盧啟領(lǐng)　王歡

關(guān)鍵詞：單片機；GSM模塊；傳感器

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）03-0100-03

1 緒論

現(xiàn)階段電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，各行各業(yè)在電子技術(shù)的加持下都變得更加智能、先進。室內(nèi)安全一直是人們長期關(guān)注的問題。室內(nèi)安全包括用電、用氣安全以及防火、防盜等。輕則損失財產(chǎn)，重則可能禍及生命。一直以來，人們對自己以及家人的安全都非常重視。市面上也出現(xiàn)各種安全防護產(chǎn)品，比如，電子鎖防盜、火災(zāi)報警器防火以及燃氣泄漏器檢測是否燃氣泄漏。目前這些產(chǎn)品只能起到檢測、報警的作用，并且還是人在的時候發(fā)出一些報警的聲音，智能化較低。針對這些利用單純的智能電子鎖，火災(zāi)或者煙霧傳感器采集數(shù)據(jù)進行上報的監(jiān)控系統(tǒng)，雖然可以達到防護作用，但種類繁多，會給監(jiān)控人帶來不好的體驗[1]。本論文提出的監(jiān)控系統(tǒng)將以上數(shù)據(jù)信息采集全部集成，采集的信息經(jīng)過單片機處理統(tǒng)一通過GSM 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶。目前安防系統(tǒng)在信息傳送方面分為電話撥號、集群系統(tǒng)以及以太網(wǎng)方式[2]。但是它們的缺點顯而易見，例如電話撥號容易被干擾或者惡意占線；集群系統(tǒng)費電、不耐用；以太網(wǎng)方式容易被切斷線路。所以GSM是最好的選擇，不受以上幾種情況的影響。GSM網(wǎng)絡(luò)是第二代移動通信技術(shù)，就是人們常說的2G網(wǎng)絡(luò)，最早的非智能手機，基本都是2G網(wǎng)絡(luò)。雖然技術(shù)老舊，但是由于2G基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)最為完整，所以在穩(wěn)定性方面是毋庸置疑的。對于監(jiān)控系統(tǒng)來說，并不需要花里胡哨的現(xiàn)場視頻，只需要告訴用戶是否異常，然后通知相關(guān)人員上門檢查即可。

2 系統(tǒng)設(shè)計

對于一個監(jiān)控系統(tǒng)，整體設(shè)計反映工作流程。好的系統(tǒng)設(shè)計決定工作效率以及可靠度。通過分析以上幾種監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)缺點，本論文設(shè)計了一套基于非常穩(wěn)定的GSM網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以解決以上提出的幾種隱患，從而讓家庭防盜、防火等更有保障。該系統(tǒng)整體是以AT單片機為核心，紅外、燃氣、煙霧這三種傳感器分別承接前端的采集工作。消息處理完后將通過GSM網(wǎng)絡(luò)推送給用戶。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 主控芯片介紹

主控芯片就是經(jīng)常說的CPU，主要作用就是對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行收取，然后經(jīng)過處理，將下發(fā)執(zhí)行命令，包括動作或者顯示?，F(xiàn)階段的微控制系統(tǒng)中，單片機借助自身的優(yōu)點一直是行業(yè)首選的處理器[3]。單片機的型號有很多，分別有各自不同的特點，不同的領(lǐng)域，不同的需求，對單片機的選擇也有所不同。本設(shè)計采用AT89S52作為主控制器，因為其具有接口簡單、使用方便并且功能強大的特點。管腳排列如圖2。

3.2 GSM 模塊

GSM作為傳統(tǒng)的2G網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)逐漸地被現(xiàn)在的4G、5G所淘汰。但是支持2G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施還在，并且覆蓋范圍非常廣泛。對于監(jiān)控系統(tǒng)上傳的報警信息而言，更需要的是穩(wěn)定并不是多大的帶寬。所以選擇2G網(wǎng)絡(luò)進行信息的傳送是最佳的選擇。GSM模塊是用來當(dāng)作通信的硬件設(shè)備，該模塊包含基帶處理，調(diào)制解調(diào)以及存儲等功能[4]。當(dāng)用戶需要發(fā)送短信時，GSM模塊會將輸入的字符信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并且將這些數(shù)字信號儲存至存儲器中。若用戶要撥打電話，GSM模塊會將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，然后通過天線發(fā)送到基站上。

3.3 鐵電存儲器

對于數(shù)字信息時代，存儲器的出現(xiàn)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的永久儲存，隨時都可以調(diào)出任何時間的數(shù)據(jù)。不同的存儲器有不同的性能。根據(jù)不同的應(yīng)用選用不同的存儲器進行數(shù)據(jù)的存儲。有些存儲器可以一直存儲數(shù)據(jù)，即使斷電也會及時保存相關(guān)信息，有些則受斷電影響。針對家庭安防系統(tǒng)，對信息的存儲、回看非常重要，同時也要求在斷電時信息能夠及時儲存，因為萬一出現(xiàn)各種安全事故，首先是要進行斷電的，所以這個時候監(jiān)控系統(tǒng)就不能被斷電所影響。家庭安防對于信息的存儲是非常重要的一項工作，常規(guī)的存儲器由于掉電導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，導(dǎo)致后續(xù)用戶無法查詢[5]。本系統(tǒng)所采用的是鐵電存儲器，即使掉電也不會丟失數(shù)據(jù)，大大地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并且相對于普通的存儲器而言，該款存儲器在寫入次數(shù)、寫入速度以及能耗方面都有近乎完美的表現(xiàn)。所以將該存儲器利用到家庭安防系統(tǒng)中是非常合適的[6]。

3.4 實時時鐘

對于家庭防護系統(tǒng)來說，實時上報家中情況是重中之重，要想使系統(tǒng)具有該功能，就必須采用實時時鐘。本論文選用DS12887實時時鐘芯片。該芯片具有集成度高、接口簡單等優(yōu)點，可廣泛地應(yīng)用在各個高精度的實時時鐘場合[7]。并且內(nèi)含鋰電池，工作時間長久，數(shù)據(jù)保存穩(wěn)定，同時可以很好地記錄時間。

3.5 后備電源

電能是任何電子產(chǎn)品的原動力，即使安防監(jiān)控系統(tǒng)功能再強大，也需要供電。一旦失去供電，再厲害的設(shè)備也會癱瘓。所以，為了防止竊賊切斷電源，該系統(tǒng)一定要設(shè)置一個備用電源。一旦主電源被破壞，備用電源可以無縫銜接。對于備用電源的選擇，本次設(shè)計采用鉛酸蓄電池，因為其具有工作穩(wěn)定、低維護頻率以及放電性能優(yōu)良等特點，是后備電源的不二之選[8]。但是同樣該款蓄電池還存在一個缺點：過充和欠壓問題，針對此問題，本論文根據(jù)滯回比較器的特性解決了過充和欠壓問題，保證了該款蓄電池的正常工作。

3.6 傳感器

對于一個監(jiān)控系統(tǒng)，傳感器是非常重要的一部分，要想實現(xiàn)對燃氣、火災(zāi)以及盜竊的監(jiān)控，就需要前端傳感器的信息采集。對傳感器選型的不同，帶來的效果也不同。不管哪種傳感器，對它們采集出來的信號進行處理都是相同的，因為輸出的都是開關(guān)量。本論文主要選擇紅外、煙霧以及氣體泄漏傳感器進行監(jiān)測[9]。

3.6.1 紅外傳感器

作為監(jiān)測盜賊的主要工具，紅外傳感器分為主動式和被動式兩種。本論文采用主動式傳感器，相對于被動式傳感器，主動式傳感器在安裝上具有更靈活的表現(xiàn)，它可以安裝在窗戶或者門上面，當(dāng)有東西遮擋時便會觸發(fā)[10]。同時由于安裝在門窗位置，夜間主人的正常活動并不會受到影響，這就給用戶帶來了極大的便利性，并且降低了誤報率。

3.6.2 煙霧傳感器

對于煙霧傳感器，市面上有各種類型，針對不同的環(huán)境，選擇也不同。本論文選用離子式煙霧傳感器進行信息采集。相比于傳統(tǒng)的氣敏電阻類的火災(zāi)報警器，該傳感器最顯著的特點是穩(wěn)定性高。針對此特點，其被廣泛地應(yīng)用到各種消防報警系統(tǒng)中。

3.6.3 氣體泄漏傳感器

氣體泄漏是很嚴重的安全事故。對于家庭燃氣的監(jiān)測，傳感器的選擇是非常重要的。市面上的傳感器多種多樣。但是大部分都只能采集常規(guī)的CO或者SO2，局限性很大。本次設(shè)計選用的電化學(xué)型傳感器不僅可以采集常規(guī)氣體還能檢測血液中的氧體積分數(shù)。在使用方面具有監(jiān)控范圍廣、可靠性高的特點。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件是一個系統(tǒng)的靈魂。決定這個系統(tǒng)工作的先后順序，更決定這個系統(tǒng)的工作效率。好的算法可以將任務(wù)變得簡單。通過多次的分析，在程序設(shè)計方面，本論文采用模塊化的軟件編程思想，將每一項功能獨立開發(fā)，最后進行匯總。通過該方式提高了編程的效率，同時易于維護和升級。主程序流程圖如圖3。

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計，從功能上來說，主要是傳感器采集數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。該數(shù)字信號傳至主控芯片，主控芯片對該數(shù)字信號與設(shè)置的閾值進行比較，如果偏大或者偏小，則主控芯片下達相關(guān)指令進行動作并且顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。

5 系統(tǒng)的仿真測試

Protel 99se 軟件是一款性能非常強大的仿真軟件，軟件內(nèi)部含有常用的芯片型號以及傳感器。仿真時，只需要在該軟件庫里面找出相應(yīng)的軟件即可，但不是所有的器件都有。本文所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)，主控芯片以及部分具體的傳感器并不能在器件庫里面找到，不過有相類似的型號可以選擇。因為無法在具體環(huán)境中做實驗，所以論文采用Protel 99se軟件進行仿真。該仿真選用庫中已有的MQ2傳感器以及主控AT 芯片，通過仿真能夠說明整體的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計是合理的，并且能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)功能。仿真圖如圖4所示。

6 總結(jié)

家庭安全一直是人們關(guān)注的問題。本論文設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)是從目前家庭安防需求出發(fā)，具有應(yīng)用價值。本論文所設(shè)計的系統(tǒng)從防盜，防火以及防燃氣泄漏著手，將三種監(jiān)測功能集成于一身。方便且快捷地對家庭的安全進行防護。該系統(tǒng)在設(shè)計的過程中，根據(jù)具體的情況設(shè)計了相對應(yīng)的功能。如時間上報、信息存儲等。信息傳輸方面，采用了最為穩(wěn)定的GSM網(wǎng)絡(luò)，確保報警信息穩(wěn)定推送。該系統(tǒng)在設(shè)計的過程中兼顧了性能與成本。硬件方面，從主控芯片再到各種傳感器，經(jīng)過多次研究、實驗最終選擇了最合適的硬件。軟件設(shè)計方面，尤其是對算法的研究上，經(jīng)過多次局部測驗，最終確定了最優(yōu)的工作方式。雖然不能進行實景測試，但是依靠強大的仿真軟件，全方位地模擬了該系統(tǒng)的工作狀態(tài)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有安全性高、可靠性強等特點并且軟硬件的調(diào)試已經(jīng)完成，性能良好。

【通聯(lián)編輯：梁書】