智能化煙霧報警控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

阮承治，李 琦，曾東梅，楊 君，李 青，吳函汀

(武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300)

我國是人口大國，人民的生命和財產(chǎn)安全是國家和諧安穩(wěn)的根基。隨著城市的不斷發(fā)展，人們工作生活相對集中，識別住房火災(zāi)隱患，配置防火滅火系統(tǒng)，切實做到有備無患是現(xiàn)代生活的重要需求[1-2]。智能化煙霧報警控制系統(tǒng)從無到有，從簡單到復(fù)雜，對減少人民財產(chǎn)損失與維護(hù)國家穩(wěn)定和諧具有重大意義和實用價值[3-4]。因此，設(shè)計一款以STM32單片機(jī)為核心控制器的智能化煙霧報警控制系統(tǒng)顯得尤為重要。

目前市場上主流的智能安防裝置以檢測環(huán)境煙霧、溫度的功能為主，功能相對單一，且無實時與用戶建立遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ躘5]，缺乏與之配套的適用于智能安防的實時監(jiān)測功能[6]。為解決上述問題，本控制系統(tǒng)綜合運用工業(yè)無線GSM移動串口通訊模塊及單片機(jī)控制技術(shù)，克服傳統(tǒng)的固定座機(jī)和寬帶網(wǎng)絡(luò)有線距離的數(shù)據(jù)傳輸模式的局限性，可實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離靈活的智能化自動報警與控制。

1 總體方案

本設(shè)計是基于STM32單片機(jī)為控制器的智能化煙霧報警系統(tǒng)，并通過GSM通訊模塊實現(xiàn)自動報警。該控制器的電源供電模塊通過AC降壓，并通過整流、濾波及穩(wěn)壓為控制系統(tǒng)供電；控制系統(tǒng)通過傳感器檢測煙霧、溫度及紅外信息，若出現(xiàn)險情，即將報警信息通過GSM模塊發(fā)送到用戶手機(jī)；單片機(jī)控制模塊由掉電存儲、GSM通訊、顯示電路、煙霧檢測、測溫模塊、繼電器控制和獨立按鍵模塊等子模塊構(gòu)成。系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

本系統(tǒng)的設(shè)計是以STM32單片機(jī)為主控系統(tǒng)，該主控系統(tǒng)是由單片機(jī)最小系統(tǒng)、獨立按鍵、GSM通訊、顯示模塊、煙霧檢測、測溫模塊和繼電器控制電路等子模塊構(gòu)成。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

該最小系統(tǒng)主要是由復(fù)位電路、串口下載電路等構(gòu)成，并由DC電路接口提供直流電源支持單片機(jī)的正常運行[7]。本設(shè)計中單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)計的單片機(jī)最小系統(tǒng)，RST引腳接收到兩個機(jī)器周期以上的高電平信號，STM32單片機(jī)實現(xiàn)復(fù)位功能。本設(shè)計采用的是單片機(jī)內(nèi)部晶振，按鈕復(fù)位電路。

2.2 主要子模塊電路

2.2.1 掉電存儲電路

本系統(tǒng)掉電存儲電路中AT24C04芯片A0，A1，A2默認(rèn)接低電平，通過AT24C04數(shù)據(jù)手冊可查找IIC通信地址0x40[8]。當(dāng)有多個存儲芯片AT24C04的IIC器件同時通信時，只需更改A0、A1和A2對應(yīng)的高低電平即可尋址該模塊，掉電存儲電路如圖3所示。

圖3 掉電存儲電路

2.2.2 通訊模塊電路

GSM通訊模塊如圖4所示，該模塊與單片機(jī)采用串口通信方式。由于GSM模塊需要較大的電流，一般不可以直接使用單片機(jī)系統(tǒng)供電，否則會造成通信連接失敗的情況。因本系統(tǒng)有獨立設(shè)計5V電源模塊，故可直接為GSM供電。

圖4 GSM通信模塊

2.2.3 煙霧檢測模塊

單片機(jī)系統(tǒng)通過煙霧檢測模塊能自動實時監(jiān)測當(dāng)前環(huán)境的煙霧濃度，程序采用模擬輸出的算法在LCD顯示屏上顯示實時煙霧數(shù)據(jù)，煙霧模塊模擬輸出引腳與STM32單片機(jī)SMOKE引腳相連接。煙霧檢測模塊如圖5所示。

圖5 煙霧檢測模塊

2.2.4 溫度檢測模塊

DS18B20是單總線數(shù)字溫度計芯片，溫度測量范圍從-55℃至+125℃[9]。DS18B20使用方便，單片機(jī)和DS18B20也僅需連接一條數(shù)據(jù)線，DS18B20所需的電源為5V。與傳統(tǒng)的溫度測量方式不同，DS18B20的溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果可直接從數(shù)據(jù)線讀出，在-10℃至+85℃測量精度可達(dá)0.5℃。因此，本設(shè)計選用DS18B20進(jìn)行溫度信號采集。溫度檢測模塊如圖6所示。

圖6 溫度檢測電路

2.2.5 顯示模塊電路

本設(shè)計要求顯示模塊需顯示2行內(nèi)容信息，每行有16個字符。本設(shè)計由于需要設(shè)置手機(jī)號碼、溫度和煙霧三個參數(shù)，因此設(shè)置界面設(shè)計3行內(nèi)容。此電路通過并行連接，所需元器件少，傳輸速度快。在程序設(shè)計中對LCD1602顯示模塊每次進(jìn)行讀寫操作前，均需讀、寫檢測，以確保STA7為低電平。設(shè)計中顯示模塊電路如圖7所示。

圖7 LCD1602顯示電路

2.2.6 獨立按鍵控制電路

獨立按鍵模塊由5個按鍵組成，S1用于設(shè)置是否手動控制，可控制繼電器工作狀態(tài)；S2作為選擇進(jìn)入顯示界面或者設(shè)置界面的確定按鍵；S3選擇設(shè)置界面下的手機(jī)號碼、溫度和煙霧參數(shù)；S4是在設(shè)置界面中的手機(jī)號碼、溫度和煙霧的加數(shù)值；S5為設(shè)置相應(yīng)參數(shù)的減數(shù)值。獨立按鍵模塊電路如圖8所示。

圖8 獨立按鍵控制電路

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用的C語言編程設(shè)計，系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為主程序和子程序設(shè)計。首先在“Main”函數(shù)中主程序會進(jìn)行一系列模塊工作的初始化，通過模塊化設(shè)計方式完成系統(tǒng)的功能實現(xiàn)，模塊部分主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、GSM串口模塊控制、煙霧溫度模塊控制、顯示控制、按鍵控制電路和繼電器通斷控制等。通過軟件主程序調(diào)用各模塊的子程序并初始化，即可在主程序中實現(xiàn)總體控制功能。

3.1 主程序設(shè)計

主程序是控制系統(tǒng)程序的主要組成部分，整個的控制系統(tǒng)的軟件功能都是通過主程序來實現(xiàn)的，主程序可通過程序初始化、調(diào)用相關(guān)子程序函數(shù)和中斷服務(wù)程序來綜合完成。主程序設(shè)計思路是首先進(jìn)行初始化，初始化過后，各個模塊開始正常工作；再判斷是否環(huán)境中有超過設(shè)定的溫度、煙霧濃度閾值；最后根據(jù)判斷發(fā)送報警短信，通知用戶當(dāng)前環(huán)境中的溫度、煙霧信息。主程序流程如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

3.2 主要的子程序設(shè)計

3.2.1 串口通信程序設(shè)計

主程序進(jìn)行初始化后便開始運行GSM模塊。首先定義各項參數(shù)以及初始化各相關(guān)模塊，調(diào)用數(shù)據(jù)處理程序，然后將數(shù)據(jù)實時存儲在寄存器中。若GSM處于工作狀態(tài)，此時有誤撥電話打入，單片機(jī)通過串口發(fā)送ATH指令控制GSM模塊自動掛斷電話。若單片機(jī)監(jiān)測到溫度，煙霧濃度超過設(shè)置的閾值，單片機(jī)通過串口向GSM模塊傳輸信息并發(fā)送短信到手機(jī)實現(xiàn)遠(yuǎn)程報警。串口通信程序流程如圖10所示。

圖10 GSM串口通信程序流程圖

3.2.2 溫度檢測程序設(shè)計

控制系統(tǒng)主程序經(jīng)過初始化后，判斷是否檢測到溫度傳感器發(fā)出的溫度轉(zhuǎn)換命令和讀溫度指令，若接受到相應(yīng)指令，即調(diào)用相關(guān)的子程序并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以完成溫度測量及數(shù)據(jù)顯示功能。溫度檢測流程如圖11所示。

圖11 溫度檢測程序流程圖

3.2.3 顯示程序設(shè)計

本系統(tǒng)可實現(xiàn)煤氣泄漏及火災(zāi)實時報警的功能，另外也可實時顯示溫度及煙霧濃度數(shù)據(jù)信息在LCD顯示屏上。首先初始化成功會顯示“GSM INIT”即GSM模塊工作正常，然后在設(shè)置界面顯示相應(yīng)設(shè)置信息，最后在顯示界面顯示已經(jīng)設(shè)置的參數(shù)閾值。顯示程序設(shè)計如圖12所示。

圖12 顯示程序流程圖

4 實驗測試及分析

整個系統(tǒng)設(shè)計完成后，為測試系統(tǒng)是否符合設(shè)計要求，需要測試與分析系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本系統(tǒng)的調(diào)試主要包括串口通訊模塊和硬件調(diào)試與分析。

4.1 串口通訊模塊調(diào)試

在調(diào)試GSM串口通訊模塊中，首先，通過電腦GSM調(diào)試專用工具發(fā)送AT指令給模塊實現(xiàn)通信，以此測試出廠信息。其中，可測試設(shè)備類型，設(shè)備序號等，均回顯“OK”信息，則說明GSM模塊正常工作，測試結(jié)果如圖13(a)所示。其次，測試GSM模塊能否正常發(fā)送短信功能。根據(jù)人為制造的模擬溫度煙霧濃度變化，且變化超過已經(jīng)設(shè)定的溫度煙霧濃度閾值，此時測試環(huán)境中溫度煙霧模塊與設(shè)計的系統(tǒng)測試結(jié)果一致。在此測試過程中，若GSM模塊會發(fā)送短信到設(shè)置的用戶手機(jī)，則說明GSM正常發(fā)送短信，測量結(jié)果如圖13(b)所示。從測試結(jié)果看，裝置測試的數(shù)據(jù)符合設(shè)計要求。

(a)

(b)圖13 GSM模塊調(diào)試圖

4.2 硬件調(diào)試與結(jié)果分析

根據(jù)系統(tǒng)串口通訊模塊測試，結(jié)合系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行總體功能調(diào)試，即驗證系統(tǒng)軟硬件綜合運行是否正常，主要包括GSM通信、溫度檢測、煙霧檢測、熱釋電傳感、按鍵模塊和顯示等。將電路板制作完成以后，需要逐一對其模塊功能進(jìn)行調(diào)試，以及對出現(xiàn)的故障進(jìn)行排除，設(shè)計與制作的系統(tǒng)實物圖如圖14所示。

調(diào)試過程中，首先對溫度模塊進(jìn)行測試，通過外部環(huán)境模擬溫度變化的情況，利用獨立按鍵將裝置調(diào)至測試溫度的模式。測試結(jié)果如圖14所示，其中溫度為26℃。經(jīng)過對照測量，此數(shù)據(jù)符合系統(tǒng)設(shè)計要求。再測試煙霧模塊，在室內(nèi)無煙霧氣體，模擬煙霧濃度變化的情況。LCD顯示屏顯示煙霧濃度的界面，從測試結(jié)果看，其中煙霧濃度為0，記錄的溫度數(shù)據(jù)符合設(shè)計要求。

圖14 實物圖

5 結(jié)論

本系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為主控制器進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)了對工廠火情、家庭煤氣泄漏等進(jìn)行自動監(jiān)測并自動報警的功能。本研究中設(shè)計了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，并對硬件電路的掉電存儲模塊、顯示模塊、溫度和煙霧檢測模塊、通訊模塊以及獨立按鍵電路模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計與分析。通過主程序的初始化及調(diào)用相關(guān)函數(shù)實現(xiàn)控制系統(tǒng)的軟件功能，并設(shè)計了系統(tǒng)的顯示程序、溫度檢測程序、串口通信模塊程序等子程序流程圖。最后通過實驗測試與結(jié)果分析可得，該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集與顯示，且可實現(xiàn)智能化遠(yuǎn)程報警功能。該系統(tǒng)的工作能基本滿足設(shè)計需求，可起到減少財產(chǎn)損失和保障生命安全的目的。