紅外對(duì)射報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭 亮 ，肖 勇 ，王赟生

(1.南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063；2.江西珉軒智能科技有限公司，江西 南昌 330077)

紅外對(duì)射報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭 亮1，肖 勇2，王赟生1

(1.南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063；2.江西珉軒智能科技有限公司，江西 南昌 330077)

對(duì)現(xiàn)有市場(chǎng)智能家居安防產(chǎn)品的性能和價(jià)格等進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該類(lèi)產(chǎn)品電路復(fù)雜且價(jià)格普遍較高，使得其難以得到廣泛應(yīng)用，為此提出了一種紅外對(duì)射報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STC89C52為控制器，SIM900A為通信模塊，預(yù)留擴(kuò)展接口，可接入可燃?xì)怏w傳感器等各類(lèi)信號(hào)。戶(hù)外紅外對(duì)射部分采用清潔無(wú)污染的太陽(yáng)能供電，通過(guò)無(wú)線(xiàn)有線(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)器與主控制器連接，用于監(jiān)控防區(qū)是否有侵入者，如發(fā)現(xiàn)異?？赏ㄟ^(guò)通信模塊向預(yù)設(shè)手機(jī)發(fā)送短信或撥打電話(huà)，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，確保報(bào)警信息及時(shí)傳送。對(duì)通信模塊、傳感器信號(hào)等進(jìn)行系列調(diào)試。調(diào)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)防區(qū)內(nèi)不安全因素，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警功能，設(shè)防區(qū)域大、穩(wěn)定可靠，為今后智能家居領(lǐng)域報(bào)警系統(tǒng)簡(jiǎn)單化、智能化、平民化研制提供了參考和依據(jù)。

智能家居； 安防； 報(bào)警系統(tǒng)； 傳感器； 紅外對(duì)射； 通信； 可燃?xì)怏w

0 引言

隨著生活水平的不斷提高，人們不斷地對(duì)居住環(huán)境提出更高的要求，越來(lái)越注重家庭生活中每個(gè)成員的舒適、安全與便利，智能家居產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生[1]?，F(xiàn)有市場(chǎng)上的智能家居產(chǎn)品確實(shí)把人們帶入了一個(gè)智能、安全、便捷、舒適的智慧生活，但其價(jià)格讓很多人望而卻步。如何花費(fèi)最小的經(jīng)濟(jì)代價(jià)獲取更可靠的家居安全保障，是智能家居安防產(chǎn)品亟待解決的問(wèn)題[2]。

基于此，本文設(shè)計(jì)了紅外對(duì)射報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單片機(jī)STC89C52為控制器， SIM900A為通信模塊。系統(tǒng)可接收可燃?xì)怏w傳感器等各類(lèi)傳感器信號(hào)，同時(shí)防侵入部分采用太陽(yáng)能供電的主動(dòng)式紅外對(duì)射傳感器，通過(guò)無(wú)線(xiàn)有線(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)器接入單片機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到不安全因素后，會(huì)通過(guò)短信或電話(huà)的方式自動(dòng)報(bào)警，使用戶(hù)及時(shí)獲取檢測(cè)對(duì)象的狀況，同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)采用聲光報(bào)警，便于用戶(hù)及時(shí)采取有效措施進(jìn)行處理。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要由單片機(jī)、傳感模塊、供電及穩(wěn)壓模塊、報(bào)警模塊組成。單片機(jī)采用STC89C52，傳感模塊分為紅外對(duì)射傳感器和可燃?xì)怏w傳感器；紅外對(duì)射傳感器采用清潔無(wú)污染的太陽(yáng)能進(jìn)行供電，減少了對(duì)公共電網(wǎng)的依賴(lài)，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性；報(bào)警模塊采用現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警，同時(shí)對(duì)于遠(yuǎn)程報(bào)警，采用SIM900A通信模塊短信報(bào)警或電話(huà)報(bào)警。系統(tǒng)將可燃?xì)怏w傳感器等各類(lèi)探測(cè)器的檢測(cè)結(jié)果送入單片機(jī)進(jìn)行判斷，并通過(guò)單片機(jī)控制SIM900A通信模塊向程序預(yù)先設(shè)定好的手機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)或撥打電話(huà)。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制電路

主控電路采用宏晶公司出品的STC89C52作為處理芯片。STC89C52是一個(gè)低電壓、高性能的CMOS 8位單片機(jī)[3]?？刂齐娐凡捎妙l率為11.059 2 MHz的外部晶振作為單片機(jī)的時(shí)鐘振蕩器，并配有獨(dú)立按鍵進(jìn)行復(fù)位。P3.2、P3.3分別為紅外對(duì)射傳感器和可燃?xì)怏w傳感信號(hào)輸入端，P1.0(P1.2)、P1.1(P1.3)分別為紅外對(duì)射傳感器和可燃?xì)怏w傳感器輸出指示端。

2.2 可燃?xì)怏w檢測(cè)電路

可燃?xì)怏w傳感選用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(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大[4-5]。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。該傳感器可檢測(cè)諸如液化氣、丙烷、氫氣、天然氣等多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器[6]?？扇?xì)怏w檢測(cè)電路如圖2所示。

MQ-2傳感器的第4腳為檢測(cè)信號(hào)輸出引腳，能夠輸出一個(gè)隨煙霧濃度變化而變化的直流電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)被送至比較器U1A與門(mén)檻電壓比較。門(mén)檻電壓通過(guò)電位器RP1調(diào)節(jié)，同時(shí)門(mén)檻電壓的大小也決定了傳感器的靈敏度。當(dāng)MQ-2傳感器檢測(cè)到空氣中存在可燃?xì)怏w或煙霧，此時(shí)第4腳輸出的電壓信號(hào)將高于比較器的門(mén)檻電壓，比較器的信號(hào)輸出端輸出低電平，對(duì)應(yīng)的LED燈亮。當(dāng)傳感器未檢測(cè)到可燃?xì)怏w或煙霧時(shí)，比較器信號(hào)輸出端輸出高電平，對(duì)應(yīng)的LED燈熄滅。

圖2 可燃?xì)怏w檢測(cè)電路圖

2.3 GSM通信電路設(shè)計(jì)

①通信接口電路。GSM通信接口電路包括SIM卡槽接口電路、RS-232電平轉(zhuǎn)換電路與IPXmini天線(xiàn)接口電路。電話(huà)卡安裝在卡槽之后，通過(guò)SIM卡槽接口電路激活電話(huà)卡，并將電話(huà)卡的信息與SIM900A通信模塊進(jìn)行交換。RS-232電平轉(zhuǎn)換電路是便于程序調(diào)試階段將GSM通信部分電路與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接調(diào)試而設(shè)置的。RS-232電平轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 RS-232電平轉(zhuǎn)換電路圖

通過(guò)RS-232電平轉(zhuǎn)換電路將計(jì)算機(jī)適用的RS-232電平轉(zhuǎn)換為單片機(jī)系統(tǒng)適用的TTL電平，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)調(diào)試。IPXmini天線(xiàn)接口電路能夠在相應(yīng)的接口上加裝天線(xiàn)，使系統(tǒng)在通信時(shí)能夠得到足夠強(qiáng)的信號(hào)。

②SIM900A通信控制電路。SIM900A通信控制電路為上電自啟動(dòng)模式，同時(shí)也預(yù)留了通過(guò)單片機(jī)控制通信電路開(kāi)啟與關(guān)閉的接口。當(dāng)系統(tǒng)需要通過(guò)單片機(jī)控制通信的開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)，只需采用單片機(jī)控制通信控制電路的供電部分即可。電路中通過(guò)SIM900A的RXD和TXD引腳與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳送，進(jìn)而控制通信電路進(jìn)行短信的接收和發(fā)送。為了更直觀地了解系統(tǒng)的通信情況，電路中設(shè)計(jì)了D6和D7兩個(gè)指示燈。通過(guò)觀察D6、D7的工作狀態(tài)來(lái)大致判斷通信電路的工作狀態(tài)，D6、D7的亮滅和通信工作狀態(tài)可自行設(shè)計(jì)。

2.4 紅外對(duì)射傳感器

紅外對(duì)射的全稱(chēng)為“主動(dòng)紅外入侵探測(cè)器”，其基本的構(gòu)造包括發(fā)射端、接收端、光束強(qiáng)度指示燈、光學(xué)透鏡等。工作時(shí)，利用經(jīng)LED紅外光發(fā)射二極體發(fā)射的脈沖紅外線(xiàn)，再經(jīng)光學(xué)鏡面作聚焦處理使光線(xiàn)傳至很遠(yuǎn)距離，由受光器接收[7]。當(dāng)發(fā)射器和和接收器之間紅外信號(hào)被阻擋，則接收器接收不到紅外信號(hào)，從而引發(fā)躍變信號(hào)送單片機(jī)，單片機(jī)作出相應(yīng)聲光報(bào)警、遠(yuǎn)程短信或電話(huà)報(bào)警。相對(duì)被動(dòng)紅外傳感的熱釋電傳感器，紅外對(duì)射傳感器具有設(shè)防區(qū)域大、誤報(bào)率低等特點(diǎn)。紅外對(duì)射傳感器發(fā)射電路和接收電路如圖4所示。

圖4 紅外對(duì)射發(fā)射、接收電路圖

發(fā)射電路是由具有4個(gè)2輸入的與非門(mén)CD4011組成的多諧振蕩器，其振蕩頻率取決于RW1﹑C1中頻率為1～15 kHz，三極管驅(qū)動(dòng)后發(fā)出紅外光脈沖信號(hào)。接收器電路由紅外光電轉(zhuǎn)換探頭﹑放大器﹑譯碼器及功率開(kāi)關(guān)控制元件等組成。紅外接收管JS須與發(fā)射管FS配對(duì)使用。當(dāng)紅外接收管JS接收到發(fā)射管發(fā)射的紅外信號(hào)后，經(jīng)IC2放大器后加至IC3譯碼器，LM567的輸出端8腳將為低電平。當(dāng)紅外發(fā)射管和接收管之間有遮擋物時(shí)，LM567的輸出端8腳將跳變?yōu)楦唠娖剑藭r(shí)單片機(jī)將獲得該跳變信號(hào)，從而引發(fā)系統(tǒng)報(bào)警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)程序采用KEIL軟件進(jìn)行程序編寫(xiě)，編程語(yǔ)言采用廣泛運(yùn)用的C語(yǔ)言。本控制系統(tǒng)中，需對(duì)設(shè)防區(qū)域的活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)還要對(duì)指定區(qū)域內(nèi)的可燃?xì)怏w進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)送入單片機(jī)控制系統(tǒng)，單片機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)送入的信號(hào)來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的操作。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

若紅外對(duì)射傳感器在設(shè)防區(qū)域內(nèi)檢測(cè)到有人入侵，單片機(jī)就會(huì)控制聲光報(bào)警，同時(shí)向用戶(hù)發(fā)送提示短信。待用戶(hù)已知曉或情況已處理后，向單片機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送短信“解除1”，系統(tǒng)就會(huì)將對(duì)應(yīng)聲光報(bào)警關(guān)閉。同理，煙霧探測(cè)器等其他的傳感器也將檢測(cè)到的信號(hào)送給單片機(jī)，單片機(jī)作出處理，發(fā)送短信“解除2”，接觸對(duì)應(yīng)的傳感區(qū)域聲光報(bào)警。

4 系統(tǒng)程序調(diào)試

按以上設(shè)計(jì)方案進(jìn)行制版并焊接，完成后的系統(tǒng)硬件結(jié)合自編軟件加以調(diào)試，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的可行性。系統(tǒng)調(diào)試分為SIM900A通信模塊調(diào)試、傳感器信號(hào)調(diào)試、系統(tǒng)綜合調(diào)試。通信模塊調(diào)試是為了檢測(cè)該模塊是否能正常工作，采用SSCOM3.2串口調(diào)試工具，發(fā)送和接收模塊指令進(jìn)行調(diào)試。紅外對(duì)射傳感器在沒(méi)有檢測(cè)到人體移動(dòng)時(shí)，信號(hào)輸出引腳沒(méi)有信號(hào)輸出。

當(dāng)檢測(cè)到人體移動(dòng)時(shí)，信號(hào)輸出引腳就會(huì)輸出一個(gè)高電平，此時(shí)認(rèn)為紅外對(duì)射傳感正常。為減少系統(tǒng)的誤報(bào)率，除對(duì)傳感器的靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)外，還可增加紅外信號(hào)線(xiàn)數(shù)?？扇?xì)怏w傳感器調(diào)試可采用打火機(jī)氣體進(jìn)行測(cè)試，只有氣體達(dá)到一定濃度時(shí)，傳感器才會(huì)輸出一個(gè)低電平，需將傳感器的靈敏度調(diào)節(jié)到合適的位置，防止出現(xiàn)火災(zāi)或氣體泄漏時(shí)不反應(yīng)、沒(méi)有險(xiǎn)情時(shí)誤反應(yīng)。

通過(guò)多次測(cè)試，在設(shè)防區(qū)域有侵入或有可燃?xì)怏w時(shí)，系統(tǒng)能夠進(jìn)行聲光報(bào)警，并且在預(yù)先設(shè)置好的手機(jī)上能夠接收到短信或電話(huà)報(bào)警，驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)區(qū)域內(nèi)人體活動(dòng)以及可燃?xì)怏w的監(jiān)測(cè)，能夠適用于普通的居民住宅、倉(cāng)庫(kù)等其他有防火防盜要求的場(chǎng)所。

系統(tǒng)采用STC89C51單片機(jī)作為控制芯片，主要實(shí)現(xiàn)了SIM900A通信模塊和聲光報(bào)警電路的控制。人體侵入傳感采用紅外對(duì)射傳感器，彌補(bǔ)了被動(dòng)式紅外傳感器設(shè)防范圍小、誤報(bào)率高的缺點(diǎn)。采用太陽(yáng)能供電，解除了系統(tǒng)對(duì)公用電網(wǎng)的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)供

電，大大提高了系統(tǒng)供電的可靠性。系統(tǒng)采用設(shè)防區(qū)聲光報(bào)警和遠(yuǎn)程短信電話(huà)報(bào)警相結(jié)合的報(bào)警方式，報(bào)警范圍全覆蓋，能夠及時(shí)通知相關(guān)人員進(jìn)行警情處理，增加了系統(tǒng)的可靠性。

本文設(shè)計(jì)的報(bào)警系統(tǒng)成本低廉、探測(cè)效果好、可實(shí)施性高，但還有較大的改進(jìn)空間。比如控制芯片可以采用功能更為強(qiáng)大的ARM系列，同時(shí)可以增加多種其他傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中各個(gè)物理量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

[1] 劉嘉璐.談智能家居發(fā)展面臨的問(wèn)題及解決方案[J].山西建筑，2016，42(4):257-258.

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[3] 楊成慧，王書(shū)志，何佑新，等.一種基于STC89C52的智能窗簾控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2016,37(6):246-2481.

[4] 張群強(qiáng)，趙巧妮.基于MQ-2型傳感器火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程,2016(5):96-98.

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Design and Implementation of the Active Infrared Intrusion Alarm System

GUO Liang1，XIAO Yong2,WANG Yunsheng1

(1.School of Information Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China; 2.Jiangxi Minxuan Intelligent Technology Co.,Ltd，Nanchang 330077，China)

The performance and price of smart home security products in the market are investigated,it is found that the circuitry of the products is complex,and the cost is generally high; so the products are hard to be popularized.The active infrared intrusion alarm system is proposed.In this system,STC89C52 is used as the controller,SIM900A is used as the communication module; with reserved expansion interface，it can be connected with the combustible gas sensor and other signals.The outdoor infrared radiation part is powered by clean and pollution-free solar energy,it is connected with the main controller through wired and wireless repeater,for monitoring if these is any intruder.If abnormal situation is found,short message or phone call can be sent to pre-set mobile phone through communication module,in addition,audio and visual alarm messages can be issued promptly.The communication module,Sensor signal,etc.are carried out a series of experiments.The debugging results indicate that the system can detect unsafe factors of the region in real time,realize the function of remote automatic alarm stably and reliably,the secured area is wide.It provides reference and basis for simplification,intellectualization,and civilization development of smart home alarm system in the future.

Smart home; Security; Alarm system; Sensor; Active infrared intrusion; Communication; Combustible gas

江西省科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(20151BBE50032)

郭亮(1979—)，男，博士，講師，主要從事機(jī)器人技術(shù)與智能控制的研究。E-mail: acumen@nchu.edu.cn。

TH-39；TP277

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705024

修改稿收到日期:2017-01-16