检测可燃气体远程防火报警系统的设计与研究

陈东升

【摘 要】本远程防火报警系统采用MQ-2可燃气体传感器监测各个房间内的可燃气体，经过主控模块ATmega8单片机进行数据处理，当超过阈值时通过nRF24L01无线射频模块将报警信息发送给家庭内部的监控设备，通过液晶显示报警地点；同时通过GSM模块TC35将报警信息发送给目标手机号码，实现远程的自动短信报警。

【关键词】远程防火报警；单片机；气体监测；nRF24L01；GSM模块

一、引言

本远程防火报警系统采用近几年来成熟的各种传感器技术、短距离无线通信技术、GSM网络技术、数据处理控制技术和功能化模块来构造其基本的系统功能。

系统的功能往往决定了系统采用的结构，本系统要实现家庭火灾、煤气泄漏的监测以及本地、远程报警等功能，因此系统的总体结构可以构想为可燃气体监测主控设备、本地监控报警设备两大部分。主控设备主要用于家中可燃气体的监测以及报警信息的发送，本地监控报警设备主要用于实现家中的报警信息提示，两者共同完成可燃气体的监测以及本地、远程自动报警。

二、远程防火报警系统方案构想

根据本文上章确定的系统方案构想，本章进行系统硬件电路的具体设计，系统由可燃气体监测主控设备与本地监控报警设备组成，其相应的结构框图如图所示。

可燃气体监测主控设备结构框图

可燃气体监测主控设备由MQ-2可燃气体传感器模块、无线数据传输模块nRF24L01、GSM模块TC35、主控模块ATmega8单片机以及电源模块等部分组成。本地监控报警设备由无线数据传输模块nRF24L01、12864液晶显示模块、主控模块ATmega8单片机以及电源模块等部分组成。整个系统的工作原理是采用MQ-2可燃气体传感器监测各个房间内的可燃气体，经过主控模块ATmega8单片机进行数据处理，当超过阈值时通过nRF24L01无线射频模块将报警信息发送给家庭内部的监控报警设备，通过液晶显示报警地点；同时通过GSM模块TC35将报警信息发送给目标手机号码，实现远程的自动短信报警。

三、可燃气体检测电路

可燃气体检测电路由可燃气体、烟雾传感器MQ-2组成，该传感器具有双路信号输出，模拟量输出及TTL电平输出，在本系统中采用TTL电平输出，当测量浓度大于设定浓度时，输出高电平给单片机，实现报警。MQ-2传感器工作原理图如图所示：

MQ-2传感器工作原理图

四、nRF24L01的工作原理

nRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只9mA；接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。nRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。

五、TC35模块功能实现

TC35模块从功能上看主要由4部分组成：GSM基带处理器、GSM射频部分、电源A-SIC（Application Specific Integrated Circuit）、Flash。GSM基带处理器是整个模块的核心，它由一个C166CPU和一个DSP处理器内核控制着模块内各种信号的传输、转换、放大等处理过程。GSM射频部分是一个单片机收发器SMARTi，它由一个外差式接收器、上变频调制环路发送器（upconversion modulation loop transmitter）、一个射频锁相环路和一个全集成中频合成器4个功能块组成，共同完成对射频信号的接受和发送等处理。GSM模块电流变化非常大，空闲时电流小于3.5mA，而在通话期间电流最大可达2.3A，这就对供电电路提出了较高的要求。GSM模块电源ASIC部分使用线性电压调节器把外部输入的电源电压Vbatt+进行稳压处理后供GSM基带处理器和GSM射频部分使用，此外它还输出一个2.9V/70mA的电压供模块外的其他电路使用。GSM射频部分的功率放大器对电源电压要求不高，所以直接使用外部的输入电压Vbatt+。Flash用来存储一些用户配置信息、电话本和其他信息。

六、主控处理模块

本系统经过各种MCU的选择对比，选定了ATMEL公司的ATmega8单片机作为系统的主控模块芯片。

ATmega8 有如下特点：8K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，23 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器（T/C），片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP 封装） 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。 工作于空闲模式时CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止CPU 和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。

ATmega8是以Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash 允许程序存储器通过ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区（ApplicationFlash Memory）。在更新应用Flash存储区时引导Flash区（Boot Flash Memory）的程序继续运行，实现了RWW 操作。 通过将8 位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C 语言 编译器、宏汇编、 程序调试器/ 软件仿真器、仿真器及评估板。

本地监控报警设备主要用于实现家中的报警信息显示。系统上电后，首先进行一系列的系统初始化，包括I/O端口初始化、nRF24L01初始化、液晶模块初始化等；然后进入自检程序，不断检测nRF24L01是否收到数据，如果有，则进行数据处理后将相应的报警信息通过12864液晶模块进行显示。

七、结论

本课题研究与设计的远程防火报警系统利用GSM网络覆盖广、信号稳定、保密性好、数据传输量大、可以把现场采集到的信息及时传输到远端的特点，将GSM与火灾报警器结合起来，证明了远程火灾报警的可行性。该远程防火报警系统改善了传统火灾报警在无人情况下报警无效的不足，更有利于消防工作的快速进行。

参考文献：

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