无线模式下火灾报警单片机系统研发

　　摘要：针对传统的有线报警系统存在误报、灵活性差和安全性及稳定性较差等问题。采用NRF24L01无线模块, 设计了基于AVR单片机的无线火灾报警系统。该报警系统由两部分组成, 分别为发射检测端和接收端。当有安全隐患时, 如温度过高并超过阀值时, 发射端通过NRF24L01无线模块发送隐患信息到接收端, 接收端进行声光报警用来提示有安全隐患产生, 同时利用GSM模块发送短信通知相关人员进行检查。测试结果表明, 基于NRF24L01的无线火灾报警系统稳定性更强, 可以广泛应用于现代建筑等领域。

　　关键词：无线; NRF24L01; GSM模块; 报警;

　　Abstract：To deal with problems such as wrong alarm, low flexibility and security and poor stability in traditional alarm systems, a wireless fire alarm system based on AVR Microcontroller is designed.The alarm system is made up of two parts: the emission testing end and the receiving end.The emission testing uses temperature sensors, flame sensor and co sensor to detect the interior situation.When there are safety concerns, for example, the temperature is too high and exceeds the threshold, the transmitting terminal sends the hidden hazard information through the wireless module NRF24L01 to the receiver.The receiver then gives audible and visual alarm to indicate potential safety hazard, and uses the GSM module to send SMS to remind relevant personnel to make a check.Test results show the wireless fire alarm system based on NRF24L01 is more stable and can be widely used in modern buildings.

　　Keyword：wireless; NRF24L01; GSM module; alarm;

　　随着科学技术的迅速发展, 人们的生活水平不断提高, 在社会发展的同时, 带来了巨大的火灾隐患。楼层越来越高, 越来越密集, 防范措施差;一旦发生火灾, 便会造成巨大的损失[1]。面对传统有线通信存在可靠性和安全性的问题, 而传统无线报警系统又受到报警频段资源不足的限制, 以及其辅助设备安装构架的限制, 因此报警系统必须要有新的突破, 才能适应时代的需求。随着现代化科学技术、电子技术和智能化技术的发展, 为无线火灾报警系统的研究提供了大量的技术支持, 加速了无线火灾报警系统的研制步伐[2]。无线火灾报警系统省去了复杂的布线, 可更迅速及时地发现隐藏的火灾早期特征, 采用无线传输的方式及时准确地将火灾信息传输给消防部门, 可将火灾带来的生命及财产损失降到最低限度[3]。目前, 市场上应用于无线通信的网络有很多, 但性能稳定且可靠的无线报警系统较少, 因此本文提出了使用GSM网络构建无线报警系统的方案[4]。

　　1、系统硬件设计

　　本文研究的系统主要用于温度、一氧化碳、火焰采集、采用无线传输和液晶显示[5]。系统包括无线传输模块、GSM短信报警模块、声光报警模块以及液晶显示模块。系统的硬件设计主要包括发射端硬件模块设计和接收端硬件模块设计, 该系统的核心处理器选用的是AVR单片机, 温度采集使用的是DS18B20, 无线传输模块采用的是NRF24L01[6]。

　　1.1、系统整体硬件设计

　　本系统的设计分为接收端和发射检测端, 发射检测端利用传感器技术, 检测所处环境的物理信号转化为数字信号传给单片机处理显示并利用无线模块发送出去[7]。接收端主要有无线模块、GSM模块以及报警电路等, 主要功能是实现报警和通知相关人员。系统整体结构框图如图1所示。

图1 系统整体结构图

　　1.2、发射端硬件设计

　　发射端的主要功能是检测火灾的异常信号, 并且能成功发射数据到接收端, 该端的组成有温度采集模块、无线发射模块、一氧化碳检测传感器、火焰传感器和液晶显示模块[8]。发射端主要采用NRF24L01发射模块, 发送由温度传感器、火焰传感器和一氧化碳传感器采集的数据[9]。在发射端的温度检测模块中, 本次设计采用了DS18B20温度传感器作为检测温度的器件, DS18B20数字温度传感器接线方便, 封装成后可应用于多种场合, 如管道式, 螺纹式、磁铁吸附式和不锈钢封装式, 型号多种多样, 有LTM8877, LTM8874等等[10]。发射端的火焰检测本系统选用了一个火焰传感器模块, 该模块可以检测火焰或者波长在760~1 100 nm范围的光源, 并且灵敏度可调。工作电压3.3~5 V, 输出形式有两种, 一种是模拟量电压输出, 一种是数字量输出。本设计采用的数字量输出, 直接检测电平的高低, 当有火源时, 数字量输出是低电平;没有火焰时, 数字量输出是高电平[11]。发射数据时, 应该首先将NRF24L01配置为发射模式。发射端结构框图如图2所示。

图2 系统发射端结构框图

　　1.3、接收端硬件设计

　　接收端的主要功能是接收发射端发射过来的数据, 按键设置温度报警阀值, 若有火灾异常实现声光报警和短信报警及时通知相关人员[12]。该端的组成有无线发射模块, 液晶显示模块、GSM短信报警模块、声光报警模块和按键输入模块[13]。本次设计采用了NRF24L01作为本次发射无线信号的模块, NRF24L01是一款工作在2.4GHz的国际通用ISM免申请频段GFSK调制的无线数传芯片。最高发射功率0 d Bm, 接收灵敏度为-85 d Bm, 支持125个通讯频率。使用增强型的Enhanced Shock BurstTM传输模式, 支持6个数据通道 (共用FIFO) 。支持1 Mbps和2 Mbps的空中数据传输速率。使用SPI接口与MCU完成数据通讯与通讯控制等功能[14]。无线收发器包括:频率发生器、增强型“Schock Burst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置[15]。GSM模块采用的华为的GTM900模块, 该模块芯片有40引脚, 而本文系统只使用到TXD一个引脚, 用来传输数据进行短信的发送。接收端端结构框图如图3所示。

图3 接收端结构图

　　2、系统软件设计

　　2.1、发射流程

　　系统上电后, 单片机对端口进行初始化, 初始化端口后对无线模块, 温度传感器及液晶进行初始化, 初始化结束后, 系统进入不断扫描状态, 对物理温度实现转化为16位二进制数, 液晶进行显示温度并将二进制数装入发送缓存中, 无线模块对缓存中的数据进行发射, 若火焰传感器或一氧化碳传感器有报警, 系统会将相应的报警标志位装入发送缓存中, 无线模块也将报警标志位发射出去, 以供接收端进行报警的验证。流程图如图4所示。

图4 发射端流程图

　　2.2、接收流程

　　系统上电后, 单片机对端口进行初始化, 初始化端口后对无线模块、GSM模块及液晶进行初始化。初始化结束后, 系统进入不断扫描判断状态, 对无线模块的接收标志位进行判断, 若有数据成功到来, 发射来的数据装入缓存, 将缓存中的温度16位二进制数据进行提取, 提取后进行温度显示, 并判断是否超过阀值。若超过阀值, 进行声光报警及GSM报警, 同样提取火焰传感器和一氧化碳传感器的报警标志位, 提取后进行判断。判断是否有异常, 若有异常同样进行声光和GSM报警的通知[16]。系统通过按键可以更改温度报警的阀值, 也可以关闭系统进行报警, 接收端流程图如图5所示。

图5 接收端流程图

　　2.3、温度检测模块设计

　　温度传感器在每次取数据之前都要运行函数ReadyRead Temp (void) , 该函数是做读数据准备的函数。其主要功能是初始化DS18B20, 跳过读DS18B20序列号的操作, 启动温度转换该函数。该函数运行后就可以取16位温度数据出来。

　　2.4、报警短信设计

　　报警短信是通过单片机的串口向GSM模块写数据而发送的, 因为要使用到串口发送数据, 为了使数据差错率为0, 本次设计选用了11.059 2 MHz的晶振, 而并没有使用内部自带的晶振[17]。AVR单片机的串口在上电后也要进行一次初始化, 初始化功能是配置波特率、停止位、数据位以及奇偶校验位等。配置的寄存器为UCSRC寄存器, UC-SRC为串口控制状态寄存器, 本次系统设置的波特率为9 600, 停止位1位, 数据位8位, 无奇偶校验位。

　　短信的发送分为4步, 第1步发送握手指令, 第2步通知GSM模块要发送的模式, 第3步通知GSM发送的长度, 第4步发送短信内容。

　　首先要和GSM模块进行握手, 初始化串口后, 就可以和GSM进行握手[18]。握手指令是发送AT指令进行握手, 通过发送字符串函数send_string (char*s) 到串口。发送中文短信时, 就必须发送AT+CMGF=0指令到串口, 通知下面发送的是PDU短信, 即中文短信。发送的中文内容需要通过软件转化为Unicode代码, 而且要知道GSM所插卡的中心号码, 通过长度计算得出所发的短信内容长度是39, 所以发送指令AT+CMGS=39, 下一步即是发送的Unicode代码, 到此短信会成功发送出去。

　　3、系统性能测试

　　本系统在正常环境温度下对数据进行测试, 所用电子温度计的型号为BT-11, 精确度为0.1°C。测试结果如表1所示。

　　从上面的数据可以看出, 发射端检测温度和真实温度相差毫厘, 最大误差不超过0.5°C, 平均误差率为1.1%, 而接收端和发射端显示数据完成的一致, 所以作为该系统的温度检测模块, 完全可以胜任检测工作。

表1 测试数据表

　　4、结束语

　　由于火灾报警系统对现代建筑起着极其重要的安全保障作用, 研制火灾报警系统具有一定的社会价值。针对于之前有线报警系统的缺陷, 对火灾报警系统进行了深入的分析, 设计了可以及时检测报警信号及报警的系统, 该报警系统能接收、显示和传递火灾报警信号, 解决了有线火灾报警系统不能解决的问题。

　　本系统是基于无线模式下的火灾报警系统, 该系统对温度, 火焰、一氧化碳进行检测, 在火灾前期完全能做好检测工作。火灾无线传感器硬件和软件平台的设计对于整个系统的开发与应用至关重要, 作为整个系统的底层支持, 其必然向微型化、高度集成化、网络化、节能化和智能化的方向发展。近几年, 随着计算机成本下降和微处理器体积缩小, 开发和构造火灾智能无线报警系统将有广阔的应用前景。

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