无线烟火远程报警系统设计

摘要：设计了一种无线烟火报警系统，采用超灵敏的微小电流传感器检测烟火报警器的工作状态，STC89C51单片机通过A／D转换器检测电流传感器的状态，控制GSM模块发送短信到目的手机。采用GSM无线通信的方式，实现了待监测房屋和房屋主人的信息沟通，不受时间、地域、距离的限制，如果发生火灾，能够立即发送短信到屋主，最大限度地降低火灾损失；采用电流感应的方式，能与市面上各种烟火报警器结合使用而不用改变硬件设计。
关键词：TC35；STC89C51；烟火报警；GSM

0 引言
    一次又一次的火灾给人们不断的警示，要最小限度地降低火灾的发生，一方面要树立火灾安全意识，防患于未然；另一方面，要最大限度地利用科技的进步，开发出更加可靠、更加及时的火灾报警装置。市面上通用的烟雾传感器器可以实现适时报警，价格低廉，但往往不
具备远程报警功能，大型的报警系统虽然具有远程报警功能，但系统大，成本高，不适合小型场合。对于小型家庭或仓库等环境，设计一种低成本的火灾自动报警系统，能够实现无人值守，通过GPRS模块实现远程报警功能，具有一定的应用价值。

1 系统结构
    本系统总体结构如图1所示。烟火报警器采用市面上通用的报警器，如监测到火灾，报警器会发出报警声，同时其电源线的电流会突然增大。报警器报警时的电流只有10 mA左右，故选用型号为TDC10LTA直流型微小电流传感器，可检测电流范围为0～20 mA，输出电压范围为0～5V。系统控制核心采用STC89C51单片机，通过A／D模块TLC1549，采集电流传感器的输出电压，当电压突然增大并持续，MCU判断发生了火灾会控制GSM模块TC35，向预存的屋主手机号码发送火灾报警信息。

2 系统硬件结构设计
    基于TC35的GSM无线烟火报警器主要由STC89C51单片机、GSM模块TC35、A／D采集TLC1549、电流传感器和普通烟火报警器组成，如图2所示，系统可分为两部分：烟火检测部分和控制部分。烟火检测部分是普通的烟火报警器，和9 V电池连接，其中一根电源线穿过电流传感器；控制部分是由单片机通过A／D采集电流传感器的输出，控制GSM无线通信模块发送短信。

2．1 STC89C51单片机电路
    STC89C51单片机是MCS-51系列单片机的派生产品，它在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8051单片饥完伞兼容。STC89C51单片机功耗低，速率高，最高可达90MHz，带有4 KB的内存和程序保护系统，便于程序的调试修改和保密。单片机引脚在本系统中的功能如下：P1.0口输出用于启动GSM模块正常上作；RXD，TXD引脚用于和GSM通信，设置GSM模块工作模式和发送短信；P1．1，P3．5和P3.6引脚用于控制A／D模块的工作状态，读取电流传感器的输出电压。
2．2 GSM模块电路设计
    TC35足一款支持中文短信息的工业级GSM模块，工作在EGSM900和GSM1800双频段，电源范围是3．3～4．8 V，电流消耗如下：休眠状态为3．5 mA，空闲状态为25 mA，发射状态平均为：300mA，峰值为2．5 A；可传输语音和数据信号，功耗在EGSM900和GSM1800分别为2 W和1 W，通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。TC35的数据接口通过AT命令可双向传输指令和数据，使用串口通信，支持Text和PDU格式的短信息。
    TC35的电路设计包括电源电路、启动电路、串口电路和SIM卡电路。GSM的发射电流峰值可达2．5 A，对电源要求比较高，故采用开关电源芯片LM2576进行电源转换，提供4．2 V电源给TC35。TC35上电后，要进入工作状态，必须给IGT加一延时大于100ms的低脉冲，电平下降持续时间不可超过1 ms。启动后，IGT应保持3．3 V高电平，因此，通过STC89C51单片机的P1．0口输出所需电平，控制TC35工作状态。由于单片机输出电平为TTL，故需要通过7407电平转换芯片转换成符合TC35的COMS电平。串口通信电路也是如此，需通过7407进行电平转换，TC35的COMS电平在3．3 V左右，因此还要选择合适的上拉电阻。TC35使用外接式SIM卡，SIM卡的CCRST，CCIO，CCCLK，CCVCC和CCGND引脚通过SIM卡座与TC35的同名端直接相连，ZIF连接座的CCIN引脚用来检测SIM卡是否插好，如果连接正确，则CCIN输出高电平，否则为低电平。
2．3 烟火报警器
    市面上烟火报警器的种类多种多样，如果在烟火报警器电路上进行改进，加入状态监测电路，虽然也能实现本系统的功能，但如果报警器换了，所有电路都得换；对于已经安装厂烟火报警器的地方，还要更换等等，都会使得系统不具有广泛的适用性。因此本系统的创新思路是：烟火报警器电路不需进行任何改动，当报警器监测到火灾时会发出高分贝报警声，电源电流变化明显，因此可以采用电流感应的方式检测报警器的状态。这样对于市面上几乎所有的烟火报警器，都可以使用本系统，即使屋主已经安装了普通烟火报警器，只要加入本系统电路，就可以实现无线监控火灾情况，发生火灾，能够第一时间收到报警短信。
2．4 电流传感器电路
    为了不破坏普通烟火报警器的电路，以感应电流的方式检测烟火报警器的工作状态，选用了直流型电流传感器。经测试得知，普通烟火报警器的静态电流小于10μA，报警时的工作电流只有10～30 mA，这么微弱的电流一般的电流传感器根本检测不出。本系统选用的TDC-LTA系列直流漏电流传感器是应用磁调制原理研制而成的一种新型电流传感器，其小电流的稳定性好，初级与次级之间高度绝缘，额定输出电压为0～5 V，非常适合本系统。电路连接比较简单，将烟火报警器的一根电源线穿过电流传感器，上电后，电流传感器的输出电压就代表感应电流的大小。

3 软件设计
    系统软件的功能是实时检测报警器工作状态，发生火灾时，控制GSM模块发送报警短信息到屋主手机。程序设计可分为三个部分：启动部分、监控部分和发送部分，主程序流程图如图3所示。

3．1 启动部分
    启动部分的程序主要负责初始化单片机，配置A／D模块和启动GSM模块。系统上电后，必须对微控制器的定时器、端口、中断和串口等进行初始化。A／D模块TLC1549是10位模／数转换器，输出为串行方式，以中断的方式读取采集到的数据。GSM模块上电后，要进入工作状态，必须给IGT加一延时大于100 ms的低脉冲，电平下降持续时间不可超过1 ms。启动后，IGT应保持3．3 V高电平，因此，通过STC89C51单片机的P1．0口输出所需电平，控制TC35工作。
3．2 监控部分
    监控部分的程序主要实现的功能是通过A／D采样，检测电流传感器的输出电压有没有发生变化，进而决定是否触发发送程序。
    首先是调用A／D采样程序，通过控制A／D芯片TLC1549的CLK，DATA和CS的时序，读取10位A／D转换的数据。通过试验发现，正常情况下，电流传感器输出的电压几乎为零；而在烟火报警器工作时，输出电压为4 V以上。因此在程序中，设置了一个A／D采样值的阈值，当A／D采样值超过这个阈值，则判定发生火灾。为了防止出现假报警的情况，程序中设置了一个计数器，只有当检查到超过阈值的次数大于1 0次时，才最终判定发生了火灾。
3．3 短信息发送部分
    监控程序检测出有火灾发生时，即调用发送程序发送短信到目标手机。本系统所用到的短消息规范为GSM07．05，发送模式有Text模式和PDU模式，Text模式的编码规范比较简单，只能发送英文，为了发送中文，这里选择PDU模式。PDU串是一串ASCII码，由数字0～9和字母A～F组成，它们是8位字节的十六进制数。PDU信息不仅包含需要发送的消息本身，还包含很多其他的信息。PDU模式信息编码有一定的规则，需要编码三个部分：短信息中心号码、目标手机号码和短信息内容，最后要将这三部分进行组合，并加入特定的字符串即可。发送中文短信息使用的AT命令。主要有：AT+CMGF=0，AT+CMGS=短信字节数，和待发送的PDU编码。
    为了判断短信是否发送成功，程序中在短信发送后，检测TC35模块同传的信息，如果接收到“OK”，则表示短信发送成功，如果未接收到，则再次发送短信。同时，为了防止在一次火灾中多次发送短信息的情况，程序中在成功发送短信息后，将延时一段时间再启动监控程序。

4 结语
    本报警系统充分利用了51单片机价格优廉、控制性强的特点，采用直流电流传感器检测烟火报警器的工作状态，不需改动市面上所有普通报警器电路和结构，只需外加GSM模块即可实现远程报警功能。
    通过实际反复测试，结果表明该系统具有准确可靠、性能良好等优点，本报警系统适用于家庭或公共场合的火灾监测和适时远程报警，能在很大程度上减少和避免因无法及时了解火灾发生而带来的损失，具有较强的应用价值。