引 言

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市人口密度不斷提高[1]?；馂?zāi)是威脅人身、財(cái)產(chǎn)等安全的主要災(zāi)害之一，因此預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生，減少災(zāi)害具有重要的意義和價(jià)值 [2]。傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警系統(tǒng)存在測(cè)量精度較低、報(bào)警方式單一、報(bào)警范圍有限、缺乏后備電源等一系列缺點(diǎn)。鑒于此，本文提出了一種新型煙霧報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了可以滿足傳統(tǒng)煙霧報(bào)警的功能外，還加入了短信報(bào)警模塊。目前 GSM網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)非常成熟， 所以該設(shè)計(jì)可以超越空間的限制，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、及時(shí)的報(bào)警，同時(shí)為了解決火災(zāi)可能造成的斷電問題，本系統(tǒng)加入了電源管理芯片，可以快速實(shí)現(xiàn)主備電源的切換，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1 系統(tǒng)總體方案

在本系統(tǒng)中，把當(dāng)前環(huán)境的溫度以及煙霧濃度實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上。當(dāng)傳感器檢測(cè)到有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和燈光系統(tǒng)工作，向本地用戶發(fā)送火警信息，同時(shí)單片機(jī)驅(qū)動(dòng) GSM 模塊，通過短信通知遠(yuǎn)程用戶終端，以便用戶對(duì)火災(zāi)迅速做出處理。為了確保系統(tǒng)全天候?qū)崟r(shí)工作，我們還加入了電源管理芯片，確保系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)行主備電源的切換。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng) 的硬 件 系統(tǒng) 主 要 包 括 4 個(gè) 模 塊， 分 別為STC12C5A60S2 單片機(jī)系統(tǒng)，LM35 溫度傳感器模塊和 MQ2 煙霧傳感器模塊，蜂鳴器報(bào)警模塊和 GSM 模塊，LTC4412 電源管理模塊。系統(tǒng)的硬件框架如圖 1 所示。

在系統(tǒng)工作過程中，單片機(jī)實(shí)時(shí)接收傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)， 通過內(nèi)部自帶的 10 位 ADC 把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并實(shí)時(shí)顯示在 LCD 液晶上。當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)情況后，系統(tǒng)檢測(cè)到的信號(hào)將超出閾值，可以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器模塊和 LED 模塊進(jìn)行燈光報(bào)警。同時(shí)單片機(jī)通過 AT 指令驅(qū)動(dòng)GSM 模塊工作，把報(bào)警短信發(fā)送到遠(yuǎn)程終端，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離報(bào)警。為了提高系統(tǒng)的可靠性，我們?cè)O(shè)計(jì)了雙電源工作模式。系統(tǒng)使用電源適配器提供的外部 12 V 直流電源供電，同時(shí)使用一節(jié) 9 V 堿性電池作為其備用電源。當(dāng)外部供電出現(xiàn)故障時(shí)，可以自動(dòng)切換為備用電源工作模式。

圖1 系統(tǒng)硬件框架

2.1 傳感器測(cè)量電路

傳感器是系統(tǒng)重要的檢測(cè)儀器。在本系統(tǒng)中，我們使用LM35溫度傳感器模塊和 MQ2煙霧傳感器模塊。這兩個(gè)傳感器都是TTL電平，只需簡(jiǎn)單的外圍驅(qū)動(dòng)電路就可以直接與單片機(jī)的管腳連接。為了準(zhǔn)確顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度和煙霧濃度， 本系統(tǒng)使用單片機(jī)自帶的 10位 ADC 對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 然后把數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上。

2.2 GSM短信模塊電路

傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警系統(tǒng)多采用聲光報(bào)警方式，這種報(bào)警方式有很大的局限性，無人時(shí)報(bào)警失敗，因此本系統(tǒng)加入了GSM 短信報(bào)警電路。在硬件連接方面，使用 RS 232 進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 在實(shí)際通信過程中，只需將雙方的 RX 管腳和 TX 管腳交叉， 然后 GND 管腳連接共地即可。

2.3 供電及主備電切換電路

對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來說，保證系統(tǒng)能在任何時(shí)間都穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。大多時(shí)候火災(zāi)首先帶來的后果就是斷電，一旦系統(tǒng)斷電，那么整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)陷入癱瘓，報(bào)警功能無從談起，因此確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性意義重大。系統(tǒng)所需電壓主要為5 V 和 12 V 兩種。所以本系統(tǒng)使用電源適配器提供外部 12 V 直流供電，同時(shí)使用一節(jié)堿性電池為其提供備用電源。使用穩(wěn)壓模塊將 12 V 電壓穩(wěn)壓之后為其他模塊供電。當(dāng)外部供電出現(xiàn)故障時(shí)，需要及時(shí)切換至備用電源。使用 LTC441 可以實(shí)現(xiàn)電源的自動(dòng)切換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分使用 C 語言編寫，采取模塊化設(shè)計(jì)的模式，把各部分的文件都封裝成一個(gè)獨(dú)立的模塊。在主函數(shù)中， 我們只需引用對(duì)應(yīng)模塊的頭文件就可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯的整合。這種設(shè)計(jì)方式具有高內(nèi)聚、低耦合的特點(diǎn)，對(duì)于后期的軟件維護(hù)和功能拓展有很大幫助。

系統(tǒng)的主程序流程如圖 2 所示。

在系統(tǒng)上電后，主程序第一次運(yùn)行時(shí)會(huì)依次調(diào)用 LCD 初始化函數(shù)、ADC 初始化函數(shù)和串口初始化函數(shù)，完成各項(xiàng)準(zhǔn)備工作后使系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。初始化完成后，系統(tǒng)將讀取 ADC 轉(zhuǎn)換的溫度和煙霧數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示在 LCD上，并與閾值相比較，判斷是否發(fā)生火災(zāi)。為確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性， 當(dāng)檢測(cè)到溫度和煙霧其中一項(xiàng)或兩項(xiàng)超過閾值時(shí)，延遲 2 s 后再次讀取 ADC 轉(zhuǎn)換的溫度和煙霧數(shù)據(jù)，進(jìn)行判斷。如果此時(shí)數(shù)據(jù)依舊超過設(shè)定閾值，則將發(fā)生火災(zāi)標(biāo)志置位為 1。系統(tǒng)繼續(xù)調(diào)用顯示子程序、報(bào)警子程序和發(fā)送短信子程序。當(dāng)這些子程序執(zhí)行完成后，再次回到初始化后的位置重新執(zhí)行，依次循環(huán)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了觀察系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)情況的性能和響應(yīng)，進(jìn)行了 10 次單獨(dú)的模擬測(cè)試，每次煙霧和溫度的狀況均不同。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)可以可靠地在不同的測(cè)試條件下作出正確的響應(yīng)。在不同煙霧或溫度情況下的系統(tǒng)響應(yīng)如圖 3 所示。

5 結(jié) 語

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，本系統(tǒng)可以讀取溫度傳感器與煙霧傳感器的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)的探測(cè)。在保留傳統(tǒng)聲光報(bào)警的基礎(chǔ)上還加入了短信報(bào)警，同時(shí)為了增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性，我們還加入了電源管理芯片來實(shí)現(xiàn)主備電源的切換。系統(tǒng)經(jīng)過多次使用驗(yàn)證，效果較好。