低功耗远程烟雾报警系统设计_传感器_烟雾

（苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州 215000）

：大部分失火的发生是由于在失火初期没有及时采纳应急防火方法，如果能够有效检测非常火苗或者气体并及时报警采纳方法，就能大大降落失火对人类的威胁。
设计了烟雾报警系统，能使外出的人及时收到家中的报警信息。
该系统由24 V直流电源供电，利用低功耗单片机MSP430F5529搭载灵敏度高、可靠性好、价格低廉的烟雾传感器MQ2实现烟雾监测，并通过GSM模块SIM900A对报警信息进行无线远间隔传输。
经测试，系统能够在7~10 s内将警报关照到用户，这对减少失火引起的丢失起到了十分关键的浸染。

： 烟雾报警；传感器；MSP430；GSM通信

：TP212.9文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.02.029

引用格式：肖家文，茅胜荣，陈小平.低功耗远程烟雾报警系统设计［J］.微型机与运用，2017,36（2）：96-99.

0弁言

随着社会节奏加快，住宅每每处于长期无人的状态，全国每年因居住场所无人而引发的失火逐年增多，造成了巨大的财产丢失［1］。
烟雾传感器是一种范例的失火监测传感器，它能够将空气中非常气体的浓度或者火焰光强度转化成电旗子暗记。
传统的烟雾报警器只能够在检测到失火的情形下发出警报声响，传播间隔短，有很大的局限性。
本文利用低功耗单片机MSP430将烟雾传感器MQ2的仿照电旗子暗记转换成数字旗子暗记，一旦检测到非常化学气体超标便通过GSM网络将警报信息以短信或电话的形式奉告远方的用户，系统反应迅速并且本钱低廉。

1系统硬件架构

图1展示了远程烟雾报警系统的硬件架构，全体系统由6个模块构成，分别是电源模块、传感器模块、逻辑掌握模块、显示模块、GSM通信模块和手机吸收端。

1.1烟雾传感器MQ-2

失火传感器按事理可以分为热传感器、光电子传感器、离子传感器、空气采样监测器、半导体气体传感器和火焰传感器。
个中，热传感器精确率高但反应速率慢，光电传感器、离子传感器和空气采样检测器紧张在分外环境中发挥浸染，火焰传感器通过检测光的波长来监测失火和爆炸，可靠性高，反应速率极快，但是价格昂贵。
本文采取的传感器MQ2属于半导体气体烟雾传感器，失火现场产生的烟雾及气体与传感器中的半导体材料二氧化锡发生化学反应，造成表面势垒降落，材料的导电性能显著提高，通过外围电子电路检测这种变革能够准确发出失火警报［2］。
MQ2传感器体积小、易安装、安全性好，非常适宜检测液化石油气、甲烷、丙烷、酒精、一氧化碳等可燃气体引起的失火。
图2所示的是MQ2的事情事理图，传感器输出的仿照电压与滑动变阻器的预设电压值一同输入比较器，当传感器输出电压超过预设值，比较器输出低电平，点亮LED灯。

1.2电源模块

考虑到GSM模块在搜索网络与吸收发送短的功率比较大，因此本系统利用24 V直流供电，通过DC/DC芯片LM2596将24 V转换成5 V为GSM供应充足的电能［3］。
通过LDO（低压差线性稳压器）芯片AMS1117将5 V电源转换成3.3 V为MCU供应稳定且纹波低的事情电压。
图3展示了DC/DC电源的事情事理图，个中的续流二极管D6选择肖特基快速整流管1N5825，最大电流可达5 A。
反馈真个电阻R6与R5须要选择1%的精密电阻，电感L2的DCR（直流电阻）越小越好，一样平常选择在0.03 Ω旁边即可，电容C10、C8的ESR（等效串联电阻）对输出电压的纹波起着关键浸染，ESR越低，电源的纹波越小，一样平常ESR在几毫欧附近即可。

1.3MCU与显示模块

全体系统并不须要实现非常繁芜的逻辑算法，因此选择超低功耗的单片机MSP430F5529，该MCU内部有一颗16位的RISC CPU，此外还集成了4个16位定时器和1个高性能的12位模数转换器［4］，可以用来采集MQ2输出的仿照旗子暗记量。
为了方便人机交互，本系统利用了一款102×64像素的LCD显示屏来显示一些必要的系统信息，它与MCU通过SPI总线进行通信，图4展示了它们的连接图。
个中的TPS75105为液晶屏的恒流源驱动，支持利用PWM来调节液晶的背光亮度。
图4MCU与液晶屏的连接图∶

1.4GSM模块

SIM900A是目前市情上比较通用的一款GSM通信模块，它有两个事情频段，分别是EGSM 标准的900 MHz和DCS 标准的1 800 MHz。
它的功耗很低，在就寝模式下仅花费1 mA的电流［5］。
图5所示是SIM900A的事情事理图，通过长按开关机键可以逼迫GSM模块开机或者关机，在开机瞬间，SIM900A须要非常大的驱动电流，一旦搜索到旗子暗记便会稳定下来，须要的电流也会大幅低落，这种特性对电源哀求比较严苛，可以为SIM900A的电源引脚并联一个大电容，使其平滑开机过程中的电流脉冲。
SIM900A通过串口与MCU进行通信，波特率常日选择为9 600 b/s。
MCU利用标准的AT指令来配置GSM模块，并完成发送短信警报的功能。
、

2系统软件架构

如图6所示，系统上电后，SIM900A模块开机，MCU完成初始化，通过串口发送AT指令给SIM900A模块使SIM900A初始化，配置SIM900A进入中文短信发送模式。
当烟雾传感器检测到非常，其输出的仿照旗子暗记电压超过了设定的阈值，比较器输出端会产生一个低落沿，触发MCU的外部中断，MCU将立即发送AT指令及报警短信的编码数据给SIM900A模块。

2.1MCU初始化

MCU一上电默认开启看门狗，为了测试方便，主程序中首先将看门狗关闭，接着配置系统时钟至24 MHz，设置好外部中断并打开全局中断，初始化液晶显示屏，打开背光灯，调度比如较度。
末了，将MSP430的串行通信接口图5SIM900A事情事理图、

USCI配置成UART模式，波特率为9 600 b/s，禁止奇偶校验，8位数据格式，1位停滞位，发送和吸收低位优先。
通过串口发送ATI指令，SIM900A如果事情正常会返回设备信息和“OK”。

2.2SIM900A搜索设备运营商网络

发送指令“AT+COPS”，如果成功则会收到“+COPS：0,0”、“CHINA MOBILE”和“OK”的回答信息，个中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。
程序通过检测吸收字符串中是否包含OK字样来判断是否成功搜索到运营商网络。

2.3SIM900A获取信息中央号码

信息中央号码是一种短信息做事器，各个地区都有自己的信息中央号码，例如苏州短信中央号码为8613802001500。
短信的收发必须交由信息中央进行转发才能成功发送，以是获取本地信息中央号码十分关键。
通过发送“AT+CSCA?”可以获取信息中央的号码。

2.4SIM900A短信模式配置

短信编码紧张有三种：BLOCK模式、TEXT模式和PDU（Protocol Data Unit）模式，个中BLOCK模式险些已经被淘汰；TEXT模式收发短信代码大略，实现随意马虎，但是最大的缺陷是不能收发中文短信；而PDU模式被所有手机支持，可以利用任何字符集。
PDU模式收发短信可以利用3种编码：7 bit、8 bit和UCS2编码，个中7 bit编码用于发送普通ASCII字符，8 bit编码常日用于发送数据，比如图片和铃声等，UCS2编码用于发送Unicode字符。
本报警系统紧张面向海内用户，以是采取支持中文的PDU模式。
因此通过发送指令AT+CMGF=0来选择利用PDU模式，发送指令AT+CSCS=\"大众UCS2\公众使SIM900A模块支持UCS2编码。

2.5发送端中文短信的PDU编码

PDU作为一种数据单元，它必须包含源/目的地址、有效韶光、数据格式、协议类型和正文内容，正文长度可以达到140字节。
本节以发送中文短信“失火报警”为例，根据表1所示, 按照发送端PDU的格式来进行编码得到的结果为：0891683108502105F011000D91688168121489 F200080008706B707E62A58B66。

SCA即做事中央号，共由3个字段组成，分别是SCA区的字节数、做事中央的类型和做事中央的地址。
本例中SCA区为0891683108502105F0，个中08表示撤除08外后面的字节数，十六进制表示的91683108502105F0恰好8个字节。
紧跟其后的91表示后面的做事中央号为国际格式。
683108502105F0便是编码后的做事中央号，每个字节先编码低4位，再编码高4位，如果号码个数为奇数，则末了一个字节的4~7位全部设置为1，由此便可将苏州地区的做事中央号码8613802001500编码成683108502105F0。

PDUType即协议数据单元类型，发送方的范例值为11，表示类型是发送。
MR即短参考，表示手机向做事中央提交的小引号，从0到255，一样平常手机端会自动改动，以是默认为00。
DA即目的手机地址，由三个字段组成，分别是长度、地址类型和编码后的详细地址，本例中的DA为0D91688168121489F2，个中0D即目标地址的数字的个数，不包括国际格式91和号码奇数的补位F在内共13个十进制数，688168121489F2即为目标电话号码8618862141982的编码，编码办法同做事中央号码。
PID即协议标识，00表示普通GSM类型，点到点通信。
DCS即数据编码方法，08表示采取UCS2编码。
VP即有效韶光，表示做事中央收到短后，在没有发送到目标机前可以担保有效的韶光，00代表5分钟。
UDL即用户数据长度，UCS2编码的情形下表示用户数据区的字节数，中文“失火报警”在Unicode编码后共占8个字节，因此这里是08。
UD即用户数据，这里填入“失火报警”的Unicode编码，为706B707E62A58B66。

2.6SIM900A发送中文短信

在完成上述步骤之后，发送AT指令AT+CMGS=<length>，来关照做事中央待发送数据长度，个中<length>代表要发送数据的字节数，应该从PDU编码后的PDUType段开始打算，在这里即打算11000D91688168121489 F200080008706B707E62A58B66的长度，即23。
发送成功后，延迟1 s，检讨是否收到‘>’字符，如果收到，便可以将上一节编码后的数据发送给做事中央。
发送短信的UML序列图如图7所示。

3运行测试

当MCU板与SIM900A通信板的通信串口利用杜邦线连接好后，给全体系统接上24 V直流电压，系统迅速上电启动。
SIM900A上电会自动征采网络，这个过程须要花费一段韶光。
当系统成功运行起来后，GSM模块的LED灯以1 PPS的速率闪烁，液晶显示屏上打印出了相应的启动信息。
其余，若要烟雾传感器的数据稳定，须要20 s旁边的预热韶光。
为了仿照失火环境，利用打火机开释微量的稠浊烷烃气体并逐渐靠近MQ2传感器，传感器迅速发出了警报，在测试中，7~10 s夹帐机收到了失火警报的短信。

4结论

本文先容的烟雾报警系统通过MQ2半导体烟雾传感器能够及时感知火情的发生，GSM通信网宽广的覆盖范围能够使阔别住宅区上班的用户收到家中的警报信息并在第一韶光采纳急救方法，这将大大降落了失火带来的巨大的财产丢失。
成熟稳定的GSM网络根本举动步伐使得整套远程烟雾报警系统具有非常高的性价比。
此外MSP430单片机具有出色的低功耗特性，符合智能家居绿色节能的主题。

参考文献

［1］ 范志华.区域失火报警掌握器的设计与实现［D］.成都：西南交通大学, 2014.

［2］ 郑州炜盛电子科技有限公司. MQ2半导体烟雾传感器利用解释书［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］ 芯讯通无线科技（上海）有限公司. SIM900A SPEC_CN ［EB/OL］. (201504xx)［2016-07-30］http://simcomm2m.com/module/detail.aspxid=7.