低功耗遠程煙霧報警系統設計

肖家文，茅勝榮，陳小平

（蘇州大學 電子信息學院，江蘇 蘇州 215000）

摘要：大部分火災的發生是由於在火災初期沒有及時採取應急防火措施，如果能夠有效檢測異常火苗或者氣體並及時報警採取措施，就能大大降低火災對人類的威脅。設計了煙霧報警系統，能使外出的人及時收到家中的報警信息。該系統由24 V直流電源供電，使用低功耗單片機MSP430F5529搭載靈敏度高、可靠性好、價格低廉的煙霧感測器MQ2實現煙霧監測，並通過GSM模塊SIM900A對報警信息進行無線遠距離傳輸。經測試，系統能夠在7~10 s內將警報通知到用戶，這對減少火災引起的損失起到了十分關鍵的作用。

關鍵詞： 煙霧報警；感測器；MSP430；GSM通信

中圖分類號：TP212.9文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.02.029

引用格式：肖家文，茅勝榮，陳小平.低功耗遠程煙霧報警系統設計［J］.微型機與應用，2017,36（2）：96-99.

0引言

隨著社會節奏加快，住宅往往處於長期無人的狀態，全國每年因居住場所無人而引發的火災逐年增多，造成了巨大的財產損失［1］。煙霧感測器是一種典型的火災監測感測器，它能夠將空氣中異常氣體的濃度或者火焰光強度轉化成電信號。傳統的煙霧報警器只能夠在檢測到火災的情況下發出警報聲響，傳播距離短，有很大的局限性。本文利用低功耗單片機MSP430將煙霧感測器MQ2的模擬電信號轉換成數字信號，一旦檢測到異常化學氣體超標便通過GSM網路將警報信息以簡訊或電話的形式告知遠方的用戶，系統反應迅速並且成本低廉。

1系統硬體架構

圖1展示了遠程煙霧報警系統的硬體架構，整個系統由6個模塊構成，分別是電源模塊、感測器模塊、邏輯控制模塊、顯示模塊、GSM通信模塊和手機接收端。

1.1煙霧感測器MQ-2

火災感測器按原理可以分為熱感測器、光電子感測器、離子感測器、空氣採樣監測器、半導體氣體感測器和火焰感測器。其中，熱感測器正確率高但反應速度慢，光電感測器、離子感測器和空氣採樣檢測器主要在特殊環境中發揮作用，火焰感測器通過檢測光的波長來監測火災和爆炸，可靠性高，反應速度極快，但是價格昂貴。本文採用的感測器MQ2屬於半導體氣體煙霧感測器，火災現場產生的煙霧及氣體與感測器中的半導體材料二氧化錫發生化學反應，造成表面勢壘降低，材料的導電性能顯著提高，通過外圍電子電路檢測這種變化能夠準確發出火災警報［2］。MQ2感測器體積小、易安裝、安全性好，非常適合檢測液化石油氣、甲烷、丙烷、酒精、一氧化碳等可燃氣體引起的火災。圖2所示的是MQ2的工作原理圖，感測器輸出的模擬電壓與滑動變阻器的預設電壓值一同輸入比較器，當感測器輸出電壓超過預設值，比較器輸出低電平，點亮LED燈。

1.2電源模塊

考慮到GSM模塊在搜索網路與接收發送短消息的功率比較大，因此本系統使用24 V直流供電，通過DC/DC晶元LM2596將24 V轉換成5 V為GSM提供充足的電能［3］。通過LDO（低壓差線性穩壓器）晶元AMS1117將5 V電源轉換成3.3 V為MCU提供穩定且紋波低的工作電壓。圖3展示了DC/DC電源的工作原理圖，其中的續流二極體D6選擇肖特基快速整流管1N5825，最大電流可達5 A。反饋端的電阻R6與R5需要選擇1%的精密電阻，電感L2的DCR（直流電阻）越小越好，一般選擇在0.03 Ω左右即可，電容C10、C8的ESR（等效串聯電阻）對輸出電壓的紋波起著關鍵作用，ESR越低，電源的紋波越小，一般ESR在幾毫歐附近即可。

1.3MCU與顯示模塊

整個系統並不需要實現非常複雜的邏輯演算法，因此選擇超低功耗的單片機MSP430F5529，該MCU內部有一顆16位的RISC CPU，此外還集成了4個16位定時器和1個高性能的12位模數轉換器［4］，可以用來採集MQ2輸出的模擬信號量。為了方便人機交互，本系統使用了一款102×64像素的LCD顯示屏來顯示一些必要的系統信息，它與MCU通過SPI匯流排進行通信，圖4展示了它們的連接圖。其中的TPS75105為液晶屏的恆流源驅動，支持使用PWM來調節液晶的背光亮度。圖4MCU與液晶屏的連接圖∶

1.4GSM模塊

SIM900A是目前市面上比較通用的一款GSM通信模塊，它有兩個工作頻段，分別是EGSM 標準的900 MHz和DCS 標準的1 800 MHz。它的功耗很低，在睡眠模式下僅消耗1 mA的電流［5］。圖5所示是SIM900A的工作原理圖，通過長按開關機鍵可以強制GSM模塊開機或者關機，在開機瞬間，SIM900A需要非常大的驅動電流，一旦搜索到信號便會穩定下來，需要的電流也會大幅下降，這種特性對電源要求比較嚴苛，可以為SIM900A的電源引腳並聯一個大電容，使其平滑開機過程中的電流脈衝。SIM900A通過串口與MCU進行通信，波特率通常選擇為9 600 b/s。MCU使用標準的AT指令來配置GSM模塊，並完成發送簡訊警報的功能。、

2系統軟體架構

如圖6所示，系統上電後，SIM900A模塊開機，MCU完成初始化，通過串口發送AT指令給SIM900A模塊使SIM900A初始化，配置SIM900A進入中文簡訊發送模式。當煙霧感測器檢測到異常，其輸出的模擬信號電壓超過了設定的閾值，比較器輸出端會產生一個下降沿，觸發MCU的外部中斷，MCU將立即發送AT指令及報警簡訊的編碼數據給SIM900A模塊。

2.1MCU初始化

MCU一上電默認開啟看門狗，為了測試方便，主程序中首先將看門狗關閉，接著配置系統時鐘至24 MHz，設置好外部中斷並打開全局中斷，初始化液晶顯示屏，打開背光燈，調整好對比度。最後，將MSP430的串列通信介面圖5SIM900A工作原理圖、

USCI配置成UART模式，波特率為9 600 b/s，禁止奇偶校驗，8位數據格式，1位停止位，發送和接收低位優先。通過串口發送ATI指令，SIM900A如果工作正常會返回設備信息和「OK」。

2.2SIM900A搜索設備運營商網路

發送指令「AT+COPS」，如果成功則會收到「+COPS：0,0」、「CHINA MOBILE」和「OK」的回複信息，其中CHINA MOBILE表示中國移動運營商，不同運營商的SIM卡會返回不同的字元串。程序通過檢測接收字元串中是否包含OK字樣來判斷是否成功搜索到運營商網路。

2.3SIM900A獲取信息中心號碼

2.4SIM900A簡訊模式配置

簡訊編碼主要有三種：BLOCK模式、TEXT模式和PDU（Protocol Data Unit）模式，其中BLOCK模式幾乎已經被淘汰；TEXT模式收發簡訊代碼簡單，實現容易，但是最大的缺點是不能收發中文簡訊；而PDU模式被所有手機支持，可以使用任何字符集。PDU模式收發簡訊可以使用3種編碼：7 bit、8 bit和UCS2編碼，其中7 bit編碼用於發送普通ASCII字元，8 bit編碼通常用於發送數據消息，比如圖片和鈴聲等，UCS2編碼用於發送Unicode字元。本報警系統主要面向國內用戶，所以採用支持中文的PDU模式。因此通過發送指令AT+CMGF=0來選擇使用PDU模式，發送指令AT+CSCS="UCS2"使SIM900A模塊支持UCS2編碼。

2.5發送端中文簡訊的PDU編碼

PDU Type即協議數據單元類型，發送方的典型值為11，表示消息類型是發送。MR即短消息參考，表示手機向消息服務中心提交的短消息序號，從0到255，一般手機端會自動改動，所以默認為00。DA即目的手機地址，由三個欄位組成，分別是長度、地址類型和編碼後的具體地址，本例中的DA為0D91688168121489F2，其中0D即目標地址的數字的個數，不包括國際格式91和號碼奇數的補位F在內共13個十進位數，688168121489F2即為目標電話號碼8618862141982的編碼，編碼方式同服務中心號碼。PID即協議標識，00表示普通GSM類型，點到點通信。DCS即數據編碼方法，08表示採用UCS2編碼。VP即有效時間，表示服務中心收到短消息後，在沒有發送到目標機前可以保證消息有效的時間，00代表5分鐘。UDL即用戶數據長度，UCS2編碼的情況下表示用戶數據區的位元組數，中文「火災報警」在Unicode編碼後共佔8個位元組，因此這裡是08。UD即用戶數據，這裡填入「火災報警」的Unicode編碼，為706B707E62A58B66。

2.6SIM900A發送中文簡訊

3運行測試

當MCU板與SIM900A通信板的通信串口使用杜邦線連接好後，給整個系統接上24 V直流電壓，系統迅速上電啟動。SIM900A上電會自動搜尋網路，這個過程需要消耗一段時間。當系統成功運行起來後，GSM模塊的LED燈以1 PPS的速度閃爍，液晶顯示屏上列印出了相應的啟動信息。另外，若要煙霧感測器的數據穩定，需要20 s左右的預熱時間。為了模擬火災情形，使用打火機釋放微量的混合烷烴氣體並逐漸靠近MQ2感測器，感測器迅速發出了警報，在測試中，7~10 s後手機收到了火災警報的簡訊。

4結論

本文介紹的煙霧報警系統通過MQ2半導體煙霧感測器能夠及時感知火情的發生，GSM通信網寬廣的覆蓋範圍能夠使遠離住宅區上班的用戶收到家中的警報信息並在第一時間採取急救措施，這將大大降低了火災帶來的巨大的財產損失。成熟穩定的GSM網路基礎設施使得整套遠程煙霧報警系統具有非常高的性價比。此外MSP430單片機具有出色的低功耗特性，符合智能家居綠色節能的主題。

參考文獻

［1］ 范志華.區域火災報警控制器的設計與實現［D］.成都：西南交通大學, 2014.

［2］ 鄭州煒盛電子科技有限公司. MQ2半導體煙霧感測器使用說明書［Z］. 2012.

［3］ Texas Instruments Incorporated. LM2596 simple switcher power converter 150kHz 3 A StepDown voltage regulator ［EB/OL］. (2016-05-xx)［2016-07-30］http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2596.pdf.

［4］ Texas Instruments Incorporated. MSP430F552x, MSP430F551x Mixed signal microcontrollers［EB/OL］.(201511xx)［2016-07-30］http://www.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f5529.pdf.

［5］ 芯訊通無線科技（上海）有限公司. SIM900A SPEC_CN ［EB/OL］. (201504xx)［2016-07-30］http://simcomm2m.com/module/detail.aspxid=7.

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