家庭厨房安全综合报警系统

王觅蕤，马维金，万晓飞

（中北大学 机械工程与自动化学院，山西 太原030051）

煤气或天然气泄漏导致的火灾和窒息越来越多[1]，普通报警装置只能发出声音等信号提醒，或者产生臭氧中和一氧化碳或者甲烷，前者的缺点是人可能不在家里，后者的缺点是，中和是速度赶不上气体泄漏的速度，无法根本解决问题。本装置采用双重报警模式，一方面当发生气体泄漏或发生火灾时，主动关闭燃气阀门，打开排气扇排除易燃气体或打开自动喷水系统灭火，另一方面短信告知住户并发出报警声。

1 系统原理

系统原理图如图1所示，系统主控制器选用AVR系列单片机完成，气体传感器是测一氧化碳或者烷烃气体的，火焰传感器是测试是否有火焰的，笔者在房间里用上述两种传感器组网，从而实现房间的无缝测试，组网示意图如图2所示。家庭厨房安全综合报警系统通过使用多路模拟开关对各组网的传感器实现逐次动态扫描，从而得到各传感器的动态数据，以此判断房间是否发生火灾或一氧化碳、烷烃气体的泄漏，以及在什么地点发生。一旦确定发生什么危险以及发生的地点，单片机会自动通过报警器和GSM通知房间的主人，并且自动产生相应动作，如打开喷水器、关闭煤气开关和打开排气扇等。

2 硬件设计

图1 系统原理图Fig.1 Diagram of system principle

图2 传感器组网示意图Fig.2 Diagram of sensor network

2.1 传感器模块

2.1.1 气体传感器

本装置采用的是MQ-2型气敏器件，灵敏度高，探测原理为：传感器内部有电离室，里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。在正常的情况下，电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有气体或烟雾进入电离室。干扰了带电粒子的正常运动，破坏了电离室之间的平衡，电流、电压就会有所改变。检测精度如表1所示。

表1 MQ-2型传感器的探测精度Tab.1 The detection accuracy of the MQ-2 Sensor

2.1.2 火焰传感器

远红外火焰传感器能够探测到波长在700～1 000 nm范围内的红外光，探测角度为60°，其中红外光波长在880纳米附近时，其灵敏度达到最大。远红外火焰探头将外界红外光的强弱变化转化为电流的变化，通过A/D转换器反映为 0～255范围内数值的变化。外界红外光越强，数值越小；红外光越弱，数值越大。

2.2 硬件电路设计

2.2.1 单片机模块

本系统选择AVR系列单片机，考虑到需要I/O资源较多，所以选择AVR128系列单片机。该单片机具有高性能，低功耗，RISC精简指令集架构，效率高，提供2路8位PWM，8路10位ADC，53个可编程I/O口线，数据吞吐量可达 1 MIPS/MHz，完全符合本系统对I/O接口数量和速度的要求[2]。

2.2.2 GSM模块

本装置的GSM模块采用Siemens公司的TC35i模块。该模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口6部分组成，该模块高度集成，支持双频900 MHz和1 800 MHz，支持语音、数据、短消息和传真服务，功耗低。其中GSM基带处理器是核心部件，它的作用相当于一个协议处理器，用于处理外部通过串口发过来的AT指令[3]。

图3 单片机和TC35i的连接Fig.3 Connection of MCU and TC35i

TC35模块与单片机的连接方式如图3所示，单片机与TC35i的链接需要一个RS232电平转换芯片来进行电平转换，系统中用到的引脚只有电源输入，接地，数据输入和输出，系统采用三线制：RXD、TXD、GND。TC35上电10 ms后，为了使之正常工作，必须在15引脚施加低电平信号，至少保持100 ms且下降沿时间小于1 ms，启动后15引脚应保持高电平。TC35i的数据接口采用串行异步收发，符合RS-232接口电路标准，工作在CMOS电平[4]。

2.2.3 继电器

报警系统的继电器设有指示灯，集成动态指示灯，可显示继电器开合状态，设有续流二极管起保护作用，最高可接250 V/3 A的交流或30 V/3 A的直流设备，只要给继电器一个高电平，继电器就吸合，可以用来控制电磁阀和排气扇。电磁阀选用220 V的低功耗产品，6分管，水气均可，可直接接在继电器上。继电器电路如图4所示，D1为一反接的二极管，负极接在VCC5 V上，正极一端接NPN三极管Q1的集电极上，D2为发光二极管，负极接在NPN三极管Q1的集电极上，正极一端接VCC5 V上，三极管Q1基极接单片机控制端，射极接电阻R3后接地，当单片机控制端提供高电平时，Q1的集电极和射极导通，则二极管D1两端有5 V的压差，可以提供电源[5]。利用此原理，可以利用此电路做电源控制电路，从而达到对器件的控制。D1两端为电压输出端，二极管负极为所提供电源的正极。随着三极管的开启和关闭，D2实现当继电器开时发光，关闭时熄灭。

图4 继电器驱动电路Fig.4 Drive circuit of relay

2.2.4 模拟开关

模拟开关常用的芯片有 MAX456、CD22M 3494、CD405l等，而Intersil的CD22M3494由于容量大(16路入8路出)、价格低和指标高而广泛被采用[6]。因此，本系统也选用CD22M3494。在一个12㎡的房间里大概需要两种传感器各12个，如图5所示，系统将所有火焰传感器分在一组，把所有气体传感器分为另一组，因此，模拟开关分为两路，一路是连接所有火焰传感器的，信号由 3494（1）输入 3494（3）后到达单片机，它有12个通道；另一路是连接所有气体传感器的，信号由3494（2）输入 3494（3）后到达单片机，它也有 12 个通道；3494（1）和 3494（2）由3494（3）输入单片机，单片机控制模拟开关循环输出每一路。

图5 模拟开关分级示意图Fig.5 Diagram of Classification of analog switch

3 软件设计

3.1 短信收发的实现

TC35模块能实现中英文信息的收发，最小速率1.2 kbit/s，最大速率115 kbit/s，目前的大多数手机都支持GSM的AT指令集，AT指令集由诺基亚、摩托罗拉等厂家共同为GSM系统设计，包括了对短消息的控制。有3条途径可实现对SMS的控制：Block Mode、Text Mode和 PDU Mode。 其中 Text Mode最简单，基本上诺基亚都支持这种模式；大多数的西门子手机兜支持PDU Mode，PDU Mode将短信息正文经过十六进制编码后传送出去。

3.2 软件设计

如图6所示，系统启动后，先对单片机和模拟开关等其他芯片进行初始化，模拟开关3494（3）选通1路或者2路（1路全部为火焰传感器，2路全部为气体传感器），当系统选通1路时，模拟开关3494（1）按顺序选通第一个火焰传感器，AD转换完毕后保存到数组1中，关闭1路，选通2路，模拟开关3494（2）按顺序选通第一个气体传感器，AD转换完毕后也保存到数组1中，则数组1有两个元素，分别和标准值比较，若小于标准值则正常，进行下一路选通，若大于等于标准值则说明有火灾或有气体泄漏，那么，单片机控制打开排风扇和喷水管、报警、发短信到主人手机、关闭煤气阀门等。在这个过程中，单片机控制模拟开关循环上述过程。

图6 软件流程图Fig.6 Flow chart of software

4 系统实验验证

以一组传感器为例做了实验，实验平台由单片机最小系统，继电器，气体传感器，火焰传感器和模拟开关组成，分别试验了以下3种情况：

1）气体泄漏报警；

2）火焰报警；

3）火焰和气体泄漏报警。

首先，把模拟开关 3494（1）和 3494（2）设置在同一通道，然后控制3494（3）分别接通到AD数据采集。当3494（3）选通1通道时为火焰传感器信号，当3494（3）选通2通道时为气体传感器信号。Gas为气体传感器返回的值，Fire为火焰传感器返回的值，100以下为气体正常时的数值，950以下为火焰正常时的数值。然后将火焰传感器对准燃烧的蜡烛，气体传感器关闭，上位机采集到数据如表2所示，火焰传感器数值Fire则上升到800以上；再次将打火机（打开气但无火焰）接近气体传感器，火焰传感器关闭，气体传感器数值gas则上升到500以上；最后火焰传感器对准燃烧的蜡烛，同时，将打火机（打开气但无火焰）接近气体传感器，此时，气体传感器数值gas则上升到500以上，而火焰传感器数值Fire则上升到1 000附近。

经过实验得出，系统能准确地实现预定的功能，具有较高的应用价值。

图7 实验平台Fig.7 Experimental platform

表2 实验数据Tab.2 Experimental data

5 结论

笔者介绍了家庭厨房安全的监控和报警系统，由模拟开关、单片机、GSM模块以及传感器组成。在单片机程序中，实现了对模拟开关端口的实时扫描，从而进行安全类型的判断，并执行相应的动作，最后实现短信报警。经过实验验证，安全可靠，可用于家庭及工业安全报警。

[1]李庆功，伍东，谢飞，等.居民住宅火灾危险及安全防火措施探析[J].消防科学与技术，2009,28（6）：457-460.LI Qing-gong，WU Dong，XIE Fei，etal.Analysis on residential fire hazard and safety protection measures[J].Fire Science and Technology，2009,28（6）：457-460.

[2]金春林，邱慧芳，张皆喜.AVR系列单片机C语言编程与应用实例[M].北京：清华大学出版社,2003：1-200

[3]TC35i Terminal Hardware Interface Description[EB/OL].[2003-10-07].http：//www.automation.siemens.com/mcms/topics/en/siplus/extreme/add-ons/gsm-kit/Documents/TC35iT-HWDescription.pdf.

[4]TC35i AT Command Set[EB/OL].[2003-04-08].http：//mobility.siemens.pl/docs/docs_ia/TC35_AT_Command_Set.pdf.

[5]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1980：13-550.

[6]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006：23-450.