远程烟雾报警系统设计[J]微型机与应用2017,36

肖嘉文、毛盛荣、陈小平

(苏州大学电子信息学院,江苏苏州 215000)

【摘要】:火灾发生的主要原因是火灾初期没有采取应急防火措施。如果能有效检测到异常的火焰或气体,并及时报警采取措施,就可以大大降低火灾对人类的威胁。烟雾报警系统旨在让外出的人在家中及时收到报警信息。系统由 24 V DC 电源供电。它采用低功耗微控制器MSP430F5529配以灵敏度高、可靠性好、价格低廉的烟雾传感器MQ2,通过GSM模块SIM900A实现烟雾监测、报警信息的无线远距离传输。经测试,系统可在7~10 s内通知用户报警,对减少火灾损失起到关键作用。

关键词:烟雾报警器;传感器; MSP430;GSM通讯

CLC 编号:TP212.9 文件识别码:ADOI:10.19358/j.issn.1674-7720.2017.02.029

引文格式:肖嘉文、毛盛荣、陈小平。低功耗远程烟雾报警系统设计[J]. 微机与应用, 2017, 36 (2): 96-99.

0 前言

随着社会节奏的加快,住宅往往长期空置。全国因空置住宅引发的火灾数量逐年增加,造成巨大的财产损失[1]。烟雾传感器是一种典型的火灾监测传感器,它可以将空气中异常气体​​的浓度或火焰光的强度转换成电信号。传统的烟雾报警器只能在检测到火灾时才发出警报mq-2烟雾传感器中文资料,而且传输距离短,有很大的局限性。本文采用低功耗微控制器 MSP430 将烟雾传感器 MQ-2 的模拟电信号转换为数字信号。一旦检测到异常化学气体超标,报警信息将通过GSM网络以短信或电话的形式通知远程用户,系统快速响应。并且成本低。

1 系统硬件架构

图 1 显示了远程烟雾报警系统的硬件架构。整个系统由6个模块组成,分别是电源模块、传感器模块、逻辑控制模块、显示模块、GSM通讯模块和手机接收器。

1.1烟雾传感器MQ-2

火灾传感器按原理可分为热传感器、光电传感器、离子传感器、空气采样监视器、半导体气体传感器和火焰传感器。其中,热传感器精度高,但响应速度慢。光电传感器、离子传感器和空气采样探测器主要在特殊环境中发挥作用。火焰传感器通过检测光的波长来监测火灾和爆炸,具有高可靠性和极快的响应速度。速度快,但价格昂贵。本文使用的传感器 MQ-2 是一种半导体气体烟雾传感器。火灾现场产生的烟雾和气体与传感器中的半导体材料二氧化锡发生化学反应,导致表面势垒降低,材料的导电性显着提高。检测到这种变化可以准确地发出火灾警报[2]。MQ-2传感器体积小,安装方便,安全性好。非常适合探测液化石油气、甲烷、丙烷、酒精、一氧化碳等易燃气体引起的火灾。图2显示了MQ-2的工作原理。传感器输出的模拟电压与滑动变阻器的预设电压值一起输入到比较器。当传感器的输出电压超过预设值时,比较器输出低电平并点亮。LED灯。图2显示了MQ-2的工作原理。传感器输出的模拟电压与滑动变阻器的预设电压值一起输入到比较器。当传感器的输出电压超过预设值时,比较器输出低电平并点亮。LED灯。图2显示了MQ-2的工作原理。传感器输出的模拟电压与滑动变阻器的预设电压值一起输入到比较器。当传感器的输出电压超过预设值时,比较器输出低电平并点亮。LED灯。

1.2 个电源模块

考虑到GSM模块搜索网络和收发短信的功率比较大,系统采用24V直流供电,DC/DC芯片LM2596将24V转换为5V,为GSM提供充足的电力[3]。5V电源通过LDO(低压差线性稳压器)芯片AMS1117转换成3.3V,为MCU提供稳定、低纹波的工作电压。图3为DC/DC电源工作原理图,其中续流二极管D6选用肖特基快速整流管1N5825,最大电流可达5A。反馈端电阻R6、R5需为1 % 精密电阻。电感器L2的DCR(直流电阻)尽可能小。一般在0.03Ω左右可以选择,而电容C10、C8 ESR(等效串联电阻)对输出电压的纹波起关键作用。ESR越低,电源的纹波越小。通常,ESR 可以在几毫欧左右。

1.3MCU及显示模块

整个系统不需要实现非常复杂的逻辑算法,因此选择了超低功耗微控制器MSP430F5529。MCU 内部有一个 16 位 RISC CPU,还集成了 4 个 16 位定时器和 1 个高性能 12 A 位模数转换器 [4] 可用于收集 MQ-2 输出的模拟信号量。为了方便人机交互,系统采用102×64像素的液晶显示屏,显示一些必要的系统信息。它通过 SPI 总线与 MCU 通信。图 4 显示了它们的连接图。其中TPS75105是液晶屏的恒流源驱动器,支持使用PWM调节液晶屏的背光亮度。图 4. MCU 与 LCD 屏幕连接图:

1.4GSM模块

SIM900A是市面上比较常见的GSM通讯模块。它有两个工作频段,900 MHz 用于 EGSM,1 800 MHz 用于 DCS。它的功耗非常低,在睡眠模式下仅消耗 1 mA 的电流 [5]。图 5 显示了 SIM900A 的工作原理。长按电源键可以强制开启或关闭GSM模块。SIM900A在开机瞬间需要非常大的驱动电流。一旦信号被搜索到,它就会稳定下来,所需的电流也会大大降低。此功能具有严格的电源要求。SIM900A的电源管脚可以并联一个大电容来平滑开机过程中的电流脉冲。SIM900A 通过串口与 MCU 通信,波特率通常选择为 9 600 b/s。MCU使用标准AT指令配置GSM模块,完成发送短信提醒功能。,

2 系统软件架构

如图6所示,系统上电后,SIM900A模块上电,MCU完成初始化。它通过串口向SIM900A模块发送AT指令初始化SIM900A,并配置SIM900A进入中文短信发送模式。当烟雾传感器检测到异常,其输出的模拟信号电压超过设定阈值时,比较器的输出端会产生下降沿触发单片机的外部中断,单片机会立即发送AT 命令和报警信息的编码数据发送到 SIM900A 模块。

2.1MCU初始化

MCU上电时,看门狗默认开启。为方便测试,在主程序中先关闭看门狗,然后设置系统时钟为24MHz,设置外部中断并开启全局中断,初始化液晶屏,背光为打开。调整对比度。最后,MSP430的串行通信接口如图5SIM900A工作原理图所示,

图片[1]-远程烟雾报警系统设计[J]微型机与应用2017,36-老王博客

USCI 配置为 UART 模式,波特率为 9 600 b/s,禁止奇偶校验,8 位数据格式,1 个停止位,低位优先发送和接收。通过串口发送 ATI 命令,如果 SIM900A 正常工作,它会返回设备信息和“OK”。

2.2SIM900A搜索设备运营商网络

发送命令“AT+COPS”,如果成功,会收到“+COPS:0,0”、“CHINA MOBILE”和“OK”回复信息,其中CHINA MOBILE表示中国移动运营商,不同运营商的SIM卡会返回不同的字符串。程序通过检测接收到的字符串是否包含单词OK来判断是否搜索到运营商网络。

2.3SIM900A 获取信息中心号码

消息中心号是一个短信服务器,每个区域都有自己的消息中心号。比如苏州短信中心号码是8613802001500,短信的收发必须经过信息中心转发才能成功发送,所以获取当地信息中心的号码非常重要。发送“AT+CSCA?”可以得到信息中心的号码。

2.4SIM900A短信模式配置

SMS编码主要有3种:BLOCK模式、TEXT模式和PDU(Protocol Data Unit)模式,其中BLOCK模式几乎被淘汰;TEXT模式收发短信代码简单,易于实现,但最大的缺点是不能收发中文短信;所有手机都支持PDU Mode,可以使用任何字符集。在 PDU 模式下发送和接收短消息有 3 种编码:7 位、8 位和 UCS2 编码。7位编码用于发送普通ASCII字符,8位编码通常用于发送数据信息,如图片、铃声等,UCS2编码用于发送普通ASCII字符。发送 Unicode 字符。本报警系统主要面向国内用户,采用支持中文的PDU模式。所以,

2.5 发送方中文短信的PDU码

作为一个数据单元,PDU必须包含源/目的地址、有效时间、数据格式、协议类型和正文内容。正文的长度可以达到 140 字节。本节以发送中文短信“火警”为例。根据表1,按照发送方的PDU格式编码得到的结果为:0891683108502105F011000D91688168121489 F200080008706B707E62A58B66。

SCA是服务中心号,由三个字段组成,分别是SCA区域的字节数、服务中心的类型、服务中心的地址。本例中SCA区域为0891683108502105F0,其中08表示排除08后的字节数,16进制表示的91683108502105F0正好是8字节。后面的 91 表示后面的服务中心号码是国际格式。683108502105F0 是编码的服务中心号码。每个字节先编码低 4 位,然后再编码高 4 位。如果编号为奇数,则将最后一个字节的第 4 位到第 7 位设置为 1。苏州地区的服务中心号码 8613802001500 可编码为 683108502105F0。

PDU Type 是协议数据单元类型。sender的典型值为11,表示消息类型为send。MR代表短消息参考,是指手机提交给消息服务中心的短消息的序列号,范围为0~255。一般手机会自动更改,所以默认值为00。 DA为目的手机地址,由长度、地址类型和编码后的具体地址三个字段组成。本例中的DA为0D91688168121489F2,其中0D为目的地址的位数,不包括国际格式91和奇数补码F中有13个十进制数,688168121489F2为目标电话号码8618862141982的代码. 代码与服务中心号码相同。PID是协议标识,00代表普通GSM类型,点对点通信。DCS为数据编码方式,08表示使用UCS2编码。VP为有效时间,表示服务中心收到短信后,能保证短信在发送到目标机器前的有效时间,00代表5分钟。UDL 是用户数据的长度。在 UCS2 编码的情况下,它表示用户数据区的字节数。中文“火警”经过Unicode编码后共占用8个字节,所以这里是08。UD为用户数据,此处填写“火警”的Unicode代码,即706B707E62A58B66。点对点通信。DCS为数据编码方式,08表示使用UCS2编码。VP为有效时间,表示服务中心收到短信后,能保证短信在发送到目标机器前的有效时间,00代表5分钟。UDL 是用户数据的长度。在 UCS2 编码的情况下,它表示用户数据区的字节数。中文“火警”经过Unicode编码后共占用8个字节,所以这里是08。UD为用户数据,此处填写“火警”的Unicode代码,即706B707E62A58B66。点对点通信。DCS为数据编码方式,08表示使用UCS2编码。VP为有效时间,表示服务中心收到短信后,能保证短信在发送到目标机器前的有效时间,00代表5分钟。UDL 是用户数据的长度。在 UCS2 编码的情况下,它表示用户数据区的字节数。中文“火警”经过Unicode编码后共占用8个字节,所以这里是08。UD为用户数据,此处填写“火警”的Unicode代码,即706B707E62A58B66。可以保证消息在发送到目标机器之前的有效时间,00代表5分钟。UDL 是用户数据的长度。在 UCS2 编码的情况下,它表示用户数据区的字节数。中文“火警”经过Unicode编码后共占用8个字节,所以这里是08。UD为用户数据,此处填写“火警”的Unicode代码,即706B707E62A58B66。可以保证消息在发送到目标机器之前的有效时间,00代表5分钟。UDL 是用户数据的长度。在 UCS2 编码的情况下,它表示用户数据区的字节数。中文“火警”经过Unicode编码后共占用8个字节,所以这里是08。UD为用户数据,此处填写“火警”的Unicode代码,即706B707E62A58B66。

2.6SIM900A 发送中文短信

完成以上步骤后,发送AT指令AT+CMGS=,通知服务中心发送数据的长度,表示发送数据的字节数,需要从PDU-Type计算PDU编码后的段mq-2烟雾传感器中文资料,这里计算。11000D91688168121489 F200080008706B707E62A58B66的长度为23,发送成功后延迟1s检查是否收到’>’字符。如果收到,可以将上一节中的编码数据发送到服务中心。发送短消息的UML时序图如图7所示。

3 运行测试

当MCU板与SIM900A通信板的通信串口用杜邦线连接后,将24V直流电压接入整个系统,系统快速上电启动。SIM900A上电后会自动搜索网络。这个过程需要一段时间。当系统运行成功时,GSM模块的LED灯以1PPS的速度闪烁,并在液晶屏上打印出相应的启动信息。另外,要使烟感器的数据稳定,需要20s左右的预热时间。为了模拟火灾情况,使用打火机释放少量混合烷烃气体并逐渐靠近MQ-2传感器。传感器迅速发出警报。在测试过程中,

4。结论

本文介绍的烟雾报警系统可以通过MQ2半导体烟雾传感器及时感知火灾的发生。GSM通信网络覆盖范围广,使远离居民区工作的用户能够在家中接收报警信息,第一时间采取急救措施。将大大减少火灾造成的巨大财产损失。成熟稳定的GSM网络基础设施,使得整套远程烟雾报警系统极具性价比。此外,MSP430微控制器具有优异的低功耗特性,符合智能家居绿色节能的主题。

参考

[1] 范志华. 区域火灾报警控制器的设计与实现[D]. 成都:西南交通大学,2014.

[2]郑州伟盛电子科技有限公司MQ-2型半导体烟雾传感器使用手册[Z]. 2012.

[3] 德州仪器公司。LM2596 简单开关电源转换器 150-kHz 3 A 降压稳压器 [EB/OL]。(2016-05-xx) [2016-07-30]

[4] 德州仪器公司。MSP430F552x、MSP430F551x 混合信号微控制器 [EB/OL]。(2015-11-xx) [2016-07-30]

[5]芯讯通无线技术(上海)有限公司SIM900A SPEC_CN [EB/OL]. (201504xx) [2016-07-30] 返回搜狐,查看更多

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