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基于单片机的宿舍智能防火报警系统设计

引言
  近年来,随着各高校规模的扩大,在校生的人数不断增长,学生宿舍的不安定因素也越来越多,如何有效地对宿舍进行监控已经成为一个亟待解决的问题。本系统正是在此基础上设计的一种智能防火报警装置。该系统是一种远程智能短信报警系统,可对学生宿舍内的火灾等不安全因素进行监控,如有警情可及时短信报警。系统自动化程度高、适用性强、电路设计可靠,有利于高校的平安校园建设。

系统的总体设计
  宿舍智能防火系统以STC89C52单片机和GSM短信模块为核心,系统总体构成包括主控STC89C52单片机、GSM移动通信模块、实时时钟电路、防火信息采集与处理模块、温度湿度检测模块和键盘显示模块等。该系统的设计是将单片机解密、电子探测和通信技术相结合,从而形成一个可靠的智能防火报警系统。
  GSM短信息模块主要提供无线短信和数据传输功能。STC89C52单片机依照GSM短信通信模块的通信协议与之进行通信,进行短信息的收发。STC89C52单片机电路接收并解释短信息指令,控制连接在系统上的各功能子模块。通过STC89C52单片机,可监测室内温度、湿度以及室内有毒气体和烟雾,在异常时按照预设的号码进行短消息报警。
  在学生宿舍需要防范的部位安装前端警情采集和控制模块。此防火报警系统在通常情况下处于撤防状态,而当学生离开宿舍时,把系统置于布防工作模式,安装在不同位置的温湿度传感器、无线气体传感器等不断地进行采集,并对从各个探测器采集来的数据进行处理。一旦宿舍发生火灾等紧急情况时,与之相对应的防火报警探测器无线发射电路启动发射,无线接收模块在接收到无线信号后向主控单片机发中断请求。主控单片机响应中断后,读出发来报警信号的传感器编码并确定是哪个传感器发现了异常,并由GSM短信模块向预先设置好的报警号码进行短信报警,报警号码可以是宿舍管理员,也可以是公安或武警消防部门,短信内容可以显示出报警的内容、具体地址及联系人等信息。

系统硬件设计
  GSM短信模块的简介与选择
    GSM(GlobalSystemforMobileCommunication)系统是目前基于时分多址技术的移动通讯体制中比较成熟、完善、应用最广泛的一种系统,GSM的短信息系统具有快捷方便、廉价的特点,为远程监控提供了一种新的技术手段。利用GSM短消息功能可以做成传输各种检测、监控数据信号和控制命令的数据通信系统,能广泛用于远程监控、个人通信终端等。手机GSM网络现在已经非常成熟,利用手机短信来实现报警、传输数据是一个非常不错的选择。
    经过综合比较,系统采用内嵌TCP/IP协议栈的GPRS模块SIM300,该模块可以实现数据传输的透明性,在应用时用户只需要通过AT指令来完成相应参数的设置,从而实现网络的互联互通。SIM300是SIMCOM公司生产的GSM/GPRS模块。该模块体积相对比较小巧,可广泛应用于远程抄表、遥控遥测、安全监控等以及其他移动数据通信系统。移动通信模块实际上是将手机的基频、中频、射频整合到一块,然后用铝合金封装,模块里面包含物理层软件和2、3层的通讯协议软件。模块必须配合相应的外围电路才可工作,如SIM卡连接电路、供电电路、RS232串口连接电路等。在SIM300的接口电路设计中选用浙江晶控电子有限公司开发的JB35G开发板,它可为SIM300移动通信模块提供一套比较完整的电路。

  STC89C52单片机
    本系统选用台湾宏晶公司生产的STC89C52单片机。STC89C52单片机是与INTELMCS-51系列单片机完全兼容的一种高性能低功耗的8位微控制器,它采用CMOS工艺制造,具有40个引脚,片内带8KB的可编程的闪存作程序存储器;片内带256字节RAM;提供32条I/O引脚,大部分引脚都可作数字和脉冲输入或输出;3个16位定时计数器,6个中断源,其中直接提供外部中断处理可使用P3.2(INT0)或P3.3(INT1);1个全双工可编程标准串行口,其引脚为P3.0(RXD)和P3.1(TXD);时钟频率可达0~24MHz;具有睡眠状态,指令系统与8031指令系统完全兼容。用STC提供的STC-ISP.exe工具可以将程序代码下载入单片机,程序烧写非常方便,故本系统采用STC89C52单片机作为主控核心。

无线传输模块设计
  传统的安全防范工程是采用有线的方式连接报警探头和防火报警主机,这种方式可靠性高,但受传输距离、布线、可变性等多种因素的制约,局限性很强,工程安装困难,因此,本设计选用一种工作频率为315MHz的无线传输模块,它采用声表谐振器稳频,频率稳定度极高。它与台湾普城公司生产的通用编解码芯片PT2262/PT2272配套使用,很方便实现无线收发的功能。该无线模块具有较宽的工作电压范围3V~12V,当发射电压为3V时,空旷地传输距离约20米~50米,发射功率较小;当电压5V时约100米~200米;当电压9V时约300米~500米;当发射电压为12V时,为最佳工作电压,具有较好的发射效果,发射电流约60毫安,空旷地传输距离700米~800米,发射功率约500毫瓦。
  PT2226/PT2272是一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码芯片。PT2262用于无线发射电路。PT2262输出的编码信号通过发射模块发射出去,并由主机这边的接收模块接收后传送给PT2272。当两者地址匹配后,PT2272执行解码,置Vt脚为高电平,数据位输出相应的数据。把传感器的输出连接到编码启动端上,当传感器检测到异常时,输出低电平,编码启动端有效,编码集成PT2262开始工作,它根据数据输入端D0~D3的电平进行编码,编码信号由:地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字。该编码信号经无线数据发射模块进行调制后经天线发射到周围的空间。

温湿度测量电路设计
  在本设计中,温湿度的检测选用瑞士SENSIRION公司生产的SHT10。SHT1x系列产品是一款高度集成的温湿度传感器芯片,提供全标定的数字输出。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件,并在同一芯片上,与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定,以镜面冷凝式湿度计为参照。校准系数以程序形式存储在内存中,在校正的过程中使用。两线制的串行接口,使外围系统集成变得快速而简单,微小的体积、极低的功耗、较强的抗干扰能力、免外围电路及全互换等特点,不仅节省了单片机的I/O口资源,简化了单片机的程序设计,还提高了测量精度,减少了系统设计成本。SHT10湿度测量范围为0~100%RH,湿度测量精度为±4.5%RH,温度测量范围为-40~123.8℃,温度测量精度为±0.4℃。

可燃气体探测器的设计
  本系统采用具有高灵敏度、高稳定性的QM-N10半导体气敏传感器探测可燃气体,它是一种采用陶瓷半导体工艺的烧结型器件。半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化—还原反应导致敏感元件阻值发生变化而制成的,气敏电阻器的阻值随着吸附气体的数量和种类而改变,也就是说非电量气体的氧化—还原反应过程导致电阻值发生变化。据此特性,人们可以从阻值的变化情况得知吸附气体的情况。

单片机与短信模块串口通信设计
  本设计的重点部分是单片机与JB35G短信模块的通信,它承担着向外报警通信功能。通常有串行通信和并行通信两种方法。串行通信是指数据字节是一位一位串行的传送,通过串行接口实现。根据信息的传送方向,串行通信可以分为单工、半双工和全双工三种。串行通信按通讯方式可分为同步通讯和异步通讯。JB35G移动通信模块的通信方式为异步通讯,所以本设计也要采用异步通讯方式,异步串行通讯规定了字符数据的传递格式,即每个数据以相同的帧格式传递,每一帧信息由起始位,数据位,奇偶校验位和停止位组成。
  STC89C52单片机有一个工作在异步通讯方式下的全双工串行口。全双工的串行通讯只需要一根输出线和一根输入线。STC89C52单片机的串口仅占用了单片机的P3.0(10脚)和P3.1(11脚),分别为接收端RXD和发送端TXD。当非串口方式工作时,这两根口线还可以作为一般的I/O口线使用。

结束语
  宿舍智能防火报警系统为宿舍安防提供了一条可行途径。鉴于宿舍防火的基本需求,本设计基于STC89C52单片机,采用成熟可靠的GSM移动网络,同时利用多传感器检测,设计了智能报警系统。本文介绍了系统的总体构成,关键模块的连接方式以及软件实现的流程图。该系统具有智能化、自动化特点,对于大学生宿舍的安全建设具有重要意义。

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