無線煙火遠程報警系統設計

摘 要：設計了一種無線煙火報警系統，采用超靈敏的微小電流傳感器檢測煙火報警器的工作狀態，STC89C51單片機通過A/D轉換器檢測電流傳感器的狀態，控制GSM模塊發送短信到目的手機。采用GSM無線通信的方式，實現了待監測房屋和房屋主人的信息溝通，不受時間、地域、距離的限制，如果發生火災，能夠立即發送短信到屋主，最大限度地降低火災損失；采用電流感應的方式，能與市面上各種煙火報警器結合使用而不用改變硬件設計。

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關鍵詞：TC35； STC89C51； 煙火報警； GSM

中圖分類號：TN919.6-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0049-03

Design of remote wireless smoke alarm system

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SUO Wei-wei， HU Sheng-ling， WU Ling-ling

(College of Electronic and Information， South-Central University for Nationalities， Wuhan 430074， China)

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Abstract：

A wireless smoke alarm system is proposed. An ultra-sensitive small current sensor was used to detect working status of smoke alarm， in which STC89C51 not only detected the current sensor′s state through AD converter， but also controlled the GSM module sending messages to the destination mobile phone. So this alarm system has ability of communication between house and users without limitations of time， place and distance. Messages can be sent to the owner immediately when fire occuring. Because of using the DC current sensors， this system does not need any hardware changes can combine with variety of fire alarm.

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Keywords： TC35； STC89C51； smoke alarm； GSM

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收稿日期：2011-08-10

0 引 言

一次又一次的火災給人們不斷的警示，要最小限度地降低火災的發生，一方面要樹立火災安全意識，防患于未然；另一方面，要最大限度地利用科技的進步，開發出更加可靠、更加及時的火災報警裝置。市面上通用的煙霧傳感器器可以實現適時報警，價格低廉，但往往不具備遠程報警功能，大型的報警系統雖然具有遠程報警功能，但系統大，成本高，不適合小型場合。對于小型家庭或倉庫等環境，設計一種低成本的火災自動報警系統，能夠實現無人值守，通過GPRS模塊實現遠程報警功能，具有一定的應用價值。

1 系統結構

本系統總體結構如圖1所示。煙火報警器采用市面上通用的報警器，如監測到火災，報警器會發出報警聲，同時其電源線的電流會突然增大。報警器報警時的電流只有10 mA左右，故選用型號為TDC10LTA直流型微小電流傳感器，可檢測電流范圍為0~20 mA，輸出電壓范圍為0~5 V。系統控制核心采用STC89C51[1]單片機，通過A/D模塊TLC1549[2]，采集電流傳感器的輸出電壓，當電壓突然增大并持續，MCU判斷發生了火災會控制GSM模塊TC35，向預存的屋主手機號碼發送火災報警信息。

圖1 系統硬件結構示意圖

2 系統硬件結構設計

基于TC35的GSM無線煙火報警器主要由STC89C51單片機、GSM模塊TC35、A/D采集TLC1549、電流傳感器和普通煙火報警器組成，如圖2所示，系統可分為兩部分：煙火檢測部分和控制部分。煙火檢測部分是普通的煙火報警器，和9 V電池連接，其中一根電源線穿過電流傳感器；控制部分是由單片機通過A/D采集電流傳感器的輸出，控制GSM無線通信模塊發送短信。

2.1 STC89C51單片機電路

STC89C51單片機是MCS-51系列單片機的派生產品，它在指令系統、硬件結構和片內資源上與標準8051單片機完全兼容。STC89C51單片機功耗低，速率高，最高可達90 MHz，帶有4 KB的內存和程序保護系統，便于程序的調試修改和保密[3]。單片機引腳在本系統中的功能如下：P1.0口輸出用于啟動GSM模塊正常工作；RXD，TXD引腳用于和GSM通信，設置GSM模塊工作模式和發送短信；P1.1，P3.5和P3.6引腳用于控制A/D模塊的工作狀態，讀取電流傳感器的輸出電壓。

圖2 系統電路圖

2.2 GSM模塊電路設計

TC35是一款支持中文短信息的工業級GSM模塊，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段，電源范圍是3.3~4.8 V，電流消耗如下：休眠狀態為3.5 mA，空閑狀態為25 mA，發射狀態平均為300 mA，峰值為2.5 A；可傳輸語音和數據信號，功耗在EGSM900和GSM1800分別為2 W和1 W，通過接口連接器和天線連接器分別連接SIM卡讀卡器和天線。TC35的數據接口通過AT命令可雙向傳輸指令和數據，使用串口通信，支持Text和PDU格式的短信息[4]。

TC35的電路設計包括電源電路、啟動電路、串口電路和SIM卡電路。GSM的發射電流峰值可達2.5 A，對電源要求比較高，故采用開關電源芯片LM2576進行電源轉換，提供4.2 V電源給TC35。TC35上電后，要進入工作狀態，必須給IGT加一延時大于100 ms的低脈沖，電平下降持續時間不可超過1 ms。啟動后，IGT應保持3.3 V高電平，因此，通過STC89C51單片機的P1.0口輸出所需電平，控制TC35工作狀態。由于單片機輸出電平為TTL，故需要通過7407電平轉換芯片轉換成符合TC35的COMS電平[5]。串口通信電路也是如此，需通過7407進行電平轉換，TC35的COMS電平在3.3 V左右，因此還要選擇合適的上拉電阻。TC35使用外接式SIM卡， SIM卡的CCRST，CCIO，CCCLK，CCVCC和CCGND引腳通過SIM卡座與TC35的同名端直接相連，ZIF連接座的CCIN引腳用來檢測SIM卡是否插好，如果連接正確，則CCIN輸出高電平，否則為低電平。

2.3 煙火報警器

市面上煙火報警器的種類多種多樣，如果在煙火報警器電路上進行改進，加入狀態監測電路，雖然也能實現本系統的功能，但如果報警器換了，所有電路都得換；對于已經安裝了煙火報警器的地方，還要更換等等，都會使得系統不具有廣泛的適用性。因此本系統的創新思路是：煙火報警器電路不需進行任何改動，當報警器監測到火災時會發出高分貝報警聲，電源電流變化明顯，因此可以采用電流感應的方式檢測報警器的狀態。這樣對于市面上幾乎所有的煙火報警器，都可以使用本系統，即使屋主已經安裝了普通煙火報警器，只要加入本系統電路，就可以實現無線監控火災情況，發生火災，能夠第一時間收到報警短信。

2.4 電流傳感器電路

為了不破壞普通煙火報警器的電路，以感應電流的方式檢測煙火報警器的工作狀態，選用了直流型電流傳感器。經測試得知，普通煙火報警器的靜態電流小于10 μA，報警時的工作電流只有10~30 mA，這么微弱的電流一般的電流傳感器根本檢測不出。本系統選用的TDC-LTA系列直流漏電流傳感器是應用磁調制原理研制而成的一種新型電流傳感器，其小電流的穩定性好，初級與次級之間高度絕緣，額定輸出電壓為0~5 V，非常適合本系統。電路連接比較簡單，將煙火報警器的一根電源線穿過電流傳感器，上電后，電流傳感器的輸出電壓就代表感應電流的大小。

3 軟件設計

系統軟件的功能是實時檢測報警器工作狀態，發生火災時，控制GSM模塊發送報警短信息到屋主手機。程序設計可分為三個部分：啟動部分、監控部分和發送部分，主程序流程圖如圖3所示。

3.1 啟動部分

啟動部分的程序主要負責初始化單片機，配置A/D模塊和啟動GSM模塊。系統上電后，必須對微控制器的定時器、端口、中斷和串口等進行初始化。A/D模塊TLC1549是10位模/數轉換器，輸出為串行方式，以中斷的方式讀取采集到的數據[6]。GSM模塊上電后，要進入工作狀態，必須給IGT加一延時大于100 ms的低脈沖，電平下降持續時間不可超過1 ms。啟動后，IGT應保持3.3 V高電平，因此，通過STC89C51單片機的P1.0口輸出所需電平，控制TC35工作。

圖3 系統程序流程圖

3.2 監控部分

監控部分的程序主要實現的功能是通過A/D采樣，檢測電流傳感器的輸出電壓有沒有發生變化，進而決定是否觸發發送程序。

首先是調用A/D采樣程序，通過控制A/D芯片TLC1549的CLK，DATA和CS的時序，讀取10位A/D轉換的數據。通過試驗發現，正常情況下，電流傳感器輸出的電壓幾乎為零；而在煙火報警器工作時，輸出電壓為4 V以上。因此在程序中，設置了一個A/D采樣值的閾值，當A/D采樣值超過這個閾值，則判定發生火災。為了防止出現假報警的情況，程序中設置了一個計數器，只有當檢查到超過閾值的次數大于10次時，才最終判定發生了火災。

3.3 短信息發送部分

監控程序檢測出有火災發生時，即調用發送程序發送短信到目標手機。本系統所用到的短消息規范為GSM07.05，發送模式有Text模式和PDU模式，Text模式的編碼規范比較簡單，只能發送英文，為了發送中文，這里選擇PDU模式。PDU串是一串ASCII碼，由數字0~9和字母A~F組成，它們是8位字節的十六進制數。PDU信息不僅包含需要發送的消息本身，還包含很多其他的信息。PDU模式信息編碼有一定的規則，需要編碼三個部分：短信息中心號碼、目標手機號碼和短信息內容，最后要將這三部分進行組合，并加入特定的字符串即可[7]。發送中文短信息使用的AT命令[8]主要有：AT+CMGF=0，AT+CMGS=短信字節數，和待發送的PDU編碼。

為了判斷短信是否發送成功，程序中在短信發送后，檢測TC35模塊回傳的信息，如果接收到“OK”，則表示短信發送成功，如果未接收到，則再次發送短信。同時，為了防止在一次火災中多次發送短信息的情況，程序中在成功發送短信息后，將延時一段時間再啟動監控程序。

4 結 語

本報警系統充分利用了51單片機價格優廉、控制性強的特點，采用直流電流傳感器檢測煙火報警器的工作狀態，不需改動市面上所有普通報警器電路和結構，只需外加GSM模塊即可實現遠程報警功能。

通過實際反復測試，結果表明該系統具有準確可靠、性能良好等優點，本報警系統適用于家庭或公共場合的火災監測和適時遠程報警，能在很大程度上減少和避免因無法及時了解火災發生而帶來的損失，具有較強的應用價值。

參 考 文 獻

［1］ 丁向榮.STC系列增強型8051單片機原理與應用［M］.北京:電子工業出版社，2011.

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［2］Texas Instruments. TLC1549 10-bit analog-to-digital converters with serial control [M]. [S.l.]: Texas Instruments， 1995.

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［3］黃雙根，吳燕，黃大星.基于STC89C52新型一氧化碳報警器設計［J］.機械與電子，2009(10):67-69.

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［4］吳青，仵博.基于TC35i的GSM報警器的設計與實現［J］.微計算機信息，2009，25(1):306-307.

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［5］何光禹，李太全.基于TC35i GSM模塊的SMS設計和應用［J］.現代電子技術，2010，33(16):157-159.

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［6］王利軍.TLC1549串口傳輸與單片機的A/D設計［J］.國外電子元器件，2007(10):63-67.

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［7］仵博，劉興東，吳敏.基于STC89的GSM汽車報警器的設計與實現［J］.微計算機信息，2007，23(5):263-264.

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［8］SIEMENS. TC35i Siemens cellular eilgitie AT command SetVersion [M]. [S.l.]: SIEMENS， 2003.

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［9］SIEMENS. TC35/TC37 hardware interface description vision:03.10 [M]. [S.l.]: SIEMENS， 2001.

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［10］劉文濤.單片機C51語言典型應用設計［M］.北京:人民郵電出版社，2005.

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作者簡介：

鎖威威 男，1987年出生，安徽阜陽人，碩士研究生。研究方向為通信信號處理。