基于MSP430和MQ2傳感器的遠(yuǎn)程煙霧報警系統(tǒng)

　　大部分火災(zāi)的發(fā)生是由于在火災(zāi)初期沒有及時采取應(yīng)急防火措施，如果能夠有效檢測異?；鹈缁蛘邭怏w并及時報警采取措施，就能大大降低火災(zāi)對人類的威脅。設(shè)計了煙霧報警系統(tǒng)，能使外出的人及時收到家中的報警信息。該系統(tǒng)由24 V直流電源供電，使用低功耗單片機(jī)MSP430F5529搭載靈敏度高、可靠性好、價格低廉的煙霧傳感器MQ2實(shí)現(xiàn)煙霧監(jiān)測，并通過GSM模塊SIM900A對報警信息進(jìn)行無線遠(yuǎn)距離傳輸。經(jīng)測試，系統(tǒng)能夠在7~10 s內(nèi)將警報通知到用戶，這對減少火災(zāi)引起的損失起到了十分關(guān)鍵的作用。

　　引言

　　隨著社會節(jié)奏加快，住宅往往處于長期無人的狀態(tài)，全國每年因居住場所無人而引發(fā)的火災(zāi)逐年增多，造成了巨大的財產(chǎn)損失。煙霧傳感器是一種典型的火災(zāi)監(jiān)測傳感器，它能夠?qū)⒖諝庵挟惓怏w的濃度或者火焰光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成電信號。傳統(tǒng)的煙霧報警器只能夠在檢測到火災(zāi)的情況下發(fā)出警報聲響，傳播距離短，有很大的局限性。本文利用低功耗單片機(jī)MSP430將煙霧傳感器MQ2的模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，一旦檢測到異?；瘜W(xué)氣體超標(biāo)便通過GSM網(wǎng)絡(luò)將警報信息以短信或電話的形式告知遠(yuǎn)方的用戶，系統(tǒng)反應(yīng)迅速并且成本低廉。

　　1系統(tǒng)硬件架構(gòu)

　　圖1展示了遠(yuǎn)程煙霧報警系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，整個系統(tǒng)由6個模塊構(gòu)成，分別是電源模塊、傳感器模塊、邏輯控制模塊、顯示模塊、GSM通信模塊和手機(jī)接收端。

　　1.1煙霧傳感器MQ-2

　　火災(zāi)傳感器按原理可以分為熱傳感器、光電子傳感器、離子傳感器、空氣采樣監(jiān)測器、半導(dǎo)體氣體傳感器和火焰?zhèn)鞲衅?。其中，熱傳感器正確率高但反應(yīng)速度慢，光電傳感器、離子傳感器和空氣采樣檢測器主要在特殊環(huán)境中發(fā)揮作用，火焰?zhèn)鞲衅魍ㄟ^檢測光的波長來監(jiān)測火災(zāi)和爆炸，可靠性高，反應(yīng)速度極快，但是價格昂貴。本文采用的傳感器MQ2屬于半導(dǎo)體氣體煙霧傳感器，火災(zāi)現(xiàn)場產(chǎn)生的煙霧及氣體與傳感器中的半導(dǎo)體材料二氧化錫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成表面勢壘降低，材料的導(dǎo)電性能顯著提高，通過外圍電子電路檢測這種變化能夠準(zhǔn)確發(fā)出火災(zāi)警報［2］。MQ2傳感器體積小、易安裝、安全性好，非常適合檢測液化石油氣、甲烷、丙烷、酒精、一氧化碳等可燃?xì)怏w引起的火災(zāi)。圖2所示的是MQ2的工作原理圖，傳感器輸出的模擬電壓與滑動變阻器的預(yù)設(shè)電壓值一同輸入比較器，當(dāng)傳感器輸出電壓超過預(yù)設(shè)值，比較器輸出低電平，點(diǎn)亮LED燈。

　　1.2電源模塊

　　考慮到GSM模塊在搜索網(wǎng)絡(luò)與接收發(fā)送短消息的功率比較大，因此本系統(tǒng)使用24 V直流供電，通過DC/DC芯片LM2596將24 V轉(zhuǎn)換成5 V為GSM提供充足的電能［3］。通過LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）芯片AMS1117將5 V電源轉(zhuǎn)換成3.3 V為MCU提供穩(wěn)定且紋波低的工作電壓。圖3展示了DC/DC電源的工作原理圖，其中的續(xù)流二極管D6選擇肖特基快速整流管1N5825，最大電流可達(dá)5 A。反饋端的電阻R6與R5需要選擇1%的精密電阻，電感L2的DCR（直流電阻）越小越好，一般選擇在0.03 Ω左右即可，電容C10、C8的ESR（等效串聯(lián)電阻）對輸出電壓的紋波起著關(guān)鍵作用，ESR越低，電源的紋波越小，一般ESR在幾毫歐附近即可。

　　1.3MCU與顯示模塊

　　整個系統(tǒng)并不需要實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的邏輯算法，因此選擇超低功耗的單片機(jī)MSP430F5529，該MCU內(nèi)部有一顆16位的RISC CPU，此外還集成了4個16位定時器和1個高性能的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器［4］，可以用來采集MQ2輸出的模擬信號量。為了方便人機(jī)交互，本系統(tǒng)使用了一款102×64像素的LCD顯示屏來顯示一些必要的系統(tǒng)信息，它與MCU通過SPI總線進(jìn)行通信，圖4展示了它們的連接圖。其中的TPS75105為液晶屏的恒流源驅(qū)動，支持使用PWM來調(diào)節(jié)液晶的背光亮度。圖4MCU與液晶屏的連接圖∶

　　1.4GSM模塊

　　SIM900A是目前市面上比較通用的一款GSM通信模塊，它有兩個工作頻段，分別是EGSM 標(biāo)準(zhǔn)的900 MHz和DCS 標(biāo)準(zhǔn)的1 800 MHz。它的功耗很低，在睡眠模式下僅消耗1 mA的電流［5］。圖5所示是SIM900A的工作原理圖，通過長按開關(guān)機(jī)鍵可以強(qiáng)制GSM模塊開機(jī)或者關(guān)機(jī)，在開機(jī)瞬間，SIM900A需要非常大的驅(qū)動電流，一旦搜索到信號便會穩(wěn)定下來，需要的電流也會大幅下降，這種特性對電源要求比較嚴(yán)苛，可以為SIM900A的電源引腳并聯(lián)一個大電容，使其平滑開機(jī)過程中的電流脈沖。SIM900A通過串口與MCU進(jìn)行通信，波特率通常選擇為9 600 b/s。MCU使用標(biāo)準(zhǔn)的AT指令來配置GSM模塊，并完成發(fā)送短信警報的功能。、

　　2系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　如圖6所示，系統(tǒng)上電后，SIM900A模塊開機(jī)，MCU完成初始化，通過串口發(fā)送AT指令給SIM900A模塊使SIM900A初始化，配置SIM900A進(jìn)入中文短信發(fā)送模式。當(dāng)煙霧傳感器檢測到異常，其輸出的模擬信號電壓超過了設(shè)定的閾值，比較器輸出端會產(chǎn)生一個下降沿，觸發(fā)MCU的外部中斷，MCU將立即發(fā)送AT指令及報警短信的編碼數(shù)據(jù)給SIM900A模塊。

　　2.1MCU初始化

　　MCU一上電默認(rèn)開啟看門狗，為了測試方便，主程序中首先將看門狗關(guān)閉，接著配置系統(tǒng)時鐘至24 MHz，設(shè)置好外部中斷并打開全局中斷，初始化液晶顯示屏，打開背光燈，調(diào)整好對比度。最后，將MSP430的串行通信接口圖5SIM900A工作原理圖、

　　USCI配置成UART模式，波特率為9 600 b/s，禁止奇偶校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)格式，1位停止位，發(fā)送和接收低位優(yōu)先。通過串口發(fā)送ATI指令，SIM900A如果工作正常會返回設(shè)備信息和“OK”。

　　2.2SIM900A搜索設(shè)備運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)

　　發(fā)送指令“AT+COPS”，如果成功則會收到“+COPS：0，0”、“CHINA MOBILE”和“OK”的回復(fù)信息，其中CHINA MOBILE表示中國移動運(yùn)營商，不同運(yùn)營商的SIM卡會返回不同的字符串。程序通過檢測接收字符串中是否包含OK字樣來判斷是否成功搜索到運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)。

　　2.3SIM900A獲取信息中心號碼

　　信息中心號碼是一種短信息服務(wù)器，各個地區(qū)都有自己的信息中心號碼，例如蘇州短信中心號碼為8613802001500。短信的收發(fā)必須交由信息中心進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)才能成功發(fā)送，所以獲取本地信息中心號碼十分關(guān)鍵。通過發(fā)送“AT+CSCA？”可以獲取信息中心的號碼。