基于MSP430微型单片机的智能防护报警系统

李合军

（湖南环境生物职业技术学院，湖南 衡阳 421005）

随着工业化进程的不断加快，社会治安逐渐复杂，大众对生活环境的安全要求也越来越高。因此，防止陌生人非法进入、避免室内燃气泄漏以及出现火灾等成为大众十分关注的安全防范问题。目前，市场上部分防护系统是作为单独单元出现的，仅有单一的报警功能。因此，该文设计了一种基于MSP430 微型单片机的智能防护报警系统，主要具备防止非法进入、燃气检测以及火源监控等功能。当室内出现紧急情况时，通过传感器感应及时将测量数据反馈给单片机，判定事故后立即进行声光报警和App 信息传送。系统采用MSP430 微型单片机作为主控制器，报警模块采用红外系统，以GQQ7-5 传感器为主，可以更灵敏地接收并发送信号，从而提高安保效率。

1 架构设计

基于MSP430 微型单片机的智能防护报警系统由防盗报警、远程控制组成，是一款功能多样的安防系统。防盗报警由核心控制单元、传感器构成，GQQ7-5 负责感知门窗附近是否有异常活动并识别气体，将这些信息实时传输至单片机进行数值分析，当数值超出阈值时，单片机传递指令，利用无线传输技术快速报警[1]。远程控制使用GZP6887A 模块，当系统进入报警程序时，单片机向该模块发送指令，该模块将预设好的信息发送至用户App 进行报警。用户也可以通过App 向该模块发送信息，控制室内电器开闭。该系统的整体架构如图1 所示。

图1 系统整体架构

2 技术支持

2.1 传感器技术

传感器包括转换元件、敏感元件，是一种可以感受信号的检测装置，能够将感受到的信息转化为可被接收并保存的相关信号[2]。因此，传感器具有极为重要的作用。综合考虑各方因素，该系统所选择的传感器具有红外传感、磁电传感功能。

2.2 无线传输技术

无线传输通过电磁波进行信号传输，传输形式为由信号源数据通过电路发射进行编码并传输出去，再通过传输介质抵达接收电路，随后对接收到的数据编码后传输给用户。在无线传输的过程中，要确保频率与其他频率之间有差异，从而避免产生干扰[3]。

3 硬件设计

3.1 主控制器

单片机既是接收智能防护报警系统传感器信息的核心部位，也是将所收集到的信息与预设值进行比较评判是否发出报警信息的判断模块[4]。为了保证系统的运转效率、效果，选择单片机时应强化对数据运算速度的关注，确保能够及时发现系统故障，并在快速反应后进行报警处理。在综合各类因素后选择MSP430 微型单片机，借助该类型单片机处理能力强、运算速度快、片内资源丰富以及低功耗等优势来实现单片机与智能防护报警系统指令、管脚程序的有效兼容，该单片机的管脚电路设计图如图2 所示。

图2 MSP430 管脚电路设计

3.2 传感器

传感器检测收集空间的环境信息，并将信息发送至单片机，确保单片机将信息与预设值比较后给出是否报警的反馈，以实现信息处理、系统的相关功能[5]。该系统选用传感器GQQ7-5，其适用于各类气体、外部环境的检测，具有反应迅速、灵敏度高、易操作以及电路设置简单等优点，该传感器的电路图如图3 所示。通过HS8684CM 电压比较器的运转，比较管脚二与管脚三的运行电压，当管脚二的电压大于管脚三时，管脚一输出低电平；当管脚二的电压小于管脚三时，管脚一输出高电平，由此实现传感器内部电压的匹配。当浓度增大时，传感器电阻值减小，管脚二的输出电压增大，管脚一输出低电平，系统某端口输出高电压，App 信息、蜂鸣器先后发出。

图3 传感器电路

3.3 转换器

在系统运行的过程中，因为传感器检测到的数据信息以模拟信号的形式输出，单片机中转系统无法直接对其进行处理，所以需要转换器进行转换。在该过程中，系统使用的传感器类型多样，不同传感器运行电压参考值也存在差异，因此不可以选择多通道对转换器进行统一处理，需要选择对应传感器数量的单通道转换芯片对模拟信号、数字信号进行转换。此时，传感器检测收集到的模拟信号从管脚二端口输入，处理后的数字信号从管脚六输出，同时传至单片机，转换器的管脚示意图如图4 所示。

图4 转换器管脚

3.4 声光报警

通过LED 灯和蜂鸣器进行声光报警，当空间存在烟雾、燃气以及非法进入时，LED 灯、蜂鸣器根据所接收到的数据信息参数比较系统预设值后，向报警系统输出信号，报警系统接收后立刻进行声光报警。

3.5 App 通信

App 通信是借助互联网与用户进行联系、信息交换的媒介，可以为用户使用系统提供App 互动服务，便于用户及时了解空间安全情况。

4 软件设计

系统包括火灾、燃气泄漏以及防盗3 种报警功能，在发送报警信号前，系统先通过内设检测模块检查收集到的信息，当信息与预设值参数不匹配时，将这些信息传输至单片机处理中心，申请主控制器下达报警指令。单片机根据信息中断相关电路后立刻启动App 预警功能，根据各类型的报警参数向用户发送差异化的显示数据，执行与报警信息一致的声光报警功能，具体流程如图5 所示。

图5 软件设计流程

在完成系统软件设计任务后，根据设计流程编写代码，以系统发现有人非法进入识别为例，其运行代码编制如下。

if（id==193856856）/身份识别

digita1Write（pinBe11，HIGH）

else{

if（dor==0 & & in==1）{

/身份识别未通过

digita1Write（Turn on the warning lamp）；/开启报警灯

Serial.print（Send message）；/发送信息

Serial.println（Someone intruded！）

Please be attention.

}

5 系统测试

5.1 非法进入

通电后，LED 灯根据是否注册到网络进行指示，闪烁1 s 表示未找到信号，闪烁2 s 表示已找到信号。当注册到网络后，按下布防开关，LED 灯亮3 s，单片机外部中断，系统开始检测传感器电平变化。当传感器检测到辐射信号时，传感器OUT 端口电平出现负跳变，触发单片机外部中断，LED 灯闪烁3 s。单片机检测到中断后的报警信息，LED 灯亮起，单片机发送指令控制，报警模块发送报警信息。系统发送信息“有人已进入警戒范围！”到用户App，LED 灯熄灭，信息发送后蜂鸣器开始发出报警声。此时，按下报警停止键，蜂鸣器报警关闭。当再次按下布防（撤防）键时，LED 灯闪烁4 s，系统开始撤防。在该过程中，单片机外部中断关闭，系统不再标记传感器信号检测。

5.2 燃气检测

供给5 V 直流电，如果选择高低电平，输出信号可以接单片机I/O 口，电位器调控输出电平跳变阈值。如果选择模拟量输出，那么就不用考虑电位器，直接转换输入端或接上带有转换功能的单片机便可。根据测试数据，在正常没有燃气的环境下，设定传感器输出电压为参考电压值，此时端口电压大约为1 V，当传感器检测到燃气时，电压每升高0.1 V 燃气浓度就增加0.278 mg/m3，根据该参数就可以在单片机中将测得的模拟电压转化为相应浓度。传感器通电之后应预热15 s，这样所测数据才更稳定。传感器发热属于正常现象，其内部的电热丝工作时会发出热量。该测试误差较小，燃气浓度会随时间推移而上下波动，并最终减小到一定数值范围。测试过程考虑安全问题，采用安全气体作为燃气替代品。

5.3 火源监控

使用滤波函数，收集50 组不同数据（取均值），将处理后的数值放于设定好的数组内。L为滤波数值，Lmax、Lmin为滤波最大值、最小值，Ln为第n个数值，如公式（1）所示。

通过阈值分析与火焰闪烁性分析可知，4 μm 波长能够较好地识别红外线，因此先将4 μm 主探测通道收集到的经滤波处理后的数据均值记为W，阈值特征为T1。经阈值分析后，再取3 段与4 μm 相似的波长，并对其数据进行收集、滤波，得出均值W1、W2和W3，阈值特征为T2、T3和T4。随后再进行火焰闪烁性分析，设定临界值C，将收集到的数据L依次与C进行比较，如果L大于C，就给出高电平信号，反之给出低电平信号。火焰识别分析阈值为t1、t2、t3和t4。当传感器发出报警信号的条件分别为T1＞t1、T2＞t2、T3＞t3以及T4＞t4，上述条件缺一不可，只有全部满足时方可判断报警信号，这样能够较好地降低误报率，测试结果见表1。从50 组数据中得出，25 组在没有火源的情况下，有2 次报警，误报率为8%；25 组在有火源的情况下，提示报警23 次，正确率为92%，具有较高的实用性。

表1 火源识别情况

6 结语

综上所述，该文提出的基于MSP430 微型单片机的智能防护报警系统针对复杂环境有良好的应用效果，在实现传统烟雾火源报警的同时又融合了外部人体识别，综合考虑了各类报警触发条件，拓宽了报警器的应用环境。系统自身具有无线通信功能，配合设计的低耗电路，能够实现室内空间不间断防护。但是对部分特殊环境来说，系统尚无法实现更高的测量精度，还需要不断提高传感器的精度。此外，在未来系统优化过程中，应引进更多的自动化防干扰装置，同时还可以引入面部识别、大数据管理等技术，从而不断拓宽智能防护报警系统的应用范围。