基于GSM的家用防火防盗报警系统设计与实现

吴永丽，高利业

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州，450018）

0 引言

随着社会的发展以及科技的进步，人们的生活节奏变得越来越快。现代人对于家用电器的依赖，加上社会转型期间，危害人们家庭财产和生命安全的家庭安全隐患和社会不稳定因素逐渐增加，使城市火灾以及入室盗窃这样的犯罪事件呈增长的趋势。为了保障家庭安全，近几年，家用安防电子产品出现[1]。然而，目前存在的大多数家用安防产品存在功能单一，且很少具有盗情监测功能。针对上述情况，本文设计并实现了一个基于GSM的家用防火防盗报警系统。该家用防火防盗报警系统具有火灾、盗情实时监测功能，并能在检测到火灾、盗情的第一时间通过GSM以短信形式通知到用户并进行声光报警和应急响应。

本文首先介绍该家用防火防盗报警系统的设计方案，再对系统的硬件电路进行设计，然后对系统的程序进行设计，最后给出系统的调试与测试结果。

1 系统的设计方案

考虑到在判断和预防火灾、盗情时涉及到的环境因素主要有以下三个：环境温度、空气中烟雾浓度、环境中人体红外信号的变化[2]。本家用防火防盗报警系统的设计以上述三个因素为出发点，使用相应的传感器，对所处的环境进行实时监测，并将监测到的环境数据发送给控制器，由控制器进行判断并驱动系统做出相应的响应，

从而实现防火防盗的目的。

该系统的总体设计方案如图1所示。由图1可知，组成该家用防火防盗报警系统的模块有：电源模块、单片机主控模块、按键模块、火灾检测模块、盗情检测模块、报警与远程通信模块、显示模块和火灾响应模块。其中，火灾检测模块由温度检测模块、烟雾浓度检测模块和模数转换模块组成，报警与远程通信模块由GSM远程通信模块和本地声光报警模块构成。模块化的设计使本系统在工作时逻辑清晰，并增强了系统的可靠性。在选择本设计方案所需要的核心器件时，遵循高性价比的原则，如此一来，不仅能实现整个系统所需的功能，还能提高整个系统的性价比，从而有利于该家用防火防盗报警系统的普及，达到保障家庭生命财产的最终目标。

本基于GSM的家用防火防盗报警系统有三个主要功能。第一个是基于GSM的通信功能，该功能由图1中的GSM远程通信模块实现。第二个是防火功能，该功能由图1中的火灾检测模块实现。第三个是防盗功能，该功能由图1中的盗情检测模块实现。

在本设计方案中，GSM远程通信模块基于SIM800C模块实现。SIM800C模块支持4频GSM，同时具有体积小，接口丰富的特点[3]。温度检测模块使用DS18B20温度传感器实现。DS18B20是基于单总线进行数据传输的温度传感器，与热敏电阻相比，DS18B20能将环境温度直接转化为数字信号传送给主控芯片而无需另外的模数转换电路，这样一方面避免了外加模数转换电路引入的信号失真，提高了温度测量值的准确性，另一方面也节省了硬件成本。图1中的烟雾浓度检测模块使用MQ-2烟雾浓度传感器实现。MQ-2烟雾浓度传感器工作时会实时检测当前环境中的烟雾、可燃气体浓度并生成相应的模拟电压信号，该模拟电压信号经由模数转换电路转化为数字信号再传送给主控芯片进行判断、处理[4]。通过该传感器获取到的烟雾浓度数据可靠，且该传感器价格较低，因此，满足本设计方案的要求。盗情检测模块使用HC-SR501人体红外感应模块实现[5]。该人体红外感应模块是基于红外线技术的感应控制模块，具有数字输出、灵敏度高、可靠性强、功耗低等特点，因此，符合本系统的设计要求。

图1 基于GSM的家用防炎防盗报警系统的总体设计方案图

2 系统的硬件电路设计

在该家用防火防盗报警系统中，电源模块由电源适配器提供5V直流电源；按键模块由5个独立按键构成，用于更改参数的阈值、开启/关闭布防、手动开关本地声光报警；显示模块由LCD1602实现；本地声光报警模块由蜂鸣器以及发光二极管实现；火灾应急响应模块由水泵和风扇实现。

2.1 单片机主控模块的电路设计

该系统的单片机主控模块以STC89C52RC单片机为控制核心，包括复位电路以及时钟电路，其电路原理图如图2所示。单片机的P1.0、P1.1、P1.2引脚分别连接LCD1602显示器的RS、RW、EN引脚信号；P1.3引脚控制布防指示灯的闪烁，布防状态开启时，单片机会以固定的频率输出PWM电平；P0.0至P0.7引脚连接的是LCD1602的DB0至DB7引脚；P3.5引脚连接的是模数转换模块的输出信号；P3.6、P3.4引脚分别向模数转换模块的CLK和CS引脚输入时钟信号和低电平使能信号；P1.4、P1.5、P1.6、P1.7、P3.7引脚与按键模块接连，当其中某一按键按下时，与其相连的引脚被置为低电平，从而判断出哪一个按键被按下；P2.0引脚控制由发光二极管和蜂鸣器组成的声光报警模块的工作状态；P2.1、P2.2引脚分别控制火灾应急响应模块中水泵和风扇的运行；P3.0、P3.1引脚与GSM远程通信模块连接进行数据的收发；P3.2引脚与HC-SR501人体红外感应模块相连，接收人体的检测信号；P3.3引脚与DS18B20进行通讯。

2.2 GSM远程通信模块的电路设计

在GSM远程通信模块中，SIM800C模块的13（TXD）、14（RXD）引脚分别与单片机的P3.0、P3.1引脚相连，从而实现短信息的收发。由于该模块在发短信时功率会有所上升，从而导致整个电路的电流增大，电流增大又会导致电路中其它部分的分压过大，最终使得该模块无法得到正常供电电压而不能稳定工作。为解决这个问题，本电路使用一个1000uf的电容来为该模块提供临时收发短信所需要的电压。该GSM远程通信模块的电路原理图见图2。

图2 硬件电路图

2.3 火灾检测模块的电路设计

在火灾检测模块中，温度检测模块的电路原理图见图2。在图2中，DS18B20的DQ单数据总线与单片机的P3.3引脚相连以传输测量到的温度数据。

烟雾浓度检测模块与模数转换模块的电路原理图见图2。在图2中，MQ-2产生模拟电压信号经过ADC0832转换为数字信号输入给单片机主控模块。

2.4 盗情检测模块的电路设计

盗情检测模块的电路原理图见图2。当人体红外感应模块内部有报警信号产生时，模块的2引脚输出高电平到单片机的P3.2引脚，而没有报警时，P3.2引脚呈现低电平。

2.5 火灾应急响应模块的电路设计

火灾应急响应模块由一个小型水泵和一个风扇组成，用以模拟现实中的水泵灭火装置和排风系统。该模块使得本系统具有一定的灭火排烟功能。本模块的水泵控制电路原理图见图2。该水泵的核心为一个工作电压为5V的直流电机，由于小型水泵工作时的额定功率需要，在电路设计中，采用继电器作为小型水泵的开关。当系统进行火灾报警时，单片机通过P2.1引脚控制继电器闭合使水泵开始工作，同时图2中的发光二极管D3也导通发光。

本模块的风扇控制电路原理图见图2，图中的J1连接小型风扇模拟排风系统，当室内发生火灾或可燃气体泄漏时，单片机P2.2引脚变为低电平，三极管Q2导通，风扇开始运转以模拟现实中开启排风系统，并发送短信告知用户。用户也可通过短信控制小风扇的开启与关闭。

3 系统的程序设计

该家用防火防盗报警系统的主程序流程图如图3所示。在图3中，系统启动后，首先对各模块进行初始化，然后进行按键检测，接着单片机主控模块将各个其他模块接收到的数据进行处理后驱动显示模块进行显示。当开启布防时，单片机主控模块将数据与报警条件相比较，当满足报警条件时，单片机驱动相应报警模块按照相应的报警类型报警，并驱动相应电路开始工作，报警结束后返回到按键检测位置重新开始，如此循环。

图3 系统的主程序流程图

4 系统的调试与测试

如图4所示的是上电工作状态下的本家用防火防盗报警系统的实物图。在图4中，显示屏中的T表示温度，S表示烟雾浓度。下排五个按键，从左到右分别用于开启或关闭布防、进入条件设定界面、加功能键、减功能键、手动启动或关闭本地声光报警功能。

图4 实物图

如图5所示为用户手机终端与本系统远程通信的测试界面。当发生不同的警情时，手机都会收到相应的报警短信息。此外，用户手机端发送的“on”和“off”表示开启和关闭系统布防，“bj”指令可远程启动系统的本地声光报警功能。

图5 用户手机终端与本系统远程通信的测试界面

5 结束语

根据目前市场对家用智能安全设备的需求，本文设计并实现了一个基于GSM的家用防火防盗报警系统。在系统方案设计过程中，遵循高性价比的指导思想，本方案采用STC89C52单片机作为主控芯片，火灾检测模块使用DS18B20温度传感器和MQ-2烟雾浓度传感器，分别用作检测当前环境温度、可燃气体与烟雾浓度，盗情检测模块使用低功耗的HC-SR501被动式人体红外感应模块。此外，本系统使用GSM远程通信模块实现了同时发送报警信息和接收用户的远程控制指令。本系统的报警模块采取本地声光报警和远程短信报警结合的形式。本系统除了拥有检测、通信和报警功能，还具有由风扇和水泵组成得火灾应急响应模块，能够对火灾进行有效的控制和扑救，增强了系统的实用性。