優是數碼——廣州銳信科技發展有限公司
引言
近年來，隨著各高校規模的擴大，在校生的人數不斷增長，學生宿舍的不安定因素也越來越多，如何有效地對宿舍進行監控已經成為一個亟待解決的問題。本系統正是在此基礎上設計的一種智能防火報警裝置。該系統是一種遠程智能短信報警系統，可對學生宿舍內的火災等不安全因素進行監控，如有警情可及時短信報警。系統自動化程度高、適用性強、電路設計可靠，有利于高校的平安校園建設。
系統的總體設計
宿舍智能防火系統以STC89C52單片機和GSM短信模塊為核心，如圖1所示，系統總體構成包括主控STC89C52單片機、GSM移動通信模塊、實時時鐘電路、防火信息采集與處理模塊、溫度濕度檢測模塊和鍵盤顯示模塊等。該系統的設計是將單片機控制、電子探測和通信技術相結合，從而形成一個可靠的智能防火報警系統。
圖1 系統總體構成框圖
GSM短信息模塊主要提供無線短信和數據傳輸功能。STC89C52單片機依照GSM短信通信模塊的通信協議與之進行通信，進行短信息的收發。STC89C52單片機電路接收并解釋短信息指令，控制連接在系統上的各功能子模塊。通過STC89C52單片機，可監測室內溫度、濕度以及室內有毒氣體和煙霧，在異常時按照預設的號碼進行短消息報警。
在學生宿舍需要防范的部位安裝前端警情采集和控制模塊。此防火報警系統在通常情況下處于撤防狀態，而當學生離開宿舍時，把系統置于布防工作模式，安裝在不同位置的溫濕度傳感器、無線氣體傳感器等不斷地進行采集，并對從各個探測器采集來的數據進行處理。一旦宿舍發生火災等緊急情況時，與之相對應的防火報警探測器無線發射電路啟動發射，無線接收模塊在接收到無線信號后向主控單片機發中斷請求。主控單片機響應中斷后，讀出發來報警信號的傳感器編碼并確定是哪個傳感器發現了異常，并由GSM短信模塊向預先設置好的報警號碼進行短信報警，報警號碼可以是宿舍管理員，也可以是公安或武警消防部門，短信內容可以顯示出報警的內容、具體地址及聯系人等信息。
系統硬件設計
GSM短信模塊的簡介與選擇
GSM(Global System for Mobile Communication)系統是目前基于時分多址技術的移動通訊體制中比較成熟、完善、應用最廣泛的一種系統，GSM的短信息系統具有快捷方便、廉價的特點，為遠程監控提供了一種新的技術手段。利用GSM短消息功能可以做成傳輸各種檢測、監控數據信號和控制命令的數據通信系統，能廣泛用于遠程監控、個人通信終端等。手機GSM網絡現在已經非常成熟，利用手機短信來實現報警、傳輸數據是一個非常不錯的選擇。
經過綜合比較，系統采用內嵌TCP/IP協議棧的GPRS模塊SIM300，該模塊可以實現數據傳輸的透明性，在應用時用戶只需要通過AT指令來完成相應參數的設置，從而實現網絡的互聯互通。SIM300是SIMCOM公司生產的GSM/GPRS模塊。該模塊體積相對比較小巧，可廣泛應用于遠程抄表、遙控遙測、安全監控等以及其他移動數據通信系統。移動通信模塊實際上是將手機的基頻、中頻、射頻整合到一塊，然后用鋁合金封裝，模塊里面包含物理層軟件和2、3層的通訊協議軟件。模塊必須配合相應的外圍電路才可工作，如SIM卡連接電路、供電電路、RS232串口連接電路等。在SIM300的接口電路設計中選用浙江晶控電子有限公司開發的JB35G開發板，它可為SIM300移動通信模塊提供一套比較完整的電路。
STC89C52單片機
本系統選用臺灣宏晶公司生產的STC89C52單片機。STC89C52單片機是與INTEL MCS-51系列單片機完全兼容的一種高性能低功耗的8位微控制器，它采用CMOS工藝制造，具有40個引腳，片內帶8KB的可編程的閃存作程序存儲器；片內帶256字節RAM；提供32條I/O引腳，大部分引腳都可作數字和脈沖輸入或輸出；3個16位定時計數器，6個中斷源，其中直接提供外部中斷處理可使用P3.2(INT0)或P3.3(INT1)；1個全雙工可編程標準串行口，其引腳為P3.0(RXD)和P3.1(TXD)；時鐘頻率可達0~24MHz；具有睡眠狀態，指令系統與8031指令系統完全兼容。用STC提供的STC-ISP.exe工具可以將程序代碼下載入單片機，程序燒寫非常方便，故本系統采用STC89C52單片機作為主控核心。
圖2 315MHz無線發射模塊原理圖
無線傳輸模塊設計
傳統的安全防范工程是采用有線的方式連接報警探頭和防火報警主機，這種方式可靠性高，但受傳輸距離、布線、可變性等多種因素的制約，局限性很強，工程安裝困難，因此，本設計選用一種工作頻率為315MHz的無線傳輸模塊，它采用聲表諧振器穩頻，頻率穩定度極高。它與臺灣普城公司生產的通用編解碼芯片PT2262/PT2272配套使用，很方便實現無線收發的功能。該無線模塊具有較寬的工作電壓范圍3V~12V，當發射電壓為3V時，空曠地傳輸距離約20米~50米，發射功率較小；當電壓5V時約100米~200米；當電壓9V時約300米~500米；當發射電壓為12V時，為最佳工作電壓，具有較好的發射效果，發射電流約60毫安，空曠地傳輸距離700米~800米，發射功率約500毫瓦。
PT2226/PT2272是一種CMOS工藝制造的低功耗低價位通用編解碼芯片。PT2262用于無線發射電路。PT2262輸出的編碼信號通過發射模塊發射出去，并由主機這邊的接收模塊接收后傳送給PT2272。當兩者地址匹配后，PT2272執行解碼，置Vt腳為高電平，數據位輸出相應的數據。圖2所示為無線發射模塊，圖中R315A為聲表面諧振器，諧振頻率為315MHz，發射模塊所發射的射頻信號的頻率為315MHz。把傳感器的輸出連接到編碼啟動端
上，當傳感器檢測到異常時，輸出低電平，編碼啟動端有效，編碼集成PT2262開始工作，它根據數據輸入端D0~D3的電平進行編碼，編碼信號由：地址碼、數據碼、同步碼組成一個完整的碼字。該編碼信號經無線數據發射模塊進行調制后經天線發射到周圍的空間。
無線接收模塊如圖3所示，模塊為超再生接收電路。平時無線接收模塊沒有接收到315MHz信號時，輸出的只是雜亂的信號，解碼集成芯片PT2272-M4輸出端D0~D3均為低電平。當無線接收模塊接收到空間的315MHz信號時，經放大、變頻、濾波等處理后輸出控制信號，送到解碼芯片PT2272-M4的第十四腳進行解碼，發射部分PT2262的地址與PT2272-M4的地址端的電平狀態一致時，PT2272-M4的數據端管腳D0~D3輸出與PT2262數據端對應的電平，解碼有效端口Vt也輸出高電平經過一個非門轉換送給單片機的外部中斷0接口。單片機在接到外部中斷請求后，執行外部中斷服務子程序，讀出數據碼，確定是那個傳感器發來的報警信號，發送對應的報警短信給用戶。
圖3 315MHz無線接收模塊原理圖
溫濕度測量電路設計
在本設計中，溫濕度的檢測選用瑞士SENSIRION公司生產的SHT10。SHT1x系列產品是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全標定的數字輸出。傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉換器以及串行接口電路實現無縫連接。每個傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進行標定，以鏡面冷凝式濕度計為參照。校準系數以程序形式存儲在內存中，在校正的過程中使用。兩線制的串行接口，使外圍系統集成變得快速而簡單，微小的體積、極低的功耗、較強的抗干擾能力、免外圍電路及全互換等特點，不僅節省了單片機的I/O口資源，簡化了單片機的程序設計，還提高了測量精度，減少了系統設計成本。SHT10濕度測量范圍為0~100%RH，濕度測量精度為±4.5%RH，溫度測量范圍為-40~123.8℃，溫度測量精度為±0.4℃。
SHT10傳感器采用二總線進行通信，串行時鐘輸入線SCK用于微處理器與SHT10之間的通訊同步。圖4所示為SHT10和單片機連接電路，串行數據DATA三態引腳用于外部數據的輸入和內部數據的輸出，這里的數據包括溫濕度數字值及控制命令。DATA在SCK時鐘下降沿之后改變狀態，并僅在SCK時鐘上升沿有效。在SCK時鐘高電平時，微控制器可以和SHT10進行數據傳輸，在數據傳輸期間，數據線必須保持穩定。為了避免信號沖突，微控制器僅將數據線拉低，在需要輸出高電平的時候，微控制器將引腳置為高阻態，由外部的上拉電阻將信號拉至高電平。其基本工作原理是單片機對SHT10啟動傳輸后，單片機向SHT10發出命令。SHT10利用兩只傳感器分別產生相對濕度、溫度的信號然后經過放大，分別送至A/D轉換器進行模/數轉換、校準和糾錯，最后通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數據送至單片機處理，單片機對處理數據后進行數字顯示并作相應的控制。
圖4 SHT10和單片機連接電路圖
可燃氣體探測器的設計
本系統采用具有高靈敏度、高穩定性的QM-N10半導體氣敏傳感器探測可燃氣體，它是一種采用陶瓷半導體工藝的燒結型器件。半導體氣敏傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化—還原反應導致敏感元件阻值發生變化而制成的，氣敏電阻器的阻值隨著吸附氣體的數量和種類而改變，也就是說非電量氣體的氧化—還原反應過程導致電阻值發生變化。據此特性，人們可以從阻值的變化情況得知吸附氣體的情況。
其電路設計如圖5所示，當QM-N10氣敏半導體傳感器在潔凈空氣中時，A、K兩點間的電阻很大，阻值大約有幾十KΩ，流過RP4的電流很小，K點為低電位，三級管不導通輸出為低電平。當接觸到含有有毒氣體的空氣時，A、K兩點間的電阻迅速下降，K點電位升高，三級管導通輸出為高電平。
圖5 QM-N10氣敏傳感器電路圖
時鐘電路設計
實時時鐘為系統提供時鐘和日歷的功能。本系統中采用Dallas公司生產的DS1302，該芯片是一種高性能、低功耗、附加31字節靜態RAM的時鐘芯片，可通過簡單的串行總線與單片機進行通訊。采用雙電源供電，可設置備用電源充電方式，芯片為8引腳小型DIP封裝。DS1302采用三線接口與單片機進行同步通信，與單片機的接口電路如圖6所示。
圖6 DS1302與單片機接口電路圖
人機交互電路設計
液晶顯示電路設計
在本設計中液晶模塊主要顯示報警系統的工作狀況，如室內溫濕度狀況、實時時鐘顯示等。顯示電路使用帶中文字庫的LCD12864，它可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示。
鍵盤電路設計
鍵盤電路是人機對話的重要組成部分，它主要實現向單片機輸入數據、傳輸命令等功能。鍵盤是利用機械金屬點的結合和斷開來實現信息的輸入。一個鍵盤實際上就是一個開關，單片機根據I/O線的高低電平來判斷一個按鍵的開關狀態。微處理器所采用的鍵盤有兩種：全編碼鍵盤和非編碼鍵盤。本設計中采用非編碼鍵盤控制。鍵盤常用的模式有矩陣鍵盤和獨立鍵盤兩種方式，本設計采用獨立鍵盤形式，獨立按鍵的各鍵相互對立，互不影響，軟件識別簡單。
單片機與短信模塊串口通信設計
本設計的重點部分是單片機與JB35G短信模塊的通信，它承擔著向外報警通信功能。通常有串行通信和并行通信兩種方法。串行通信是指數據字節是一位一位串行的傳送，通過串行接口實現。根據信息的傳送方向，串行通信可以分為單工、半雙工和全雙工三種。串行通信按通訊方式可分為同步通訊和異步通訊。JB35G移動通信模塊的通信方式為異步通訊，所以本設計也要采用異步通訊方式，異步串行通訊規定了字符數據的傳遞格式，即每個數據以相同的幀格式傳遞，每一幀信息由起始位，數據位，奇偶校驗位和停止位組成。
STC89C52單片機有一個工作在異步通訊方式下的全雙工串行口。全雙工的串行通訊只需要一根輸出線和一根輸入線。STC89C52單片機的串口僅占用了單片機的P3.0(10腳)和P3.1(11腳)，分別為接收端RXD和發送端TXD。當非串口方式工作時，這兩根口線還可以作為一般的I/O口線使用。STC89C52的串口內部結構如圖7所示。
圖7 STC89C52單片機的串口內部結構圖
系統軟件設計
作為智能防火系統核心的主控單片機主要完成接收各監控子功能模塊發送來的信息，并通過串口與GSM通信模塊發送相應的短信息到用戶的手機。
當系統上電或者復位時，單片機開始運行主程序，其流程圖如圖8所示。主程序首先完成I/O口、液晶顯示、串口、定時器、時鐘、開放外部中斷及串口中斷等初始化設置，然后執行讀溫濕度、讀時鐘和鍵盤掃描子程序并在液晶屏上顯示。之后系統開始等待中斷，在單片機相應中斷后進入各自的中斷服務子程序。各個防火監控模塊通過外部中斷0申請中斷，發送接收短消息通過串口中斷進行。
圖8 系統主程序流程圖
結束語
宿舍智能防火報警系統為宿舍安防提供了一條可行途徑。鑒于宿舍防火的基本需求，本設計基于STC89C52單片機，采用成熟可靠的GSM移動網絡，同時利用多傳感器檢測，設計了智能報警系統。本文介紹了系統的總體構成，關鍵模塊的連接方式以及軟件實現的流程圖。該系統具有智能化、自動化特點，對于大學生宿舍的安全建設具有重要意義。