報警模塊包含蜂鳴器和LED燈。微控制器與ZigBee模塊的電路連接圖如圖2所示。

圖2 微控制器與ZigBee模塊電路連接圖

GSM模塊通過GSM通信方式和燃?xì)獗磉M行通信，發(fā)送數(shù)據(jù)至燃?xì)獗砘蚪邮杖細(xì)獗戆l(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并可通過GSM通信方式和管理員手機進行通信，發(fā)送數(shù)據(jù)至管理員手機或接收管理員手機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)；紅外模塊通過紅外通信方式和燃?xì)獗磉M行通信，發(fā)送數(shù)據(jù)至燃?xì)獗砘蚪邮杖細(xì)獗戆l(fā)送過來的數(shù)據(jù)。GSM模塊包含SIM卡，SIM卡和GSM模塊采用的集成芯片SIM800C相連。紅外模塊包含紅外發(fā)射器和紅外接收器。GSM模塊電路連接圖如圖3所示。

圖3 GSM模塊電路連接圖

燃?xì)鈧鞲衅鳈z測手持燃?xì)獬硌b置所處環(huán)境的可燃?xì)怏w濃度；溫度傳感器檢測手持燃?xì)獬硌b置所處環(huán)境的溫度值。燃?xì)鈧鞲衅餍吞枮镸Q-9，可檢測甲烷、液化石油氣等可燃?xì)怏w和一氧化碳?xì)怏w，適用廣泛，安全性高。溫度傳感器采用DS18B20集成芯片。

存儲模塊存儲接收到的抄表數(shù)據(jù)；鍵盤模塊用于人機互動，包括選擇通信方式、開啟抄表程序、裝置開關(guān)機；電源模塊為手持燃?xì)獬硌b置各模塊提供電壓大小合適且穩(wěn)定的電源；時鐘模塊用于計時，提供實時時間數(shù)據(jù)，包括年、月、日、周、時、分、秒；鍵盤模塊包含五個按鍵，用于設(shè)置和功能選擇。存儲模塊采用AT24C16集成芯片，其存儲空間為16K，具有2線串行接口，連線少，通信簡單。鍵盤模塊的5只按鍵分別為ZigBee通信按鍵、GSM通信按鍵、紅外通信按鍵、抄表按鍵和電源按鍵。時鐘模塊采用DS1302集成芯片，其是一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.0V-5.5V，可接后備電源，保證主電源電能耗盡時仍可靠工作。電源模塊包含三塊可充電式鋰電池、一只LDO降壓芯片和一只LDO升壓芯片[3]。其中鋰電池電壓為3.7-4.2V，電池型號為18650，電池容量為3000mAh，三塊鋰電池中的第一塊連接LDO降壓芯片，經(jīng)降壓為3.3V后為微控制器10和ZigBee模塊4供電，第二塊鋰電池連接LDO升壓芯片，經(jīng)升壓為5V后為顯示模塊、紅外模塊、燃?xì)鈧鞲衅?、溫度傳感器、時鐘模塊供電，第三塊鋰電池給GSM模塊供電。電源模塊電路連接圖如圖4所示。

圖4 電源模塊電路連接圖

2 軟件程序設(shè)計

系統(tǒng)開啟后，首先進行系統(tǒng)初始化，對微控制器的工作狀態(tài)及相關(guān)寄存器初值進行設(shè)定；接著通過顯示模塊顯示當(dāng)前日期和時間數(shù)據(jù)，當(dāng)前日期和時間數(shù)據(jù)由時鐘模塊提供，數(shù)據(jù)包括年、月、日、周、時、分、秒；再等待按鍵按下選擇通信方式，若鍵盤模塊中的ZigBee通信按鍵按下選擇ZigBee通信方式，GSM通信按鍵按下選擇GSM通信方式，紅外通信按鍵按下選擇紅外通信方式；等待抄表按鍵按下開始抄表，若抄表按鍵按下則通過選定的通信方式發(fā)出抄表命令到燃?xì)獗碇?；接收燃?xì)獗戆l(fā)送過來的燃?xì)舛葦?shù)等數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)通過存儲模塊進行存儲；然后通過顯示模塊顯示接收到的數(shù)據(jù)；接著調(diào)用報警子程序；完成后等待新的命令直到結(jié)束。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

管理員可用手機通過GSM通信方式發(fā)送抄表命令短信至手持燃?xì)獬硌b置，手持燃?xì)獬硌b置通過GSM通信方式將存儲的燃?xì)舛葦?shù)發(fā)送回所述管理員手機[4]。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用報警子程序時，首先進行初始化，接著讀取燃?xì)鈧鞲衅鳉怏w濃度讀數(shù)，將其和設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進行比較，如果當(dāng)前氣體濃度高于標(biāo)準(zhǔn)值，啟動聲光報警器發(fā)出報警聲音并閃爍發(fā)光進行報警，如果當(dāng)前氣體濃度不高于標(biāo)準(zhǔn)值，直接顯示當(dāng)前氣體濃度，再讀取溫度傳感器溫度值讀數(shù)，將其和設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進行比較，如果當(dāng)前溫度值高于標(biāo)準(zhǔn)值，啟動聲光報警器發(fā)出報警聲音并閃爍發(fā)光進行報警，如果當(dāng)前溫度值不高于標(biāo)準(zhǔn)值，直接顯示當(dāng)前溫度值。另外，當(dāng)燃?xì)鈧鞲衅鳈z測到的室內(nèi)燃?xì)鉂舛冗^高或溫度傳感器檢測到的室內(nèi)環(huán)境溫度過高時，通過顯示模塊顯示異常情況狀態(tài)“警告:檢測到燃?xì)鉂舛冗^高”；并由微控制器通過GSM模塊發(fā)送報警內(nèi)容“檢測到燃?xì)鉂舛冗^高”至管理員手機進行報警。

3 結(jié)束語

在社會發(fā)展迅速的今天，燃?xì)庖咽制占?，為民眾帶來了方便、持久的熱能，極大提高了人民生活水平[5]，但是包括筆者所在的南京地區(qū)在內(nèi)，很多地區(qū)仍采用人工抄表方式，由抄表員進入用戶家中手動抄表[6]，后疫情時代，該抄表方式存在近距離接觸的弊端。本文研究的裝置可智能無線遠(yuǎn)距離抄表，即通過ZigBee通信、GSM通信方式可靠傳輸數(shù)據(jù)，同時還兼容紅外通信方式，適用廣泛，免去抄表員進入千家萬戶的相互接觸；并可通過燃?xì)鈧鞲衅骱蜏囟葌鞲衅鳈z測周圍環(huán)境，發(fā)生燃?xì)庑孤r自動報警，在抄表的同時檢測是否存在燃?xì)庑孤┑劝踩[患，增強燃?xì)獍踩褂眯郧医档腿肆ξ锪Τ杀?，預(yù)防火災(zāi)事故的發(fā)生，具有良好的實用性和廣闊的市場前景。