基于GSM的物联网火灾报警系统设计

司夏岩+宋丹+李博

摘 要：火灾报警系统智能化、无线化是发展方向。火灾探测报警系统采用STC12C5A60S2、MQ-2型烟雾传感器作为信号采集器。STC12C5A60S2将传感器传送的信息进行滤波处理和分析。当检测到火灾时，由GSM模块将信号发送到中控端进行声音报警，利用传感网、无线网络和计算机终端三者有效结合，实现了智能化、无线化，改善了传统灾难报警系统因采用有线方式而导致的可靠性差、易受损、失效快、维护困难等问题。

关键词：GSM；物联网；烟雾报警器；火灾报警

DOIDOI：10.11907/rjdk.162280

中图分类号：TP319

文献标识码：A文章编号：1672-7800（2016）012-0056-03

1 系统架构

随着无线传感网络技术的发展，火灾报警系统更加智能化、无线化，实用性更强[1]。基于GSM的物联网火灾报警系统分为传感器网络、GSM网络、计算机主机端3部分。整个系统采用模块化设计，方便出现故障后及时更换，减少设备故障对安全监测系统的影响。系统工作电压为5V及以下，对于偏远地区，太阳能电板即能满足供电要求。图1为基于物联网的火灾报警系统结构框架。

系统工作原理：烟雾传感器采集烟雾信号，并将信号进行二阶滤波处理，将此信号传输给单片机终端，由单片机分析处理后，通过串口控制GSM模块发射多组烟雾信号。接收端接收到信号后，将信息通过串口传给计算机主机端，主机端根据数据地址进行解析，将数据归档，同时转换为能够直观感受的图形界面，控制音响系统发出声音报警。

2 系统硬件设计

系统硬件分为4个模块：微控制器STC12C5A60S2、MQ-2型烟雾传感器模块、GTM900B模块、ARK-3360L工控机。系统硬件框架如图2所示。

系统通过GSM短消息接收对系统设备进行数据监控及采集。基于单片机控制，利用支持短消息业务的GSM引擎模块发送火情信息[2]。监控终端PC机不局限于简单的数据显示，还有人机交互界面，并具有数据库查询功能，可对火情进行大数据分析。

系统控制过程：烟雾传感器采集到火情经过 A/D转换器，将此模拟信号转换为数字信号传输给单片机，单片机进行分析处理。系统采集端以单片机为主控制器，由MQ-2型烟雾传感器模块、蜂鸣器、工作指示灯、MAX232电平转换模块、 GTM900B通信模块等组成。中控室端采用研华工控机为人机界面，通信接收模块为GTM900B，加上音响组建整个系统。

2.1 主控STC12C5A60S2电路设计

STC12C5A60S2芯片[3]为增强型8051单片机，1T机器周期，指令代码和传统8051完全兼容，通用I/O口44个，4个16位定时器，2路PCA模块可再实现2个16位定时器，8路10位A/D转换器，转换速度高达25万次/s，2个全双工异步串行口（UART）。

2.2 GTM900B模块

采用西门子公司生产的GTM900B短信模块处理和发送短消息。串口通讯遵循RS232协议，为了与单片机相连，还要通过串口电平转换电路实现。

2.3 MQ-2烟雾传感器输入信号电路

MQ-2型烟雾传感器[4]输出的是比较微弱的模拟信号，且夹杂干扰信号，影响火灾报警系统正常工作，系统需要将MQ-2型烟雾传感器采集的烟雾信号进行放大和滤波。由于本系统采用烟雾传感器的电压值作为火灾信号检测，且MQ-2型烟雾传感器的输出电压较大，达到几伏，所以不需要放大烟雾信号，只需将信号进行滤波处理。烟雾传感器输入信号电路如图3所示。

3 系统软件设计

本系统软件设计有：设备端软件设计，采用C51语言编写，源程序分为烟雾传感器数据采集驱动、GTM900B模块驱动两部分；上位机设计采用Microsoft Visual Studio 2012平台，使用c#语言编写Wonfom窗体程序。

3.1 设备端软件编写

火灾报警系统软件设计采用模块化程序设计方法。系统各模块的具体功能都通过子程序调用实现，程序结构清晰，便于功能扩展。系统使用无线接收模块，该模块程序较为复杂，在定义函数时应对其进行初始化。程序流程框图中的初始化包括两个初始化，即单片机初始化和GTM900B模块初始化。系统主程序流程如图4所示。

主程序为一个无限循环体，具体流程是：上电之后系统各部分及GTM900B模块都完成初始化，之后给传感器预热3分钟，因为MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器[5]在不通电存放一段时间后再次通电时，传感器不能立即正常采集烟雾信息，需要一段时间预热。接下来采集环境中的烟雾信号，然后通过A/D转换将电信号转换成数字信号，并传输给第一块单片机作判断。如果正常则返回继续采集烟雾信号，如果异常则通过GTM900B模块传输信号。

3.2 GTM900B模块驱动程序

GTM900B模块通过AT指令实现通信功能。单片机通过AT指令对模块进行初始化和短消息接发功能。短消息控制有Text、Block和PDU三种模式。为了保证更好的兼容性，本系统采用PDU模式收发SMS。异步串行通信字节格式：单片机的异步串行通信方式中，在串行口由硬件自动加入起始位和停止位，构成一个完整字符。为了充分利用短消息长度，降低费用，考虑到延时情况，本方案中每条短消息的单帧长度均设为106个字符。

单片机使用十六进制进行数据传送，传送时将数据转换为ASCII码。例如给手机号为13567371068的用户发送短信数据9876543210，可用以下数据格式：

AT+CMGS=20 0D 0A 08 91 683108503305F0 11 00 0D 91 653168371760F8 00 00 00 0A 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30

3.3 烟雾传感器数据采集驱动

传感器采集模块主要给MQ-2型烟雾传感器设定一个浓度值，然后通过A/D转化器将转化的信号传输给单片机，如图5所示。

单片机将传输进来的信号值与设定值作比较。如果超过规定数值，则向GSM模块发送数据指令，否则继续扫描。

3.4 Wonfom窗体程序

通过GTM900B模块使窗体程序连接到设备端，设备端会显示每一次变化信息，如果信息超过设置的阈值，计算机终端会发出声音报警、页面报警。窗体程序有强大的处理能力和存储空间，产品稳定可靠。与传统Wed服务器一样，Wonfom窗体程序同样要给客户提供共享资源，并应答客户请求。Wonfom窗体程序界面如图6所示。

在端口上使用TCP服务。系统需要监听网络状态，对物联网数据帧进行解包分析，根据结果分别进入处理程序，窗体程序主流程见图7。

4 系统调试

系统调试采用从小到大、逐块分割方法。通过对系统采集模块、处理模块、GSM收发模块电路及程序进行个体检验，对总体系统电路进行仿真调试，保证基于物联网的火灾报警系统能正常检测和报警。调试完成后，系统将采集模块与声音报警模块分隔400m放置，还要保证能正常工作。以甲烷作为实验气体，该系统能探测到浓度为300-10 000ppm的烟雾与气体并报警，报警可通过手动复位。

5 结语

系统经过反复测试，达到安全可靠运行标准。系统主要有以下优点：①成本低、维护简单；②无线传输方便、快捷；③可广泛运用于普通家庭、林业、办公楼等处。系统缺点及改进：①探测装置单一，容易误判火情。可增加探测用的传感器类型及探测点；②终端较为传统简单。可进行联网改造，在火灾发生时通过电话网络更快通知消防机构。

参考文献：

[1] 孙立新.火灾报警系统发展趋势[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2008（2）：69-71.

[2] 王捷.分布式智能火灾报警系统综合设计[J].单片机开发与应用，2006（3）：125-129.

[3] 陈耀华.小型嵌入式系统设计原理[M].北京：国防工业出版社，2012.

[4] 黄煌.基于MQ2传感器的环境检测[J].新校园，2015（11）：24-27.

[5] 刘海洲.单片机在烟雾报警系统中的应用[J].电脑知识与技术，2010（24）：6876-6877.

[6] 牛丹，买和木提.单片机控制GSM模块实现短信收发的技术及应用[J].仪器仪表与分析监测，2008（4）：7-12.

（责任编辑：杜能钢）