红外对射报警系统的设计与实现

郭 亮 ，肖 勇 ，王赟生

(1.南昌航空大学信息工程学院，江西 南昌 330063；2.江西珉轩智能科技有限公司，江西 南昌 330077)

红外对射报警系统的设计与实现

郭 亮1，肖 勇2，王赟生1

(1.南昌航空大学信息工程学院，江西 南昌 330063；2.江西珉轩智能科技有限公司，江西 南昌 330077)

对现有市场智能家居安防产品的性能和价格等进行了调查，发现该类产品电路复杂且价格普遍较高，使得其难以得到广泛应用，为此提出了一种红外对射报警系统。该系统采用STC89C52为控制器，SIM900A为通信模块，预留扩展接口，可接入可燃气体传感器等各类信号。户外红外对射部分采用清洁无污染的太阳能供电，通过无线有线转发器与主控制器连接，用于监控防区是否有侵入者，如发现异常可通过通信模块向预设手机发送短信或拨打电话，同时发出声光报警，确保报警信息及时传送。对通信模块、传感器信号等进行系列调试。调试结果表明，该系统能够实时检测防区内不安全因素，实现远程自动报警功能，设防区域大、稳定可靠，为今后智能家居领域报警系统简单化、智能化、平民化研制提供了参考和依据。

智能家居； 安防； 报警系统； 传感器； 红外对射； 通信； 可燃气体

0 引言

随着生活水平的不断提高，人们不断地对居住环境提出更高的要求，越来越注重家庭生活中每个成员的舒适、安全与便利，智能家居产品应运而生[1]。现有市场上的智能家居产品确实把人们带入了一个智能、安全、便捷、舒适的智慧生活，但其价格让很多人望而却步。如何花费最小的经济代价获取更可靠的家居安全保障，是智能家居安防产品亟待解决的问题[2]。

基于此，本文设计了红外对射报警系统。系统采用单片机STC89C52为控制器， SIM900A为通信模块。系统可接收可燃气体传感器等各类传感器信号，同时防侵入部分采用太阳能供电的主动式红外对射传感器，通过无线有线转发器接入单片机。当系统检测到不安全因素后，会通过短信或电话的方式自动报警，使用户及时获取检测对象的状况，同时在现场采用声光报警，便于用户及时采取有效措施进行处理。

1 系统结构图及工作原理

系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

系统主要由单片机、传感模块、供电及稳压模块、报警模块组成。单片机采用STC89C52，传感模块分为红外对射传感器和可燃气体传感器；红外对射传感器采用清洁无污染的太阳能进行供电，减少了对公共电网的依赖，同时也增加了系统的供电稳定性；报警模块采用现场声光报警，同时对于远程报警，采用SIM900A通信模块短信报警或电话报警。系统将可燃气体传感器等各类探测器的检测结果送入单片机进行判断，并通过单片机控制SIM900A通信模块向程序预先设定好的手机发送报警信号或拨打电话。

2 系统硬件结构设计

2.1 单片机控制电路

主控电路采用宏晶公司出品的STC89C52作为处理芯片。STC89C52是一个低电压、高性能的CMOS 8位单片机[3]。控制电路采用频率为11.059 2 MHz的外部晶振作为单片机的时钟振荡器，并配有独立按键进行复位。P3.2、P3.3分别为红外对射传感器和可燃气体传感信号输入端，P1.0(P1.2)、P1.1(P1.3)分别为红外对射传感器和可燃气体传感器输出指示端。

2.2 可燃气体检测电路

可燃气体传感选用MQ-2，MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大[4-5]。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。该传感器可检测诸如液化气、丙烷、氢气、天然气等多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器[6]。可燃气体检测电路如图2所示。

MQ-2传感器的第4脚为检测信号输出引脚，能够输出一个随烟雾浓度变化而变化的直流电压信号。该电压信号被送至比较器U1A与门槛电压比较。门槛电压通过电位器RP1调节，同时门槛电压的大小也决定了传感器的灵敏度。当MQ-2传感器检测到空气中存在可燃气体或烟雾，此时第4脚输出的电压信号将高于比较器的门槛电压，比较器的信号输出端输出低电平，对应的LED灯亮。当传感器未检测到可燃气体或烟雾时，比较器信号输出端输出高电平，对应的LED灯熄灭。

图2 可燃气体检测电路图

2.3 GSM通信电路设计

①通信接口电路。GSM通信接口电路包括SIM卡槽接口电路、RS-232电平转换电路与IPXmini天线接口电路。电话卡安装在卡槽之后，通过SIM卡槽接口电路激活电话卡，并将电话卡的信息与SIM900A通信模块进行交换。RS-232电平转换电路是便于程序调试阶段将GSM通信部分电路与计算机进行连接调试而设置的。RS-232电平转换电路如图3所示。

图3 RS-232电平转换电路图

通过RS-232电平转换电路将计算机适用的RS-232电平转换为单片机系统适用的TTL电平，从而实现系统与计算机联机调试。IPXmini天线接口电路能够在相应的接口上加装天线，使系统在通信时能够得到足够强的信号。

②SIM900A通信控制电路。SIM900A通信控制电路为上电自启动模式，同时也预留了通过单片机控制通信电路开启与关闭的接口。当系统需要通过单片机控制通信的开启与关闭时，只需采用单片机控制通信控制电路的供电部分即可。电路中通过SIM900A的RXD和TXD引脚与单片机进行数据和指令的传送，进而控制通信电路进行短信的接收和发送。为了更直观地了解系统的通信情况，电路中设计了D6和D7两个指示灯。通过观察D6、D7的工作状态来大致判断通信电路的工作状态，D6、D7的亮灭和通信工作状态可自行设计。

2.4 红外对射传感器

红外对射的全称为“主动红外入侵探测器”，其基本的构造包括发射端、接收端、光束强度指示灯、光学透镜等。工作时，利用经LED红外光发射二极体发射的脉冲红外线，再经光学镜面作聚焦处理使光线传至很远距离，由受光器接收[7]。当发射器和和接收器之间红外信号被阻挡，则接收器接收不到红外信号，从而引发跃变信号送单片机，单片机作出相应声光报警、远程短信或电话报警。相对被动红外传感的热释电传感器，红外对射传感器具有设防区域大、误报率低等特点。红外对射传感器发射电路和接收电路如图4所示。

图4 红外对射发射、接收电路图

发射电路是由具有4个2输入的与非门CD4011组成的多谐振荡器，其振荡频率取决于RW1﹑C1中频率为1～15 kHz，三极管驱动后发出红外光脉冲信号。接收器电路由红外光电转换探头﹑放大器﹑译码器及功率开关控制元件等组成。红外接收管JS须与发射管FS配对使用。当红外接收管JS接收到发射管发射的红外信号后，经IC2放大器后加至IC3译码器，LM567的输出端8脚将为低电平。当红外发射管和接收管之间有遮挡物时，LM567的输出端8脚将跳变为高电平，此时单片机将获得该跳变信号，从而引发系统报警。

3 系统软件设计

本控制系统程序采用KEIL软件进行程序编写，编程语言采用广泛运用的C语言。本控制系统中，需对设防区域的活动进行监控，同时还要对指定区域内的可燃气体进行监控。监控数据实时送入单片机控制系统，单片机控制系统根据送入的信号来执行相应的操作。主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图

若红外对射传感器在设防区域内检测到有人入侵，单片机就会控制声光报警，同时向用户发送提示短信。待用户已知晓或情况已处理后，向单片机控制系统发送短信“解除1”，系统就会将对应声光报警关闭。同理，烟雾探测器等其他的传感器也将检测到的信号送给单片机，单片机作出处理，发送短信“解除2”，接触对应的传感区域声光报警。

4 系统程序调试

按以上设计方案进行制版并焊接，完成后的系统硬件结合自编软件加以调试，以验证设计方法的可行性。系统调试分为SIM900A通信模块调试、传感器信号调试、系统综合调试。通信模块调试是为了检测该模块是否能正常工作，采用SSCOM3.2串口调试工具，发送和接收模块指令进行调试。红外对射传感器在没有检测到人体移动时，信号输出引脚没有信号输出。

当检测到人体移动时，信号输出引脚就会输出一个高电平，此时认为红外对射传感正常。为减少系统的误报率，除对传感器的灵敏度进行调节外，还可增加红外信号线数。可燃气体传感器调试可采用打火机气体进行测试，只有气体达到一定浓度时，传感器才会输出一个低电平，需将传感器的灵敏度调节到合适的位置，防止出现火灾或气体泄漏时不反应、没有险情时误反应。

通过多次测试，在设防区域有侵入或有可燃气体时，系统能够进行声光报警，并且在预先设置好的手机上能够接收到短信或电话报警，验证了该系统设计的可行性。

5 结束语

本设计实现了对区域内人体活动以及可燃气体的监测，能够适用于普通的居民住宅、仓库等其他有防火防盗要求的场所。

系统采用STC89C51单片机作为控制芯片，主要实现了SIM900A通信模块和声光报警电路的控制。人体侵入传感采用红外对射传感器，弥补了被动式红外传感器设防范围小、误报率高的缺点。采用太阳能供电，解除了系统对公用电网的依赖，实现了无线供

电，大大提高了系统供电的可靠性。系统采用设防区声光报警和远程短信电话报警相结合的报警方式，报警范围全覆盖，能够及时通知相关人员进行警情处理，增加了系统的可靠性。

本文设计的报警系统成本低廉、探测效果好、可实施性高，但还有较大的改进空间。比如控制芯片可以采用功能更为强大的ARM系列，同时可以增加多种其他传感器，实现对环境中各个物理量的实时监测。

[1] 刘嘉璐.谈智能家居发展面临的问题及解决方案[J].山西建筑，2016，42(4):257-258.

[2] 李宇，王卫星，陈润泽.基于ZigBee 的物联网智能家居系统[J].2016(5):71-74.

[3] 杨成慧，王书志，何佑新，等.一种基于STC89C52的智能窗帘控制系统设计[J].自动化仪表，2016,37(6):246-2481.

[4] 张群强，赵巧妮.基于MQ-2型传感器火灾报警系统的设计[J].价值工程,2016(5):96-98.

[5] 金晨，蔡光强，陈果,等.基于无线传感网和数据融合技术的火灾报警系统设计[J].仪表技术与传感器，2016(5):66-68.

[6] 李泽洲，官洪运，路昊，等.基于GSM无线网络的智能家居报警器的研发与设计[J].微型机与应用，2014(22):22-25.

[7] 史衍丽.第三代红外探测器的发展与选择[J].红外技术，2013(1):1-6.

Design and Implementation of the Active Infrared Intrusion Alarm System

GUO Liang1，XIAO Yong2,WANG Yunsheng1

(1.School of Information Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China; 2.Jiangxi Minxuan Intelligent Technology Co.,Ltd，Nanchang 330077，China)

The performance and price of smart home security products in the market are investigated,it is found that the circuitry of the products is complex,and the cost is generally high; so the products are hard to be popularized.The active infrared intrusion alarm system is proposed.In this system,STC89C52 is used as the controller,SIM900A is used as the communication module; with reserved expansion interface，it can be connected with the combustible gas sensor and other signals.The outdoor infrared radiation part is powered by clean and pollution-free solar energy,it is connected with the main controller through wired and wireless repeater,for monitoring if these is any intruder.If abnormal situation is found,short message or phone call can be sent to pre-set mobile phone through communication module,in addition,audio and visual alarm messages can be issued promptly.The communication module,Sensor signal,etc.are carried out a series of experiments.The debugging results indicate that the system can detect unsafe factors of the region in real time,realize the function of remote automatic alarm stably and reliably,the secured area is wide.It provides reference and basis for simplification,intellectualization,and civilization development of smart home alarm system in the future.

Smart home; Security; Alarm system; Sensor; Active infrared intrusion; Communication; Combustible gas

江西省科技支撑计划基金资助项目(20151BBE50032)

郭亮(1979—)，男，博士，讲师，主要从事机器人技术与智能控制的研究。E-mail: acumen@nchu.edu.cn。

TH-39；TP277

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705024

修改稿收到日期:2017-01-16