基于無線傳感與FPGA的智能報警系統的設計

李 康，趙培佳，胡國棟，陸偉奇，金寶根

（紹興文理學院 電子信息工程，浙江 紹興　312000）

基于無線傳感與FPGA的智能報警系統的設計

李 康，趙培佳，胡國棟，陸偉奇，金寶根

（紹興文理學院 電子信息工程，浙江 紹興312000）

本文介紹了基于無線傳感與FPGA的智能報警系統的硬件組成部分并闡述了報警系統的設計原理，提出了該系統的應用領域與發展前景。本設計主要包括家用煙霧監測儀器的設計、家用煤氣監測儀器的設計、家用紅外探測器的設計、GSM驅動模塊。家用煙霧監測儀器和煤氣監測儀器可以通過MQ-2型氣體傳感器監測煙霧和有毒氣體的濃度來防范火災和中毒的發生；家用紅外監測器通過HC-SR501型紅外傳感器監測入侵者發出警報，當FPGA經由RF收到各模塊發送的報警信號并作相應處理后，驅動GSM模塊發送短信通知用戶。經過實際測試，該設計能夠有效地防范家庭安全事故的發生。

無線傳感；FPGA；智能報警；煙霧監測；煤氣監測；紅外監測

隨著我國人民生活水平的逐步提高和個體經濟的迅猛發展，各種現代化的家用電器不斷增加，威脅到我們生命財產安全的火災事故也不斷增加，因此，居民住宅和“九小”場所的火災安全問題越來越引起人們的關注。尤其是2010年上海靜安區“11.15”高層住宅樓特大火災給人們的消防安全意識敲響了警鐘，引起了各級政府和民眾對消防工作的重視，但我國火災多發，群死群傷的狀況仍然未得到根本改變。煙霧是火災的早期現象，使用煙霧監測儀器可以更早地預測到火災的發生。在紅外報警器方面，市場上的大多數產品只能監測到入侵行為發出報警信號，卻不能及時通知家庭人員。目前市場上的安全監測儀器功能單一，不能滿足人們多方面的需求，而且這些設備落后于我們當前已具備的技術水平。所以，一套齊全的智能報警器成為家中的必須品，所以本設計集煙霧監測儀器、煤氣監測儀器、紅外探測器于一身，提出一種新型的智能報警系統。

1　研究內容

本設計主要結合無線傳感技術、GSM和FPGA來實現智能報警系統。通過各采集監測模塊來采集例如煤氣濃度、煙霧濃度等物理量信息并作適當信號調理，然后通過無線傳輸技術發送至FPGA控制模塊，FPGA控制模塊根據接收信號做出相應判斷，并決定是否觸發安全控制指令給采集監測端并實施相應安全舉措，同時通過GSM模塊發出報警短信。

2　系統方案

本設計將煙霧感應、紅外傳感器安裝在家庭的不同角落，通過FPGA對采集到的數據進行處理分析，然后通過蜂鳴器發出報警信號并通過GSM模塊短信通知報警器使用者。本設計所研究的智能報警系統由以下模塊組成。圖1為本設計的系統框圖。

圖1　系統框圖Fig.1　Block diagram of the system

2.1FPGA主控器

FPGA是一種大規?？删幊踢壿嬈骷诳删幊痰牟檎冶恚↙UT）結構大規?？删幊踢壿嬈骷?］。在本設計所選用的FPGA主控芯片是Cyclone II的EP2C8Q208C8N，它屬于第二代芯片，有著更低的功耗和更多的資源可供開發者使用。EP2C8Q208C8N的工作頻率為50 MHz，擁有138個輸入輸出IO口，擁有的邏輯塊/元件數有8 256個，有8K的Les和165Kb的Ram，擁有兩個PLL，工作電壓在1.15 V到3.465 V，工作溫度在0度到85度。

為了更利于我們的研發，本設計采用的開發板是紅芯電子RCQ208_V3開發板。這塊板子所采用的FPGA主控芯片是EP2C8Q208C8N，具有大容量的SDRAM和強大的外設配置。本設計中FPGA主控模塊負責接收分布在各處的監測模塊發出的危險信號，驅動蜂鳴器報警并及時將警告短信發給用戶。FPGA主控模塊協調各個模塊并完成系統功能的流程圖如圖2所示。

圖2　FPGA主控模塊流程圖Fig.2　Flow chart of the FPGA control module

2.2煤氣和煙霧監測模塊

煤氣檢測模塊和煙霧檢測模塊均采用MQ-2型氣體傳感器。MQ-2型氣體傳感器具有廣泛的探測范圍，較高的靈敏度，較好的穩定性，且僅需要簡單的驅動電路便可工作。MQ-2可用于家庭和工廠的氣體泄漏監測裝置，適宜于液化氣、甲烷、酒精、煙霧等的監測任務。圖3是MQ-2型傳感器的驅動電路。

圖3　MQ-2驅動電路Fig.3　Drive circuit of MQ-2

MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2）。當傳感器所處環境中存在煙霧是，傳感器的電導率隨空氣中煙霧濃度的增加而增大。電導率越大，輸出電阻越低，利用這一點可以獲得煙霧濃度值［2］。由于氣敏電阻的電阻大小及變化幅度未知，因此在分壓網絡后加入可調增益的同相放大器。當空氣中的敏感氣體或煙霧濃度升高時，MQ-2中的敏感電阻電導率會迅速升高，從而氣敏電阻和電阻R2的分壓網絡輸出電位迅速升高，致使比較器的輸出電平發生由低到高的變化。將該信號輸送給單片機，便完成了對煤氣和煙霧濃度的監測。

2.3紅外監測模塊

紅外監測模塊采用HC-SR501型熱釋電傳感器。HCSR501是基于紅外線技術的自動控制模塊，采用進口LHI778探頭，靈敏度高并且可靠性強，廣泛應用于各類自動感應電氣設備。當有人進入其感應范圍時，人體發射的紅外線導致傳感器輸出高電平，人離開其感應范圍時則自動輸出低電平，將該電平送給單片機即可完成防盜系統的數據采集模塊。其原理圖如圖4所示。

紅外監測模塊的原理是熱釋電效應。熱釋電效應同壓電效應類似，是指由于溫度的變化而引起晶體表面荷電的現象。熱釋電傳感器是對溫度敏感的傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，在元件兩個表面做成電極，在傳感器監測范圍內溫度有ΔT的變化時，熱釋電效應會在兩個電極上會產生電荷ΔQ，即在兩電極之間產生一微弱的電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高，在傳感器中有一個場效應管進行阻抗變換。熱釋電效應所產生的電荷ΔQ會被空氣中的離子所結合而消失，即當環境溫度穩定不變時，ΔT=0，則傳感器無輸出。當人體進入檢測區，因人體溫度與環境溫度有差別，產生ΔT，則有ΔT輸出；若人體進入檢測區后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出了。所以這種傳感器檢測人體或者動物的活動傳感。

2.4無線收發模塊

圖4　熱釋電傳感器驅動電路Fig.4　Drive circuit of the pyroelectric sensor

由于數據采集系統分布在家居的各個位置，所以需要無線收發模塊將采集到的數據發送給核心板——FPGA控制模塊。本設計的無線收發模塊采用的是 nRF905無線芯片。nRF905無線芯片是有挪威NORDIC公司出品的低于1 GHz無線數傳芯片，主要工作于433 MHz、868 MHz和915 MHz 的ISM頻段。芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。非常適合于低功耗、低成本的系統設計［3］。nRF905無線芯片的驅動電路如圖5所示。

nRF905無線芯片通過STC89C52RC單片機對其進行驅動，其與單片機連接的方式是SPI總線，設置其發送地址和接受地址即可完成網絡的組建和數據的收發功能。

2.5GSM通信模塊

圖5　nRF905無線芯片驅動電路Fig.5　Drive circuit of the nRF905 wireless chip

全球移動通訊系統GSM是當前我國覆蓋范圍最廣的移動通訊網絡系統。短消息服務SMS作為一項基于GSM的增值服務，價格低廉、服務穩定，除了手機之間的短消息通信外，SMS還被廣泛地應用到遠程數據采集與監控、電子商務、辦公自動化等領域［4］。本設計采用的GSM模塊是西門子的TC35，完成對GSM的短信收發控制，需要通過串口向GSM模塊發送AT指令集，GSM收到串口發送過來的AT指令，將會對命令進行處理并采取相關的措施，在本設計當中主要是完成短信收發的功能，所以僅使用與其短信收發相關的AT指令來控制GSM模塊。圖6為FPGA驅動GSM模塊發送短信及蜂鳴器的流程圖。

FGPA與GSM模塊的數據通信使用RS232串口方式。RS232采用的串口為9針串口，除了9針串口還有25針串口。最常用的三線連接方式，即只連接RXD、TXD和GND三根線就能正常通信。表1為RS232的引腳表。

AT指令集是專門被用來控制GSM的一款指令，它是由諾基亞、摩托羅拉等多家移動電話廠商共同制定出來的。它命令的主要格式是

AT

當AT指令執行成功時，則會返回字符串“OK”表示成功。

在本設計中主要要用到這些AT指令［6］來實現短信收發功能：

1）AT+CSCA來設置短信息中心地址

2）AT+CMGF設置發送模式

3）AT+CSCS設置字符集

4）AT+CMGS來發送短信息

5）AT+CMGR來讀取一條短消息

圖7為FPGA與GSM模塊的連接框圖。

圖7　FPGA驅動GSM模塊框圖Fig.7　Block diagram of FPGA driving GSM module

當FPGA接收到相應的危險信號時，蜂鳴器鳴叫，并將預設好的短信內容發送給用戶手機。

3　設計結果

智能報警系統上電后，調整煙霧報警器靈敏度，通過在煙霧報警器周圍釋放煙霧來測試煙霧報警模塊是否正常工作，通過人體移動來測試紅外傳感器模塊是否正常工作。經測試，智能報警系統各模塊均正常工作，測試結果如圖8所示。

圖8　測試結果示意圖Fig.8　Reveal of the test results

4　結束語

本文介紹了一個基于FPGA的多功能報警器，通過無線收發模塊讓監控模塊與核心控制模塊通信，使控制模塊能夠及時獲取危險信息并將危險信息告知用戶，降低發生危險的可能性。它不同于傳統功能單一的報警器，本設計是綜合多種報警器的改進產品，更適用于家庭安全的實時監測，有利于創造更加和諧安全的家庭環境，加強了家庭安全裝置的完善性和可靠性。

［1］潘松，黃繼業.EDA技術實用教程［M］.北京：科學出版社，2010.

［2］單春艷，章平，張同翰.基于STM32的學生宿舍煙霧檢測器設計［J］.工業控制計算機，2014，27（4）：149.

［3］Nordic VLSI ASA.Single chip 433/868/915 MHz Transceiver ［EB/OL］.http：//www.nordicsemi.com/eng/Products/Sub-1-GHz-RF/nRF905，2004-01/2014-10-18.

［4］孫丘偉，余臻.基于GSM的短信報警收發平臺設計［J］.福州大學學報，2008，36：44.

［5］Christopher E.Strangio.The RS232 STANDARD［EB/OL］. http：//hw-server.com/rs-232-overview-rs-232-standard，2012/2014-10-18.

［6］Shanghai SIMCom Wireless Solutions Ltd.SIM900_GSM Location AT Command Manual_V1.00［EB/OL］.http：//wm. sim.com/product.aspx？id=1007，2011-01-26/2014-10-18.

Design of intelligent alarm system based on FPGA and wireless sensor

LI Kang，ZHAO Pei-jia，HU Guo-dong，LU Wei-qi，JIN Bao-gen
（Faculty of Electronic&Information Engineering，Shaoxing University，Shaoxing 312000，China）

This paper introduces the hardware composition of the intelligent alarm system based on wireless sensor and FPGA，

explains the design principles，and puts forward the application field of this system and the development prospects.The design mainly consists of a household smoke monitoring instrument，a household gas monitoring instrument，a household infrared detector，and a GSM driving module.The household smoke monitoring instrument and gas monitoring instrument adopt the smoke concentration sensor monitoring MQ-2 to detect smoke and toxic gas to prevent fire and poisoning；The household infrared monitor uses HC-SR501 type infrared sensor to keep watch on invaders，and FPGA controller will deal with the alert signal received from the modules，and then drives GSM module to send messages in order to inform the user.After the actual test，the design can effectively prevent the occurrence of safety misadventures in the home.

wirelesssensor；FPGA；intelligent alarm；smoke monitoring；gas monitoring；infrared monitoring

TN99

A

1674－6236（2016）03-0098-04

2015-03-21稿件編號：201503287

浙江省大學生科技創新活動計劃（2013R426030）

李 康（1993—），男，浙江龍灣人。研究方向：光伏逆變器。