基于單片機(jī)和GSM的通信機(jī)房安全報(bào)警器設(shè)計(jì)

陶壯壯

（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作 454000）

0 引 言

近年來，通信設(shè)備的自動(dòng)化和智能化水平不斷提升，機(jī)房的安全問題越來越受到人們的重視。作為現(xiàn)代通信傳播的重要承載，一旦機(jī)房出現(xiàn)火災(zāi)等問題，會(huì)直接影響到區(qū)域內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失，影響到人們的正常生活。因此，必須重視機(jī)房安全性問題，設(shè)計(jì)確保通信設(shè)備正常運(yùn)行的機(jī)房安全報(bào)警器，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在控制器中采用單片機(jī)，在通信機(jī)房內(nèi)部裝置煙霧傳感器、溫度傳感器等，同時(shí)在工位上安裝人體紅外傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)房內(nèi)可能出現(xiàn)的安全隱患，并通過聲光系統(tǒng)報(bào)警的方式傳遞信息，確保報(bào)警器設(shè)計(jì)的合理性。

1 整體方案設(shè)計(jì)

采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為機(jī)房安全報(bào)警器的控制核心，借助人體紅外傳感器獲取紅外信息，借助煙霧傳感器、溫度傳感器等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)房是否存在火災(zāi)安全隱患。一旦發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患，則立即通過GSM模塊傳遞警報(bào)信息。安全報(bào)警器系統(tǒng)中包括單片機(jī)、GSM模塊、警報(bào)模塊、控制模塊以及各類傳感器等，整體的設(shè)計(jì)框架如圖1所示[1]。

單片機(jī)是通信信號(hào)采集的核心，也是進(jìn)行信號(hào)處理的重要單元，同時(shí)還具有信息發(fā)送和傳遞的功能。由于單片機(jī)系統(tǒng)處于特殊的電磁環(huán)境，因此需具有較強(qiáng)的抗干擾能力[2]。GSM系統(tǒng)是信息發(fā)送的重要模塊，需選用符合質(zhì)量要求的工業(yè)級(jí)芯片，功能相對(duì)多樣且具有標(biāo)準(zhǔn)的串行接口，能夠與單片機(jī)有效連接，使用更加快捷。此外，可以通過指令實(shí)現(xiàn)短信收發(fā)，同時(shí)還能設(shè)置不同的操作模式。煙霧傳感器模塊主要是檢測(cè)空氣中的煙霧濃度，并將其轉(zhuǎn)換成信號(hào)輸出。煙霧傳感器可以選用離子式傳感器，工作相對(duì)穩(wěn)定可靠。一般情況下，內(nèi)外電離室的電流相對(duì)比較穩(wěn)定，但如果通信機(jī)房出現(xiàn)煙霧，會(huì)對(duì)帶電粒子的正常運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生干擾，隨之也會(huì)改變電流和電壓，破壞機(jī)房內(nèi)外電離的平衡，此時(shí)發(fā)射器則會(huì)發(fā)出警報(bào)信號(hào)并傳遞警報(bào)信息。

2 電路和程序設(shè)計(jì)

2.1 電路設(shè)計(jì)

通信機(jī)房安全報(bào)警器的電路設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)、溫度傳感器電路設(shè)計(jì)、報(bào)警電路設(shè)計(jì)以及顯示電路設(shè)計(jì)等。溫度監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)中涉及到數(shù)字溫度傳感器DS18B20，借助單片機(jī)的接口對(duì)DS18B20加以讀寫，可以得到當(dāng)前環(huán)境的溫度值。報(bào)警電路設(shè)計(jì)中采用蜂鳴器，充分發(fā)揮其提示、報(bào)警的功能。蜂鳴器是一種廣泛應(yīng)用于多種電子產(chǎn)品的元器件，在應(yīng)用中工作電流較大，可通過增加三極管來增加蜂鳴器的電流。蜂鳴器的一端連接到電源上，另一端連接到三極管。在管腳低的狀態(tài)下，三極管處于聯(lián)通狀態(tài)，此時(shí)電流回路，可以用各管腳的高低控制發(fā)聲是否開啟和關(guān)閉。顯示電路的設(shè)計(jì)中可以采用數(shù)碼管，其顯示內(nèi)容相對(duì)簡單，但電路的焊接設(shè)計(jì)相對(duì)較難[3]。采用LCD1602液晶顯示，功耗相對(duì)較低，數(shù)字內(nèi)容多樣，能滿足顯示的基本要求。報(bào)警電路板塊主要用單片機(jī)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，需確保在發(fā)生火災(zāi)等險(xiǎn)情時(shí)能及時(shí)傳遞警示信息，避免因突發(fā)情況無法聯(lián)系造成損失。

2.2 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通信機(jī)房安全報(bào)警器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇使用AT89S51單片機(jī)。通過將CPU芯片、存儲(chǔ)器芯片、I/O接口芯片以及簡單的I/O設(shè)備連接在相應(yīng)的印刷電路板中，再將應(yīng)用程序下載到單片機(jī)中，這樣就形成了一個(gè)小型的單片計(jì)算機(jī)，也就是單片機(jī)。最小系統(tǒng)是整體系統(tǒng)啟動(dòng)工作運(yùn)行的最小模塊，必不可少。單片機(jī)擁有自己的最小系統(tǒng)，其主要作用是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)算以及控制目標(biāo)，讓系統(tǒng)保持初始狀態(tài)下執(zhí)行的復(fù)位電路。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，選擇如下圖2所示的包含芯片引腳及拓展插針的單片機(jī)。

在該通信機(jī)房安全報(bào)警器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單片機(jī)通過采集周圍的系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)，借助數(shù)字形式開展傳輸，實(shí)現(xiàn)有效的報(bào)警控制，將動(dòng)態(tài)的通信設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和變化情況記錄下來，進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，能夠結(jié)合系統(tǒng)設(shè)定的安全報(bào)警控制目標(biāo)，執(zhí)行相關(guān)操作，在發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，能夠及時(shí)有效的開展報(bào)警控制。

2.3 程序設(shè)計(jì)

基于通用編程軟件Keil uVision5，采用C語言程序編寫系統(tǒng)，程序編寫主要涉及單片機(jī)連接AD量采集程序、GSM模塊系統(tǒng)和單片機(jī)之間的通信傳遞指令、短信內(nèi)容程序、紅外傳感器信號(hào)程序、掃描鍵輸入程度以及蜂鳴器控制程序等[4]。

在通信機(jī)房正常工作狀態(tài)下，安全報(bào)警器實(shí)行上電工作，模塊中的煙霧傳感器和溫度傳感器的探頭開始加熱工作，對(duì)機(jī)房內(nèi)外環(huán)境的煙霧、溫度等信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，并將處理數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)。單片機(jī)接收到傳感器所傳遞的數(shù)據(jù)后，進(jìn)一步對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。當(dāng)任意一個(gè)傳感器的參數(shù)高于安全參數(shù)值時(shí)，進(jìn)一步進(jìn)行人體紅外檢測(cè)。如果在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)是周圍環(huán)境中有人員存在，單片機(jī)則會(huì)即刻發(fā)出指令，確保聲光報(bào)警模塊能發(fā)出警示信息和燈光。與此同時(shí)，GSM模塊也會(huì)發(fā)送對(duì)應(yīng)的報(bào)警信息到對(duì)應(yīng)的手機(jī)等移動(dòng)終端，然后程序才會(huì)結(jié)束運(yùn)行[5]。

采用CC2430芯片實(shí)現(xiàn)無線傳輸，其編程具有較大的靈活性和自由性，能實(shí)現(xiàn)不同的控制算法和邏輯算法。由于支持無線傳輸?shù)膯纹瑱C(jī)成本相對(duì)較高且程序復(fù)雜，電路設(shè)計(jì)難度也更大，因此可以采用NRF24L01芯片，不僅能實(shí)現(xiàn)無線傳輸，而且整體成本較低，單片機(jī)軟件的編程也比較自由，能滿足各種邏輯和控制算法的需要，符合節(jié)能設(shè)計(jì)的要求，也具有較強(qiáng)的抗干擾能力，在通信機(jī)房等場(chǎng)合的應(yīng)用中編程比較方便[6]。

3 安全報(bào)警器系統(tǒng)調(diào)試分析

3.1 硬件測(cè)試

通過分析機(jī)房安全報(bào)警器工作原理，選擇符合要求的傳感器和其他功能模塊的元器件等進(jìn)行通電測(cè)試，在測(cè)試工作完成后再進(jìn)行硬件搭建工作[7]。結(jié)合設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)布局，通過萬用板等對(duì)排母連接灰排線等進(jìn)行焊接作業(yè)，并借助萬用表對(duì)電阻電容的功能性進(jìn)行測(cè)試和對(duì)比。此外，對(duì)硬件系統(tǒng)中所涉及到的元器件基本參數(shù)進(jìn)行分析并與標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，最終選擇偏差相對(duì)較小的元器件[8-10]。采用萬用表對(duì)灰排線的線路等進(jìn)行測(cè)試，如果萬用表出現(xiàn)蜂鳴聲則表明線路導(dǎo)通正常，反之則表明出現(xiàn)斷路問題。萬用板測(cè)試完成后還要插入各個(gè)傳感器、單片機(jī)以及GSM系統(tǒng)模塊，通電后再次用萬用表對(duì)系統(tǒng)的電壓加以測(cè)試。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

對(duì)各個(gè)模塊和程序等進(jìn)行調(diào)試，查看其是否具有對(duì)應(yīng)的功能。收集對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，將其整理成表格，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，不斷優(yōu)化完善機(jī)房安全報(bào)警器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。借助仿真器對(duì)不同傳感器、不同模塊的子程序進(jìn)行下載，將其存放到單片機(jī)中，對(duì)子程序的運(yùn)行進(jìn)行分析，查看子程序是否正確。根據(jù)實(shí)際需求對(duì)其進(jìn)行多次調(diào)試，確保各個(gè)子程序最終符合要求。

在煙霧傳感器的調(diào)試工作中，單片機(jī)系統(tǒng)通電后可以在煙霧傳感器探頭周圍放置燃燒的紙張，然后觀察采集到的AD數(shù)值是否發(fā)生了變化，同時(shí)關(guān)注發(fā)光二極管是否開啟變亮。如果AD值有巨大的波動(dòng)且發(fā)光二極管變亮，則證明此狀態(tài)下煙霧傳感器系統(tǒng)功能正常；如果其中任何一個(gè)條件不滿足，則需要進(jìn)行重新調(diào)試。在紅外傳感器的調(diào)試作業(yè)中，工作人員可以將手放在探頭上，查看是否處于高電平狀態(tài)。同時(shí)也可以正確輸出后用蓋子蓋住探頭，查看是否處于低電平狀態(tài)。如果出現(xiàn)異常或靈敏度不夠，則需要再次調(diào)試。GSM模塊的調(diào)試環(huán)節(jié)需要先啟動(dòng)模塊并和單片機(jī)連接，然后發(fā)出AT指令，測(cè)試指令的正確與否。對(duì)按鍵模塊的調(diào)節(jié)主要是下載按鍵掃描的子程序，通過操作按鍵并采用萬用筆對(duì)輸出的電平進(jìn)行測(cè)量。正常來講，按鍵按下時(shí)的電平為低電平。

3.3 調(diào)試和改進(jìn)系統(tǒng)

當(dāng)機(jī)電安全報(bào)警器通電運(yùn)行后，煙霧傳感器和溫度傳感器會(huì)對(duì)所處環(huán)境的溫度變化、煙霧及一氧化碳的濃度等進(jìn)行檢測(cè)。紅外傳感器會(huì)對(duì)所屬范圍內(nèi)的人員加以檢測(cè)，并將所檢測(cè)到的人體運(yùn)動(dòng)通過不同顏色進(jìn)行顯示，一般以紅、綠、藍(lán)3種顏色來表示不同的運(yùn)行狀態(tài)。顯示器可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示空氣中煙霧的濃度和溫度等信息參數(shù)。當(dāng)煙霧濃度或溫度參數(shù)超過安全閾值時(shí)，蜂鳴器等會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)GSM模塊也會(huì)給設(shè)定的移動(dòng)終端發(fā)送短信。通過不斷的調(diào)試，查看報(bào)警器上電運(yùn)行后，如果環(huán)境中存在異常情況，系統(tǒng)是否可以正常發(fā)送短信到手機(jī)上，以此來監(jiān)測(cè)整體設(shè)計(jì)是否科學(xué)。除此之外，系統(tǒng)的調(diào)試改進(jìn)還包括軟件和程序的調(diào)試，對(duì)錯(cuò)誤代碼等進(jìn)行修改。將程序下載到系統(tǒng)實(shí)物中，對(duì)溫度、煙霧濃度等初始值的設(shè)定進(jìn)行分析，根據(jù)結(jié)果對(duì)系統(tǒng)程序進(jìn)行調(diào)試，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行后才能結(jié)束調(diào)試。

4 結(jié) 論

綜上所述，以單機(jī)片為控制核心，將煙霧傳感器、溫度傳感器、紅外傳感器等與GSM系統(tǒng)有效結(jié)合設(shè)計(jì)了一種通信機(jī)房安全報(bào)警器。通過系統(tǒng)測(cè)試，其能夠在檢測(cè)到機(jī)房安全隱患時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息，通過GSM模塊迅速傳遞信息提醒相關(guān)工作人員采取有效措施，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。