基于无线传感与FPGA的智能报警系统的设计

李 康，赵培佳，胡国栋，陆伟奇，金宝根

（绍兴文理学院 电子信息工程，浙江 绍兴　312000）

基于无线传感与FPGA的智能报警系统的设计

李 康，赵培佳，胡国栋，陆伟奇，金宝根

（绍兴文理学院 电子信息工程，浙江 绍兴312000）

本文介绍了基于无线传感与FPGA的智能报警系统的硬件组成部分并阐述了报警系统的设计原理，提出了该系统的应用领域与发展前景。本设计主要包括家用烟雾监测仪器的设计、家用煤气监测仪器的设计、家用红外探测器的设计、GSM驱动模块。家用烟雾监测仪器和煤气监测仪器可以通过MQ-2型气体传感器监测烟雾和有毒气体的浓度来防范火灾和中毒的发生；家用红外监测器通过HC-SR501型红外传感器监测入侵者发出警报，当FPGA经由RF收到各模块发送的报警信号并作相应处理后，驱动GSM模块发送短信通知用户。经过实际测试，该设计能够有效地防范家庭安全事故的发生。

无线传感；FPGA；智能报警；烟雾监测；煤气监测；红外监测

随着我国人民生活水平的逐步提高和个体经济的迅猛发展，各种现代化的家用电器不断增加，威胁到我们生命财产安全的火灾事故也不断增加，因此，居民住宅和“九小”场所的火灾安全问题越来越引起人们的关注。尤其是2010年上海静安区“11.15”高层住宅楼特大火灾给人们的消防安全意识敲响了警钟，引起了各级政府和民众对消防工作的重视，但我国火灾多发，群死群伤的状况仍然未得到根本改变。烟雾是火灾的早期现象，使用烟雾监测仪器可以更早地预测到火灾的发生。在红外报警器方面，市场上的大多数产品只能监测到入侵行为发出报警信号，却不能及时通知家庭人员。目前市场上的安全监测仪器功能单一，不能满足人们多方面的需求，而且这些设备落后于我们当前已具备的技术水平。所以，一套齐全的智能报警器成为家中的必须品，所以本设计集烟雾监测仪器、煤气监测仪器、红外探测器于一身，提出一种新型的智能报警系统。

1　研究内容

本设计主要结合无线传感技术、GSM和FPGA来实现智能报警系统。通过各采集监测模块来采集例如煤气浓度、烟雾浓度等物理量信息并作适当信号调理，然后通过无线传输技术发送至FPGA控制模块，FPGA控制模块根据接收信号做出相应判断，并决定是否触发安全控制指令给采集监测端并实施相应安全举措，同时通过GSM模块发出报警短信。

2　系统方案

本设计将烟雾感应、红外传感器安装在家庭的不同角落，通过FPGA对采集到的数据进行处理分析，然后通过蜂鸣器发出报警信号并通过GSM模块短信通知报警器使用者。本设计所研究的智能报警系统由以下模块组成。图1为本设计的系统框图。

图1　系统框图Fig.1　Block diagram of the system

2.1FPGA主控器

FPGA是一种大规模可编程逻辑器件基于可编程的查找表（LUT）结构大规模可编程逻辑器件［1］。在本设计所选用的FPGA主控芯片是Cyclone II的EP2C8Q208C8N，它属于第二代芯片，有着更低的功耗和更多的资源可供开发者使用。EP2C8Q208C8N的工作频率为50 MHz，拥有138个输入输出IO口，拥有的逻辑块/元件数有8 256个，有8K的Les和165Kb的Ram，拥有两个PLL，工作电压在1.15 V到3.465 V，工作温度在0度到85度。

为了更利于我们的研发，本设计采用的开发板是红芯电子RCQ208_V3开发板。这块板子所采用的FPGA主控芯片是EP2C8Q208C8N，具有大容量的SDRAM和强大的外设配置。本设计中FPGA主控模块负责接收分布在各处的监测模块发出的危险信号，驱动蜂鸣器报警并及时将警告短信发给用户。FPGA主控模块协调各个模块并完成系统功能的流程图如图2所示。

图2　FPGA主控模块流程图Fig.2　Flow chart of the FPGA control module

2.2煤气和烟雾监测模块

煤气检测模块和烟雾检测模块均采用MQ-2型气体传感器。MQ-2型气体传感器具有广泛的探测范围，较高的灵敏度，较好的稳定性，且仅需要简单的驱动电路便可工作。MQ-2可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、甲烷、酒精、烟雾等的监测任务。图3是MQ-2型传感器的驱动电路。

图3　MQ-2驱动电路Fig.3　Drive circuit of 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烟雾是，传感器的电导率随空气中烟雾浓度的增加而增大。电导率越大，输出电阻越低，利用这一点可以获得烟雾浓度值［2］。由于气敏电阻的电阻大小及变化幅度未知，因此在分压网络后加入可调增益的同相放大器。当空气中的敏感气体或烟雾浓度升高时，MQ-2中的敏感电阻电导率会迅速升高，从而气敏电阻和电阻R2的分压网络输出电位迅速升高，致使比较器的输出电平发生由低到高的变化。将该信号输送给单片机，便完成了对煤气和烟雾浓度的监测。

2.3红外监测模块

红外监测模块采用HC-SR501型热释电传感器。HCSR501是基于红外线技术的自动控制模块，采用进口LHI778探头，灵敏度高并且可靠性强，广泛应用于各类自动感应电气设备。当有人进入其感应范围时，人体发射的红外线导致传感器输出高电平，人离开其感应范围时则自动输出低电平，将该电平送给单片机即可完成防盗系统的数据采集模块。其原理图如图4所示。

红外监测模块的原理是热释电效应。热释电效应同压电效应类似，是指由于温度的变化而引起晶体表面荷电的现象。热释电传感器是对温度敏感的传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱的电压ΔV。由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷ΔQ会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，ΔT=0，则传感器无输出。当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有ΔT输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感。

2.4无线收发模块

图4　热释电传感器驱动电路Fig.4　Drive circuit of the pyroelectric sensor

由于数据采集系统分布在家居的各个位置，所以需要无线收发模块将采集到的数据发送给核心板——FPGA控制模块。本设计的无线收发模块采用的是 nRF905无线芯片。nRF905无线芯片是有挪威NORDIC公司出品的低于1 GHz无线数传芯片，主要工作于433 MHz、868 MHz和915 MHz 的ISM频段。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。非常适合于低功耗、低成本的系统设计［3］。nRF905无线芯片的驱动电路如图5所示。

nRF905无线芯片通过STC89C52RC单片机对其进行驱动，其与单片机连接的方式是SPI总线，设置其发送地址和接受地址即可完成网络的组建和数据的收发功能。

2.5GSM通信模块

图5　nRF905无线芯片驱动电路Fig.5　Drive circuit of the nRF905 wireless chip

全球移动通讯系统GSM是当前我国覆盖范围最广的移动通讯网络系统。短消息服务SMS作为一项基于GSM的增值服务，价格低廉、服务稳定，除了手机之间的短消息通信外，SMS还被广泛地应用到远程数据采集与监控、电子商务、办公自动化等领域［4］。本设计采用的GSM模块是西门子的TC35，完成对GSM的短信收发控制，需要通过串口向GSM模块发送AT指令集，GSM收到串口发送过来的AT指令，将会对命令进行处理并采取相关的措施，在本设计当中主要是完成短信收发的功能，所以仅使用与其短信收发相关的AT指令来控制GSM模块。图6为FPGA驱动GSM模块发送短信及蜂鸣器的流程图。

FGPA与GSM模块的数据通信使用RS232串口方式。RS232采用的串口为9针串口，除了9针串口还有25针串口。最常用的三线连接方式，即只连接RXD、TXD和GND三根线就能正常通信。表1为RS232的引脚表。

AT指令集是专门被用来控制GSM的一款指令，它是由诺基亚、摩托罗拉等多家移动电话厂商共同制定出来的。它命令的主要格式是

AT

当AT指令执行成功时，则会返回字符串“OK”表示成功。

在本设计中主要要用到这些AT指令［6］来实现短信收发功能：

1）AT+CSCA来设置短信息中心地址

2）AT+CMGF设置发送模式

3）AT+CSCS设置字符集

4）AT+CMGS来发送短信息

5）AT+CMGR来读取一条短消息

图7为FPGA与GSM模块的连接框图。

图7　FPGA驱动GSM模块框图Fig.7　Block diagram of FPGA driving GSM module

当FPGA接收到相应的危险信号时，蜂鸣器鸣叫，并将预设好的短信内容发送给用户手机。

3　设计结果

智能报警系统上电后，调整烟雾报警器灵敏度，通过在烟雾报警器周围释放烟雾来测试烟雾报警模块是否正常工作，通过人体移动来测试红外传感器模块是否正常工作。经测试，智能报警系统各模块均正常工作，测试结果如图8所示。

图8　测试结果示意图Fig.8　Reveal of the test results

4　结束语

本文介绍了一个基于FPGA的多功能报警器，通过无线收发模块让监控模块与核心控制模块通信，使控制模块能够及时获取危险信息并将危险信息告知用户，降低发生危险的可能性。它不同于传统功能单一的报警器，本设计是综合多种报警器的改进产品，更适用于家庭安全的实时监测，有利于创造更加和谐安全的家庭环境，加强了家庭安全装置的完善性和可靠性。

［1］潘松，黄继业.EDA技术实用教程［M］.北京：科学出版社，2010.

［2］单春艳，章平，张同翰.基于STM32的学生宿舍烟雾检测器设计［J］.工业控制计算机，2014，27（4）：149.

［3］Nordic VLSI ASA.Single chip 433/868/915 MHz Transceiver ［EB/OL］.http：//www.nordicsemi.com/eng/Products/Sub-1-GHz-RF/nRF905，2004-01/2014-10-18.

［4］孙丘伟，余臻.基于GSM的短信报警收发平台设计［J］.福州大学学报，2008，36：44.

［5］Christopher E.Strangio.The RS232 STANDARD［EB/OL］. http：//hw-server.com/rs-232-overview-rs-232-standard，2012/2014-10-18.

［6］Shanghai SIMCom Wireless Solutions Ltd.SIM900_GSM Location AT Command Manual_V1.00［EB/OL］.http：//wm. sim.com/product.aspx？id=1007，2011-01-26/2014-10-18.

Design of intelligent alarm system based on FPGA and wireless sensor

LI Kang，ZHAO Pei-jia，HU Guo-dong，LU Wei-qi，JIN Bao-gen
（Faculty of Electronic&Information Engineering，Shaoxing University，Shaoxing 312000，China）

This paper introduces the hardware composition of the intelligent alarm system based on wireless sensor and FPGA，

explains the design principles，and puts forward the application field of this system and the development prospects.The design mainly consists of a household smoke monitoring instrument，a household gas monitoring instrument，a household infrared detector，and a GSM driving module.The household smoke monitoring instrument and gas monitoring instrument adopt the smoke concentration sensor monitoring MQ-2 to detect smoke and toxic gas to prevent fire and poisoning；The household infrared monitor uses HC-SR501 type infrared sensor to keep watch on invaders，and FPGA controller will deal with the alert signal received from the modules，and then drives GSM module to send messages in order to inform the user.After the actual test，the design can effectively prevent the occurrence of safety misadventures in the home.

wirelesssensor；FPGA；intelligent alarm；smoke monitoring；gas monitoring；infrared monitoring

TN99

A

1674－6236（2016）03-0098-04

2015-03-21稿件编号：201503287

浙江省大学生科技创新活动计划（2013R426030）

李 康（1993—），男，浙江龙湾人。研究方向：光伏逆变器。