CN207199039U - 一种基于gsm和单片机的火灾报警装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于GSM和单片机的火灾报警装置，包括单片机，分别与单片机连接的计时单元、显示单元、传感器、GSM通信模块、矩阵键盘；所述传感器包括红外焰光传感器、烟雾气体传感器、温湿度传感器；所述单片机作为控制中心，对火灾进行实时监控，并将相关信息显示在显示单元上；当发生火灾时，单片机控制GSM通信模块进行报警通知；所述矩阵键盘作为单片机的输入部。本实用新型能够有效、快速地检测、监控家庭的火灾隐患，并及时将报警信息通过GSM通信网络发送给预设的接收端，方便对火灾进行进行进一步的处理，减少损失。

Description

一种基于GSM和单片机的火灾报警装置

技术领域

本实用新型涉及消防领域，特别涉及一种基于GSM和单片机的火灾报警装置。

背景技术

随着社会的发展，家庭财富得到积累，越来越多的家庭开始重视对家庭财产的保护，并且关注个人在家庭的安全保障，因此各种家庭式的监控装置，安保装置，灾害报警装置开始流行起来，并慢慢地进入到很多家庭里面。并且还具备很大的市场上升空间。以消防报警器为例，根据我国消防行业协会的文献《2015-2022年中国消防器材行业市场分析与投资前景研究报告》显示，我国消防设备行业市场销售规模在2012年已经达到848亿元，而火灾报警器材的市场规模更是达到130亿元。到2013年我国消防产品行业市场销售规模约1000亿元，消防报警设备行业市场规模约150亿元。可见消防产品的规模在不断扩大。

随着无线通信越来越受到各国重视，得到迅猛发展，移动电话在世界各国都得到了极大的普及。很多人都成为移动通讯的个人用户。而根据我国工信部门2016年的资料数据显示，截止到2015年12月底，我国全国移动电话用户总数达13.06亿户，普及率已达到95.5％。除却很不具备完全民事行为能力的少年儿童外。我们几乎可以说在中国成人每人都有一台移动电话。这使得无线通信越来越能够精准定点服务到用户个体上。而在目前各种移动通信中，全球移动通信系统，其英文全称Global System For MobileCommunication，即GSM。是当前应用最为广泛的移动电话标准。全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。GSM标准的无处不在，因此GSM是目前各种移动通信中最为普及的，用户最多的一种。而在我国的三大电信运营商中，中国移动通信集团公司(简称“中国移动”)和中国联合网络通信集团有限公司(简称“中国联通”)在基本电话业务中都采用了GSM制式，因此GSM电话用户也在我国占主流。但与之相对的是，目前市面上占主流的大部分灾害报警器，检测仪器，安保系统等监控监测装置对用户的通知还停留在电声报警这种有限度的范围通知上，或只负责把数据上传到联络指挥中心处。而这种通知都很大程度上忽视了用户个体。

可以看到，各式的家庭安全器械进入家庭用户的市场将会进一步打开，而传统的报警通知方式已经不能很好地跟上无线通信通过移动电话已经能很好地定点到用户上这一现状。而在各种家庭灾害中，根据公安消防部公布的2016年上半年的数据显示2016年上半年全国共接报火灾17.2万起，死亡911人，其中住宅火灾共接报15.98万起，死亡达到895人，伤亡比重最大，并且住宅火灾极大多数是由于电器问题引起的。可见火灾是常见的，且对家庭财产，家庭成员安全造成损害最为严重的一种灾害。且目前我国家庭的电气化程度在快速提高，但各种电器质量良莠不齐，可见住宅的火灾隐患仍然很大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于GSM和单片机的火灾报警装置。

本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于GSM和单片机的火灾报警装置，包括单片机，还包括分别与单片机连接的计时单元、显示单元、传感器、GSM通信模块、矩阵键盘；

所述传感器包括红外焰光传感器、烟雾气体传感器、温湿度传感器；其中温湿度传感器用于检测环境的温度与湿度，红外焰光传感器用于检测环境是否出现焰光，烟雾气体传感器用于检测环境是否出现烟雾，并将采集的信息分别传输至单片机；

所述单片机作为控制中心，对火灾进行实时监控，并将相关信息显示在显示单元上；当发生火灾时，单片机控制GSM通信模块进行报警通知；

所述矩阵键盘作为单片机的输入部。

所述单片机采用Atmega16 AVR单片机。

所述烟雾气体传感器采用MQ-2烟雾气体传感器。

所述温湿度传感器采用DHT11温湿度传感器。

所述计时单元采用DS1302计时电路。

所述显示单元采用LCD1602液晶显示屏。

所述GSM通信模块采用SIM 900A GSM通信模块。

所述矩阵键盘采用4X4矩阵键盘。

所述基于GSM和单片机的火灾报警装置，还包括蜂鸣器报警电路。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本实用新型的火灾报警装置从本质上来说是一种无线嵌入式应用。由于单片机具备可靠性高，功能强，运行速度高，功耗低等特性，因此适合使用在无线嵌入式应用系统中。

GSM通信部分作为装置报警功能的枢纽和与用户进行沟通的桥梁，实现对GSM通信技术的应用。

软件编辑采用传统的ICCAVR作为程序编写工具，同时采用果云A6串口助手来学习GSM通信模块的使用。

装置采用集成电路结构，使用Altium Designer软件辅助设计其电路原理图和PCB电路板图。

2、本实用新型能够有效、快速地检测、监控家庭的火灾隐患，并及时将报警信息通过GSM通信网络发送给预设的接收端，方便对火灾进行进行进一步的处理，减少损失。

附图说明

图1为ISP下载器规格示意图。

图2为ISP电路的电路图。

图3为复位电路的电路图。

图4为单片机及其外围电路的电路图。

图5为DS1302芯片引脚的示意图。

图6为DS1302计时电路的电路图。

图7为LCD1602液晶显示屏的电路图。

图8为传感器及其外围电路的电路图。

图9为蜂鸣器报警电路的电路图。

图10为串口通信电路的电路图。

图11为SIM900A GSM通信模块的接线示意图。

图12为矩阵键盘的电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

一种基于GSM和单片机的火灾报警装置，包含以下几个部分：

一、单片机

1、单片机选型

目前，市面上推广的新一代智能微电子控制的火灾报警装置，大多数仍采用51系列单片机作为控制内核。而当前大学生对这个课题的研究，很多也仍然采用51单片机作为装置研究的微型控制机。这很大部分是由于51单片机推广早，应用广泛，资料较多且被业内广泛地认为是基础入门的一系列单片机。

但是随着人们对产品的要求提高，功能逐渐增加，越来越开始注重电路与功能的集成。51系列单片机的性价比开始逐渐走低。相对之下，性价比较之高的AVR单片机开始受到人们的重视，开始有些产品和研究在逐渐采用AVR单片机来取代51单片机承担程序控制。在这次设计中采用AVR单片机而不使用51单片机，是因为在无线应用领域中AVR单片机对比常用的51系列单片机具备突出的优点,其内部集成有EPROM，USART和多种中断源且IO口带可设置上拉电阻，无需搭配外围电路即可实现，信息存储，按键设置及串口通信。因此采用AVR单片机可以大大降低本次设计成本。根据设计方案所需用到的串口数量，寄存器类型，功能，把型号确定为Atmega16。

2、Atmega16电路设计

Atmega16单片机程序烧写将采用ISP方式。ISP(In-System Programming)在系统可编程，指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户代码，而不需要从电路板上取下器件，已经编程的器件也可以用ISP方式擦除或再编程。ISP技术是微机/单片机最常用的一种编程电路。

ISP的实现相对要简单一些，一般通用做法是内部的存储器可以由上位机的软件通过串口来进行改写。对于单片机来讲可以通过SPI或其它的串行接口接收上位机传来的数据并写入存储器中。所以即使我们将芯片焊接在电路板上，只要留出和上位机接口的这个串口，就可以实现芯片内部存储器的改写，而无须再取下芯片。如图1所示为ISP下载器规格示意图。

利用ISP下载器连接PC机与Atmega16单片机实现程序烧写。ISP下载器有6P与10P规格。这里采用的是10P规格。其接口规格如图所示。其与AVR端口的连接如表1所示。

表1 ISP下载器接线

ISP下载器端口	AVR端口
		MISO	MISO(PB6)
VCC	VCC
		SCK	SCK(PB7)
MOSI	MOSI(PB5)
		RESET	RESET
GND	GND

同时，为了能够在单片机执行程序有误时，能够恢复到初始状态。因此设置一个复位电路。由于Mega16已经内置了上电复位设计，并且在熔丝位里，可以控制复位时的额外时间，故AVR外部的复位线路在上电时，可以设计得很简单：直接拉一只10K的电阻到VCC即可。为了可靠，再加上一只0.1uF的电容C2以消除干扰、杂波。AVR单片机是低电平复位，设计按键复位电路。

根据要求，设计的单片机程序烧写电路如图2、3、4所示。

二、计时单元

1、芯片选型

这里，选取DS1302时钟芯片作为电路的计时部分。在这次设计中，DS1302计时电路需要承担计时功能，同时能够做到掉电计时。

DS1302是DALLAS公司推出的一款涓流充电时钟芯片DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：(1)复位RES；(2)数据线IO；(3)串行时钟SCLK。时钟RAM的读写数据以一个字节或多达31个字节的字符方式通信，并且DS1302工作时耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW。DS1302还有双电源管脚，可以用于主电源和备份电源供应。

2、电路设计

DS1302是一款常用的计时芯片，具有计时精确，使用寿命长等优势，其引脚介绍如下图5所示，表2为对应图5所示DS1302芯片的引脚含义。

表2

VCC2	工作电源
		GND	电源地
VCC1	后备电源
		SCLK	时钟信号
I/O	数据输入输出
		RET	复位信号/片选型号

由其引脚介绍可知串行时钟输入信号为芯片的第七号引脚，串行数据的输入输出则由其I/O口引脚承担。晶振32.768kHz通过X1，X2引脚为芯片提供时钟频率。同时根据芯片的双电源设计可知，DS1302的VCC1引脚，为其提供了有后备供电的输入。通过内部寄存器，经DS1302芯片可以驱动VCC2引脚向VCC1引脚提供一个极小的充电细流。在这个电路设计中，5V工作电压提供给VCC2引脚，3V的后备工作电压提供给VCC1引脚。VCC2流向VCC1之间的二极管的降压和阻值由充电寄存器控制。当工作电压有提供给芯片工作时，后备电源将会停止电压供给，但同时工作电压可以向后备电源进行细流充电(后备电源需要连接可充电电源)。如果此时VCC2引脚没有供电，这时后备电源就会通过VCC1为芯片提供工作电压，保证其主电源掉电状态下工作。根据以上要求，DS1302设计电路如图6所示。

三、显示单元

1、硬件选择

根据设计要求，我们选取LCD1602液晶显示屏作为装置的显示部分使用。1602液晶也叫1602字符型液晶，具有微功耗，体积小，显示内容丰富，超波轻巧等特点。1602LCD显示的内容为16X2，即可以显示两行，每行16个字符液晶模块(显示字符和数字)。其技术参数如表3所示：

表3

显示容量	16X2个字符
		芯片工作电压	4，5～5.5V
工作电流	5V时工作电流2.0mA
		模块最佳工作电压	5.0V
字符尺寸	2.95X4.35(WXH)mm

2、电路设计

如表4所示为LCD1602各引脚说明，在我们这次装置设计中，LCD1602液晶显示屏承担的主要功能：

(1)显示当前时间；

(2)显示温湿度传感器检测到的当前室内温度与湿度；

(3)显示通知的手机号码；

(4)显示时间设置和手机号码设置的情况；

表4 LCD1602引脚

编号	符号	引脚说明	编号	符号	引脚说明
						1	VSS	电源地	9	D2	Data I/O口
2	VDD	电源正极	10	D3	Data I/O口
						3	VL	液晶显示偏压信号	11	D4	Data I/O口
4	RS	数据/命令选择端(H/L)	12	D5	Data I/O口
						5	R/W	读/写选择端(H/L)	13	D6	Data I/O口
6	E	使能信号	14	D7	Data I/O口
						7	D0	Data I/O口	15	BLA	背光源正极
8	D1	Data I/O口	16	BLK	背光源负极

由表4可知，RS信号控制访问操作是命令还是数据，RW信号控制访问操作是读还是写。EN信号是它的使能信号，D0～D7是八位并行IO口。设计电路时为液晶接上工作电源，同时也为背光源提供电源，保证其背光时的可见度。对于液晶显示偏压信号，由于考虑到每个用户对于屏幕显示清晰度的不同要求，因此为其接上一个可变电阻，实现其感应电压可调。使用户可以根据各自需求，通过调节电阻器来改变其清晰度。选择端口，使能端口和数据端口则根据软件设计要求与相应的Atmega16单片机串口相连，实现控制。由此设计电路如图7所示。

四、传感器

1、火灾监测部分

在火灾发生初期，将燃烧生成的烟雾，气体，光辐射和热量等物理量，通过感烟，感气，感温和感光等火灾探测器将探测模拟火灾的信号变成电信号，然后传输给火灾报警控制器进行处理。因此根据以上情况，将有三类型常见传感器用检测火灾，分别是用于检测烟雾和气体的MQ-2烟雾气体传感器，用于检测火焰焰光的红外焰光传感器，和用于检测温度的DHT11温湿度传感器。

其中以上情况中，火灾发生过程中的烟雾气体和温度变化息息相关，在火灾发生初期，首先出现烟雾浓度大幅度上升，然后再引起温度的缓慢上升。在达到峰值后，它们在同步地降低。而根据装置设计要求的能够迅速地检测到火灾的发生，因此需要在火灾发生的早期就能够捕捉到火灾的发生，因此根据这一情况，决定采用MQ-2传感器，通过检测烟雾和气体，从而更好地在早期发现火灾。

而检测火焰焰光的红外传感器，其检测火灾的时效性将根据火灾发生的距离而有所不同，若火灾发生在其检测距离内，则其发现火灾的速度将大大快于通过MQ-2检测到的烟雾来捕捉到火灾情况的速度，而若火灾未发生在检测距离内，则其需要火灾蔓延到检测距离内才能检测到火灾。

综上所述，监测火灾可以通过MQ-2传感器和火焰红外传感器配合使用，使其能够快速监测到各类火情。

对于火灾感应部分传感器的选择，为适应简便化操作与及用户可控的要求，选择输出可调式数字量信号传感器，其电路如图8所示。在感应到火灾情况后，其可以直接向单片机输出一个高电平的数字量。而其检测的火灾感应点，可由用户通过调节其硬件上的滑动变阻器旋钮来设置。通过变动其阻值，来改变电压比较器的比较比例来设置其比较输出点。从而实现火灾感应点可根据用户需求进行调节。

2、温湿度监测部分

对于温湿度的监测，我们采用DHT11数字温湿度传感器，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

3、电路设计

对于温湿度传感器，其通过单总线与单片机进行通信，因此安排一个单片机串口与其连接。

而火焰传感器与烟雾传感器是配合使用的，通过它们来检测火灾情况。因此在分配上，它们的功能是一体的。所以它们将共享一个串口。对于火焰传感器和烟雾传感器，它们将采用数字量输出来反映火灾，如图所示。通过调节模块来设置一个合理的火灾触发点，当达到火灾触发点后，将输出一个高电平的数字量直接通知到单片机来反映火灾情况。

因此在电路设计上，将设置三个外接口来接入这三个传感器，在提供供电的同时，连接单片机串口作为单片机的功能外围电路。其中温湿度传感器为一体，火灾监测部分为一体，作为装置的两大块功能电路。

同时对监测电路配置一个现场的声音提示功能。通过搭配一个有源蜂鸣器电路来实现。利用三极管放大电路来放大其功率，连接单片机一个串口来实现对其的控制。当发现火情，蜂鸣器会定时发出响动，展示系统发出报警操作。设计电路如图9所示。

五、GSM通信模块

设置一个串口通信电路来实现单片机与PC机之间的通信，来实现对串口通信的调试。这里我们采用RS232来与单片机实现串口通信。选用MAX232芯片为RS-232标准串口的单电源电平转换芯片。

根据RS232引脚特性，设置电路如图10所示。MAX232串口通信芯片的电路设计分为三部分。第一部分是电荷泵电路。这部分电路提供给RS-232串口电平的所需要的正负12V电源。由芯片的1、2、3、4、5、6脚搭配4个电容组成。第二部分是数据转换通道。MAX232通信芯片有两组数据转换通道。可以实现TTL/CMOS数据与RS232数据的切换。从芯片11引脚输入的TTL/CMOS数据将转换成RS232数据从14引脚传输给电脑。从13引脚输入的RS232数据将转换成TTL/CMOS数据从12引脚传输出来。第三部分是供电电路。这部分电路由标准5V电源供电。其电源正极接芯片16引脚，电源负极接芯片15引脚。

同时，选取SIM900A GSM模块来作为GSM通信部分。SIM900A GSM通信模块是以SIM900A芯片为核心，搭配一定的外围电路而组成。该GSM模块具有标准的AT命令接口，可以通过连接串口输入AT指令驱动。主要通过使用GSM网络来实现数据通信。在其卡槽内接入中国移动电话卡或中国联通电话卡，即可连接GSM，实现短消息业务。对于在装置中驱动GSM模块，将由Atmega16单片机的USART串口通信实现，因此在电路设计中，为模块设置一组外接接口，接口连接单片机PD0及PD1引脚，同时提供供电电源以支持模块工作。单片机通过接口与SIM900A GSM通信模块连接图如图11所示。

六、矩阵键盘

对于系统的控制，为提高单片机对串口的利用效率，决定将16个操作按钮设置成4行4列排列的矩阵键盘。这样只需要利用到8个单片机串口，就可以实现对16个按键的操作感应，在键盘的每行和每列引出接口连接单片机的串口，使单片机通过扫描矩阵键盘的行列来确定按键。按键设置在交叉点上，无按键按下时，行线处于高电平状态，当按键按下时，行线电平状态将由于此行线相连的列线电平决定。这是矩阵键盘识别的关键所在。因此电路设置如图12所示。

七、电源部分

在装置供电上，基于简便化和稳定性考量，装置将采用市电作为供电电源，且使用单电源供电和标准电源适配器接入。

在设计上，装置的用电器件分别有Atmega16 AVR单片机，Sim900A GSM通信模块，MQ-2烟雾气体传感器，红外焰光传感器，DHT11温湿度传感器，DS1302计时芯片等。对于这些主要的用电器件。在进行硬件选择时，将它们统一选型为支持标准5V电压供电，这样使装置整体电压可以统一，无需再分压处理。因此，标准5V输入，即可为系统供电，使其所有硬件都能持续稳定工作。

但是，作为一个多器件用电装置，对于其的工作电流是很大一部分的考量。在查询资料可以得知单片机在运行高功耗时，电流将达到200mA，而其他主要的传感器和液晶显示屏，工作时的电流都只有几十毫安。而GSM模块的维持工作电流也是100mA。但是GSM模块在开始射频工作时，需要大电流支持，尤其是在其信息数据发出和接收瞬间的峰值电流将达到2A。因此对于电流供应，考虑到要保证装置的最好工作状态，适配器将能提供3A的电流供应。

经过综合考量和比较，最终确定选取大公牛公司生产的型号为220V 50Hz交流电转5V 3A直流电的AC-DC开关电源作为装置的电源适配器。

实物测试

1、测试准备

每次开始进行实物测试时，都需要先连接好装置的各类外围器件，待显示屏显示出准确信息，手机接到装置工作短信通知后，开始进行各类测试。

2、GSM通信能力

装置所在场地：宿舍

测试环境：春天，22℃，37％

表5

	通信对象	通信距离	通信成功与否
				第一次	本人手机	距装置100m	成功
第二次	本人手机	距装置约1km	成功
				第三次	第一位朋友手机	距装置约12km	成功
第四次	第二位朋友手机	珠海市(约167km)	成功
				第五次	第三位朋友手机	茂名市(约420km)	成功

报警通知：共制造火灾情况10次，成功通知10次

查询通知：发送查询指令“1”10次，成功反馈8次

发送查询指令“2”10次，成功反馈7次

3、环境监测能力

(1)火灾监测能力

装置所在场地：室内

火情测试环境：春天，24℃，41％

火焰红外监测：焰光距离传感器探头17～18cm内，能检测到火源烟雾气体监测：

A、在产生人体可感觉到轻微烟雾情况下，能检测到灾情。

B、打火机调到最低释放档，熄灭火焰放出气体，靠近传感器约10cm处，能监测到气体泄漏。

由于，考虑到灾害发生时烟雾与可燃气体在室内是呈现快速扩散，且基本均匀分布的特性，因此对于烟雾气体的监测可忽视其距离。

(2)温湿度监测能力

测试场地：走廊，温湿度数据采取当天报告城市情况。

表6

时间	实际温湿度数据	检测温湿度数据
			2017.04.08	17℃，55％	17℃，58％
2017.04.11	24℃，42％	25℃，40％
			2017.04.15	21℃，41％	20℃，39％
2017.04.16	23℃，47％	24℃，48％
			2017.04.20	26℃，50％	28℃，49％

由于温湿度实际数据采用天气局当天报告的广州市番禺区城市整体情况，所以在走廊测试已接近室外广州市城市天气情况。可以看到监测的温湿度与报告的温湿度数据略有出入，但是误差不大。再考虑到装置所在局部环境与天气局报告的番禺区环境略有出入。因此可判定监测的温湿度数据大体上准确，误差在可接受范围内。

4、装置工作能力

测试场地：室内

测试环境：春天，19℃，38％

连续通电工作时间：24h

系统环境监测：正常

系统GSM通信：正常

系统显示：正常

系统控制：稍卡顿

系统显示时间：与实际时间误差不到一分钟。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于GSM和单片机的火灾报警装置，其特征在于，包括单片机，还包括分别与单片机连接的计时单元、显示单元、传感器、GSM通信模块、矩阵键盘；

所述传感器包括红外焰光传感器、烟雾气体传感器、温湿度传感器；其中温湿度传感器用于检测环境的温度与湿度，红外焰光传感器用于检测环境是否出现焰光，烟雾气体传感器用于检测环境是否出现烟雾，并将采集的信息分别传输至单片机；

所述单片机作为控制中心，对火灾进行实时监控，并将相关信息显示在显示单元上；当发生火灾时，单片机控制GSM通信模块进行报警通知；

所述矩阵键盘作为单片机的输入部。

2.根据权利要求1所述基于GSM和单片机的火灾报警装置，其特征在于，所述单片机采用Atmega16AVR单片机。

3.根据权利要求1所述基于GSM和单片机的火灾报警装置，其特征在于，所述烟雾气体传感器采用MQ-2烟雾气体传感器。

4.根据权利要求1所述基于GSM和单片机的火灾报警装置，其特征在于，所述温湿度传感器采用DHT11温湿度传感器。

5.根据权利要求1所述基于GSM和单片机的火灾报警装置，其特征在于，所述计时单元采用DS1302计时电路。

6.根据权利要求1所述基于GSM和单片机的火灾报警装置，其特征在于，所述显示单元采用LCD1602液晶显示屏。

7.根据权利要求1所述基于GSM和单片机的火灾报警装置，其特征在于，所述GSM通信模块采用SIM 900A GSM通信模块。

8.根据权利要求1所述基于GSM和单片机的火灾报警装置，其特征在于，所述矩阵键盘采用4X4矩阵键盘。

9.根据权利要求1所述基于GSM和单片机的火灾报警装置，其特征在于，所述基于GSM和单片机的火灾报警装置，还包括蜂鸣器报警电路。