遠程智能火災檢測報警系統

黃　靜

山東科技大學

遠程智能火災檢測報警系統

黃靜

山東科技大學

眾所周知，火災給人民的生產生活造成的損失是無法彌補和挽回的。為了避免火災以及減少火災造成的損失，讓人們的生活更加安寧，一次次觸目驚心的教訓要求我們必須設計并完善火災自動報警系統，提高火災預警能力，將火災消滅在萌芽狀態，最大限度地減少社會財富的損失。本系統以AT89S51單片機為控制器，結合溫度傳感器和煙霧檢測器為火災檢測的敏感元件，采集的溫度數據在本地通過LCD1602液晶顯示器顯示，當溫度超過預設值時，本地蜂鳴器發聲報警，LED火災報警燈亮，實現本地聲光報警；同時，SIM900A發送短信到指定的手機號實現遠程報警。

火災自動報警；AT89S51；溫度傳感器；煙霧檢測器；SIM900A

1　緒論

1.1設計的現實意義

火災，是指火源失去控制蔓延發展而給人民生命財產造成損失的一種災害性燃燒現象。火災能燒掉人類經過辛苦勞動創造的物資財富，在一定程度上影響著社會經濟的發展和人們的正常生活；火災還污染大氣，破壞生態環境；火災不但會使人陷于窘境，它還涂炭生靈，奪去許多人的生命和健康，造成難以消除的身心痛苦。據世界火災統計中心及歐洲共同體研究測算，火災直接損失占國民經濟生產總值的2‰，全部火災的損失將占國民經濟生產總值的10‰以上。在城市地區，人口相對集中，建筑設施密集，一旦發生火災，便會嚴重危害人們的生命財產安全，造成慘痛的損失。近幾年，我國城市頻繁發生火災，僅2015年，大連、天津、江蘇、佛山、寧夏等地發生的火災及其后果至今令人歷歷在目。火災自動報警系統就是為了將火災消滅在萌芽狀態而研制出的，并且隨著人們需求的提高，其自身的技術也在不斷地完善。

火災的發展過程如下：初起階段、成長階段、極盛階段、衰減階段。初期階段一般是電火花、未熄滅煙頭等將易燃、可燃物點著，經過一段時間陰燃而變成明火，但范圍很小。之后燃燒溫度緩慢升高，這一階段持續一般在幾分鐘到十幾分鐘，若此時能及時發現火情，便很容易將火災撲滅在萌芽階段。我們設計的火災遠程自動報警系統就是在這一階段發現火情并及時報警的。

2　火災報警系統整體設計方案

2.1火災報警系統功能分析

2.2系統的整體設計方案

2.2.1硬件整體設計

本系統總體由控制器、火災探測器和報警器三部分組成。我們選擇AT89S51單片機作為控制器，DS18B20溫度傳感器和煙霧傳感器作為火災探測器，SIM900A作為遠程報警器，由此構成一個完整的遠程火災自動報警系統。具體模塊劃分如圖2.1。在單片機中可以預先設定報警溫度、煙霧濃度預警值，正常情況下，火災探測器不斷進行實時監測，將檢測值與預設值進行比較，如果檢測值小于預設值，將數據信息傳給LCD1602液晶顯示器進行顯示；當溫度傳感器或煙霧傳感器其中一方的檢測值達到預設值后，本地發出異常報警，可通過液晶顯示器查看具體報警原因，消除異常；當溫度和煙霧的檢測值同時達到預測值，則本地聲光報警，同時SIM900A發送報警短信，將本地位置信息及煙霧成分檢測值發送到指定手機號進行報警。這樣，消防人員既可以在第一時間知道火災位置，又可以知道燃燒物成分，準備精確、充足的滅火設施。

2.2.2軟件整體設計

本系統程序主要包括溫度數據采集程序、煙霧數據采集程序、火災判斷與報警程序等。為了避免虛報火情，本系統在多次采集、多次判斷之后才確定進行報警。每次數據采集后根據得到的數據對現場情況進行判斷，最終得出是否報警的結論。主程序是一個無限循環體：首先，在上電后對系統的各部分進行性初始化，包括單片機各個端口輸入輸出的設置、外圍驅動電路和數據存儲電路等，其次是對各芯片的內部程序進行初始化，然后執行火災報警系統中的數據采集任務、數據通信任務和查詢判斷任務。主系統程序的流程圖如圖2.2。

圖2.2

3　系統的硬件選擇與軟件設計

3.1單片機的介紹

單片機，全稱單片微型計算機，又稱微控制器，是把中央處理器、存儲器、定時/計數器、各種輸入輸出接口等都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。與應用在個人電腦中的通用型微處理器相比，它更強調自供應和節約成本。它的最大優點是體積小，可放在儀表內部，但存儲量小，輸入輸出接口簡單，功能較低。由于其發展非常迅速，舊的單片機的定義已不能滿足，所以在很多應用場合被稱為范圍更廣的微控制器；從上世紀80年代，由當時的4位、8位單片機，發展到現在的32位300M的高速單片機。

HIGHLIGHT：Espionage and fraud in cyber is not an armed conflict,says System Expert’s Jonathan Gossels.

單片機是一個系統的核心，本系統的控制芯片使用的是ATMEL公司生產的AT89S51。AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內含4kBytesISP的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元。

AT89S51具有完整的輸入輸出、控制端口、以及內部程序存儲空間。與我們通常意義上的微機原理類似，可以通過外接A/D，D/ A轉換電路及運放芯片實現對傳感器傳送信息的采集，且能夠提供以點陣或LCD液晶及外接按鍵實現人機交互，能對內部眾多I/O端口連接步進電機對外圍設備進行精確操控，具有強大的工控能力。

3.2火災探測器的介紹

3.2.1溫度傳感器

溫度傳感器，是利用物質各種物理性質隨溫度變化的規律，把溫度轉換為電量的傳感器。溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器（RTD）和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數字輸出兩種類型。本設計采用的是數字溫度傳感器DS18B20。

DS18B20是美國DALLAS半導體公司推出的一種改進型智能溫度傳感器。與傳統的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據實際要求通過簡單的編程實現9～12位的數字值讀數方式。可以分別在93.75ms和750ms內完成9位和12位的數字量，并且從DS18B20讀出的信息或寫入DS18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫，溫度變換功率來源于數據總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源，因而使用DS18B20可使系統結構更趨簡單，可靠性更高。

3.2.2煙霧傳感器

煙霧傳感器就是通過監測煙霧的濃度來實現火災防范的，煙霧傳感器的分類：離子式煙霧傳感器、光電式煙霧傳感器、氣敏式煙霧傳感器。離子式煙霧傳感器內部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器是一種技術先進，工作穩定可靠的傳感器。本設計采用離子式煙霧傳感器NIS-05A。

NIS-05A是日本NEMOTO公司生產的離子型感煙探測器，常用于探測火災事故中的煙霧。其內部使用了微量放射性物質镅241，由于傳感器本體被金屬外殼所覆蓋，所以放射線決不會泄漏。并且這種傳感器的腳配置和輸出特性等與其他公司的產品有互換性。05C源片采用低放射能量，并適當擴大了電離室后，在清潔濕氣中，平衡電壓更趨穩定，大大降低了誤報率。

檢測原理：NIS-05A內部結構如圖3.3。傳感器內室的空氣經常被放射源輻射的阿爾法射線所電離。當9V電壓通電至電極時，產生約15pa的電離電流及約5.5V的輸出。當煙霧進入傳感器內室的時候，煙塵粒子就會被壓制成陰陽雙粒子。從而上層室的電離電流就會減弱，最終導致對煙塵密度的輸出電壓比例降低。調節降低輸出電壓就可以探測到煙塵。

3.3SIM900A的介紹

SIM900A是緊湊型、高可靠性的無線模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，采用功能強大的處理器ARM9216EJ-S內核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發要求。使用工業標準界面，使得具備GSM/GPRS900/1800MHz功能的SIM900A以小尺寸和低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的高速傳輸。SIM900A能滿足M2M幾乎所有應用要求，尤其是小巧、緊湊型的設計。

圖3.3

3.4LCD1602的介紹

LCD1602是工業字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。本設計采用LCD1602液晶顯示器在本地顯示檢測到的溫度及煙霧信息。LCD1602共有16個管腳，但是編程用到的主要管腳不過三個，分別為：RS（數據命令選擇端），R/W（讀寫選擇端），E（使能信號）。編程便是主要圍繞這三個管腳展開進行初始化，寫命令，寫數據。

3.5聲光報警電路

直接將蜂鳴器、LED燈與單片機連接，當檢測到的溫度和煙霧值到達預設值時，單片機供電，LED燈亮，蜂鳴器報警。

4　總結

將各部分硬件與單片機開發板連接好，在SIM900A中插入手機卡，將程序下載到單片機中，開始驗證。此時液晶顯示屏顯示當前溫度，當溫度和煙霧濃度到達預設值之后，LED燈亮，蜂鳴器響，SIM900A在大約1分鐘后，將火災短信發送到設定的手機號碼。實現了本地聲光報警，遠程短信通知功能。

本次實驗設計了一種基于單片機AT89C51的遠程智能火災報警系統，系統安全可靠，誤報率低，操作方便，成本較低。本設計采用了溫度傳感器DS18B20監測溫度，靈敏度高、響應時間短，在火災發生的早期就能準確的報警。系統以通用芯片AT89S51作為系統的控制器，LED燈和蜂鳴器作為本地報警，SIM900A發送短信作為遠程報警。系統在采集溫度信號時，采用多次采集，多次判斷的方法，降低了誤報率。在系統的軟件設計方面，采用了模塊化程序設計方法，既使得程序結構清晰，又便于以后進一步擴展其功能，也便于系統的維護。

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