劉永濤　劉佳　李玉華　夏旭洪　劉浩　霍慶周

摘 要： 目前一氧化碳中毒和燃?xì)庑孤┮鸨ㄊ录r(shí)有發(fā)生，而現(xiàn)有的報(bào)警系統(tǒng)功能較為單一，只能采取現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警和短信提示，并且價(jià)格較高使其未能普及。針對(duì)以上情況，設(shè)計(jì)了一種基于SIM900A和STM32嵌入式處理器的燃?xì)鈭?bào)警裝置，該裝置可以檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)燃?xì)?、一氧化碳、煙霧以及溫度參數(shù)，當(dāng)檢測(cè)值高于設(shè)定值后及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，啟動(dòng)自有排風(fēng)裝置和外置的大型排風(fēng)裝置，并同時(shí)向存儲(chǔ)于SIM卡中的多組電話號(hào)碼發(fā)送短信，而后依次撥打存儲(chǔ)的電話號(hào)碼直到有人接聽，語(yǔ)音告知其危險(xiǎn)情況。裝置配備大容量鋰電池，遇到突發(fā)停電情況后可以自動(dòng)切換電源，提供持續(xù)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞： 自主排風(fēng)； 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)； SIM900A； 語(yǔ)音報(bào)警； STM32

中圖分類號(hào)： TN876?34； TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）03?0096?04

Design and implementation of voice gas alarm device based on SIM900A

LIU Yongtao， LIU Jia， LI Yuhua， XIA Xuhong， LIU Hao， HUO Qingzhou

（College of Electronic and Information Engineering， North China Institute of Science and Technology， Beijing 101601， China）

Abstract： The carbon monoxide poisoning and explosion incidents caused by gas leakage occur frequently， so only the field sound?light alarm and SMS reminder can be adopted because the function of the existing alarm system is somewhat simple. Even though it can reduce the incidents greatly， it isn′t popularized due to its high price. Aiming at the above situations， a gas alarm device based on SIM900A and STM32 embedded processor was designed. The device can detect the field gas， carbon mo?noxide， smog and temperature parameters. When the detected value is higher than the set value， the device gives the sound?light alarm， starts the internal air exhaust device and external large?scale air exhaust device， sends the short massage to the multigroup phone numbers stored in SIM card， and calls the stored phone numbers successively to notice the dangerous situation with the voice until someone answers the phone. The device is equipped with a large?capacity lithium battery， and can automatically switch the power supply and provide the continuous monitoring after the sudden power failure.

Keywords： autonomous air exhaust； real?time monitoring； SIM900A； voice alarm； STM32

0 引 言

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加快，煤氣、天然氣以及沼氣等燃料得到廣泛應(yīng)用，而這些大多是易燃易爆氣體， 一旦發(fā)生氣體泄漏， 很容易引發(fā)爆炸， 直接危害國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命安全[1]。因此，需要采取相應(yīng)的措施來減少損害?，F(xiàn)有的報(bào)警系統(tǒng)功能較為單一，只能采取現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警和短信提示，并且價(jià)格較高使其未能得到普及。

針對(duì)以上情況本文設(shè)計(jì)了一種基于SIM900A的語(yǔ)音燃?xì)鈭?bào)警裝置。該裝置能夠檢測(cè)空氣中一氧化碳、甲烷的濃度以及空氣溫度，當(dāng)濃度超標(biāo)或者溫度超過設(shè)定值之后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開自有排風(fēng)系統(tǒng)，將室內(nèi)有毒氣體排放到室外；同時(shí)通過撥打預(yù)設(shè)電話和向預(yù)設(shè)電話號(hào)碼發(fā)送短信兩種方式來告知用戶危險(xiǎn)的情況，便于用戶進(jìn)一步處理危險(xiǎn)狀況，避免造成重大財(cái)產(chǎn)損失和人身傷害。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由STM32嵌入式處理器、傳感器電路、電源電路、聲光報(bào)警電路、排風(fēng)系統(tǒng)、GSM通信電路等功能模塊組成。主控芯片采用的是STM32F103RBT6處理器，相比于傳統(tǒng)的STC單片機(jī)，該處理器處理速度更快，性價(jià)比更高。氣體檢測(cè)傳感器采用了對(duì)一氧化碳具有很高靈敏度的ZYMQ?7和對(duì)甲烷具有良好選擇性的ZYMQ?2。溫度檢測(cè)選用了基于單總線技術(shù)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器。通信電路主要由基于GSM網(wǎng)絡(luò)的SIM900A芯片控制?，F(xiàn)場(chǎng)由蜂鳴器和LED燈實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。自有排風(fēng)選用的是排風(fēng)量為440 m3/min的軸流風(fēng)機(jī)。系統(tǒng)5 V電源由MP2303芯片構(gòu)成的穩(wěn)壓?jiǎn)卧峁?。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主電路設(shè)計(jì)

主控制器采用低功耗、高性能的STM32F103RBT6芯片，內(nèi)核為ARM 32位的Cortex??M3 CPU，片內(nèi)集成128 KB FLASH，20 KB SRAM，最高72 MHz的工作頻率，正常工作電壓范圍[2]為2.0～3.6 V。其主要負(fù)責(zé)將采集到的傳感器濃度和溫度與設(shè)定值進(jìn)行比較，超過預(yù)定值之后會(huì)控制系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警，自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)，并且通過控制SIM900A撥打電話和發(fā)送短信來告知用戶[3]。

2.2 傳感器電路設(shè)計(jì)

甲烷檢測(cè)采用ZYMQ?2傳感器，它將微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在不銹鋼金屬腔體內(nèi)；內(nèi)部加熱電阻絲為氣敏元件提供必要的工作條件；敏感層使用非常穩(wěn)定的SnO2制成，具有很好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。為了減弱氮氧化物、烷類等氣體的干擾，過濾腔體內(nèi)填充了活性炭。氣敏傳感器有六只金屬針管腳，其中四個(gè)用于信號(hào)取出，兩個(gè)用于接入加熱電源[4]。傳感器信號(hào)處理電路如圖2所示。

傳感器電阻[Rs]電壓是通過與其串聯(lián)的負(fù)載電阻[RL]上的有效電壓信號(hào)[VRL]輸出而獲得的。二者之間的關(guān)系為：

[RsRL=Vc-VRLVRL]

利用回路測(cè)得在傳感器由結(jié)晶空氣轉(zhuǎn)移至甲烷氛圍中時(shí)，從[RL]上輸出變化信號(hào)，信號(hào)的測(cè)定在一個(gè)或兩個(gè)完整的加熱周期內(nèi)測(cè)得。傳感器輸出電壓接入由LM393組成的電壓比較器通過電位器R6來調(diào)整校準(zhǔn)報(bào)警值，正常時(shí)運(yùn)放輸出高電平，當(dāng)一氧化碳濃度超標(biāo)后運(yùn)放輸出低電平，報(bào)警指示燈D3點(diǎn)亮。PB5，PB6為雙色LED，正常時(shí)PB5綠色燈亮，超標(biāo)后PB6紅色燈亮，PB5熄滅。

一氧化碳檢測(cè)采用ZYMQ?7傳感器，處理電路與甲烷檢測(cè)電路相同，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且具有靈敏度高、響應(yīng)快的特點(diǎn)。

溫度傳感器采用基于單總線技術(shù)的DS18B20，該傳感器具有獨(dú)特的單總線數(shù)據(jù)接口，只需一個(gè)I/O口即可與處理器通信完成溫度的采集，電路簡(jiǎn)捷應(yīng)用方便[5]。

2.3 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警系統(tǒng)主要由基于GSM網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的SIM900A芯片控制，此芯片是一個(gè)雙頻的GSM/GPRS模塊，工作頻段為EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz，支持多種編碼方式，在SLEEP模式下最低耗流只有1.0 mA。SIM900A僅適用于中國(guó)市場(chǎng)，其性能穩(wěn)定，外觀精巧， 性價(jià)比高； 可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸[6]。芯片應(yīng)用原理如圖3所示。

裝置通過STM32處理器的PA14管腳來控制SIM900A的PWRKEY引腳，完成SIM900A的上電、下電及重啟控制[7]。通過處理器的串口1完成與SIM900A的串行通信控制?？刂魄笆紫纫獙?duì)SIM900A初始化，程序如下：

void Init_Module（） //對(duì)SIM900模塊的初始化

{

printf（"ATE0＼r＼n"）； //取消回顯

delay_ms（255）；

Clear_Buffer（）；

printf（"AT+CNMI=2，2＼r＼n"）；

//新短信到來時(shí)直接通過串口輸出不做存儲(chǔ)

delay_ms（255）；

Clear_Buffer（）；

printf（"AT+CMGF=1＼r＼n"）； //設(shè)置為TEXT模式

delay_ms（255）；

Clear_Buffer（）；

printf（"AT+COLP=1＼r＼n"）；

delay_ms（255）；

Clear_Buffer（）；

}

處理器發(fā)送AT指令后，如果SIM900A正確響應(yīng)，將返回“OK”字符給STM32。當(dāng)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)后處理器通過AT指令操作SIM900A向用戶發(fā)送短信，告知用戶危險(xiǎn)情況，并會(huì)按順序撥打預(yù)存在SIM卡內(nèi)的電話號(hào)碼，直到有人接聽，撥通之后會(huì)向處理器返回命令，進(jìn)而處理器控制語(yǔ)音芯片播放語(yǔ)音，告知用戶危險(xiǎn)情況。

語(yǔ)音芯片采用的是SC080，此芯片是一顆單芯CMOS一次性生成語(yǔ)音芯片，其使用的是最新嵌入式RPROM架構(gòu)的OTP語(yǔ)音晶元，有一個(gè)Input腳和2個(gè)I/O腳，內(nèi)部精準(zhǔn)的內(nèi)阻振蕩不需外加振蕩電阻，PWM輸出端可直接驅(qū)動(dòng)8 Ω 0.5 W喇叭，語(yǔ)音的還原度高。其應(yīng)用原理如圖4所示。

2.4 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路采用的是由MP2303芯片控制的電源模塊，該模塊工作穩(wěn)定，能夠提供最大3 A的工作電流，為系統(tǒng)提供5 V電壓，供傳感器和繼電器工作。主開關(guān)電源提供12 V/3 A的電壓，供給整個(gè)電路和內(nèi)置大功率風(fēng)機(jī)工作。5 V電源電路如圖5所示。

另外，本設(shè)計(jì)采用4 000 mA的鋰電池作為備用電源，保持該裝置在斷電的情況下待機(jī)超過12 h以上，排風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)后可維持1 h以上。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先，主控芯片進(jìn)行初始化，然后初始化SIM900A模塊，再把SIM900A模塊接人GPRS網(wǎng)絡(luò)[8]。系統(tǒng)程序由C語(yǔ)言編寫完成。軟件主要用來控制傳感器采集數(shù)據(jù)、控制語(yǔ)音芯片語(yǔ)音報(bào)警、控制SIM900A撥打電話以及短信發(fā)送。主程序流程如圖6所示。

4 裝置功能實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

基于SIM900A的語(yǔ)音燃?xì)鈭?bào)警裝置目前已通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。裝置包含內(nèi)置大功率軸流風(fēng)機(jī)、主控電路板、大容量鋰電池和內(nèi)吸氣小功率風(fēng)扇。

報(bào)警裝置的核心電路板如圖7所示。核心電路板集成了一氧化碳傳感器、甲烷傳感器以及溫度傳感器，兩路繼電器用于啟動(dòng)內(nèi)置排風(fēng)裝置和外部風(fēng)機(jī)，蜂鳴器和雙色指示燈完成聲光報(bào)警，SIM900A與STM32處理器直連完成短信和語(yǔ)音的報(bào)警[9]。

通過對(duì)整個(gè)裝置的硬件和軟件實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)和調(diào)試，該裝置實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1） 可燃?xì)怏w濃度超過2 500 PPM，啟動(dòng)報(bào)警和排風(fēng)。

（2） 一氧化碳濃度超過300 PPM啟動(dòng)報(bào)警和排風(fēng)。

（3） 溫度超過40 ℃啟動(dòng)報(bào)警和排風(fēng)。

（4） SIM卡存儲(chǔ)：1～6組電話號(hào)碼，報(bào)警時(shí)全部發(fā)送短信然后按先后順序撥打電話，直到有人接聽完成語(yǔ)音報(bào)警。

（5） 可燃?xì)怏w報(bào)警：先向SIM卡中存儲(chǔ)所有號(hào)碼短信，內(nèi)容為“燃?xì)鉂舛瘸瑯?biāo)，注意！”，之后按先后順序撥打電話，直到有人接聽或者環(huán)境正常，報(bào)警語(yǔ)音提示“燃?xì)鉂舛瘸瑯?biāo)，注意！”。

（6） 一氧化碳報(bào)警：先向SIM卡中存儲(chǔ)所有號(hào)碼短信，內(nèi)容為“有毒氣體超標(biāo)，注意！”，之后按先后順序撥打電話，直到有人接聽或者環(huán)境正常，報(bào)警語(yǔ)音提示“有毒氣體超標(biāo)，注意！”。

（7） 溫度報(bào)警：先向SIM卡中存儲(chǔ)所有號(hào)碼短信，內(nèi)容為“溫度超標(biāo)，火災(zāi)隱患！”，之后按先后順序撥打電話，直到有人接聽或者環(huán)境正常，報(bào)警語(yǔ)音提示“溫度超標(biāo)，火災(zāi)隱患！”。

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于SIM900A和STM32嵌入式處理器的語(yǔ)音燃?xì)鈭?bào)警裝置的設(shè)計(jì)[10]，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試完成了一氧化碳監(jiān)測(cè)、可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)、煙霧監(jiān)測(cè)、高溫監(jiān)測(cè)報(bào)警的功能。設(shè)備監(jiān)測(cè)到各項(xiàng)參數(shù)超標(biāo)后能及時(shí)啟動(dòng)自有排風(fēng)裝置，并且短信通知用戶，撥打電話直至有人接聽進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警。其具有待機(jī)低功耗、實(shí)用性強(qiáng)、性價(jià)比高、安裝便捷等優(yōu)點(diǎn)。可用于家庭及酒店廚房監(jiān)測(cè)、燃煤鍋爐房以及一些特殊氣體監(jiān)測(cè)場(chǎng)所，因此可以廣泛的加以推廣和應(yīng)用。

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