基于SIM900A的家居火灾检测与预警系统

曾思通，何用辉，王麟珠

(1.福建船政交通职业学院，福建福州350007；2.福建信息职业技术学院，福建福州350003)

基于SIM900A的家居火灾检测与预警系统

曾思通1，何用辉2，王麟珠1

(1.福建船政交通职业学院，福建福州350007；2.福建信息职业技术学院，福建福州350003)

针对传统单传感器有线信息传输的火灾检测系统的不足，设计一种基于nRF24L01和SIM900A的家居火灾检测预警系统。采用温度传感器、烟雾传感器和火焰传感器监测火灾信息，利用权重分析融合火灾信息，进而判断火灾状态，再通过nRF24L01射频模块实现主从机无线数据交换，最后将判断结果通过SIM900A无线通信模块发送至用户手机。实验结果表明，该系统能够快速准确检测火灾信息并预警。

火灾检测；nRF24L01；SIM900A通讯模块；信息融合

传统的建筑火灾检测一般对火灾的某一物理特性进行检测。如不少建筑物中采用烟雾报警器对烟雾进行检测并通过线路传送警报信息。基于单一火灾信息的检测方法容易造成火灾的误判或失判，只能适用于特定的场所和特定的火灾类型，而且有线传输成本高，布线麻烦，结构不灵活[1]。为此，本文设计了基于SIM900A的火灾检测预警系统，通过多种传感器检测火灾信息后融合判断，再通过无线模块传送信息，克服了传统检测方法的不足。实验结果表明，本系统能够快速准确检测火灾信息并发出警报，同时将火灾信息发送至用户手机终端。

1 系统结构组成与原理

火灾检测系统由火灾检测从机、主机和用户手机三部分组成。检测系统通过传感器检测火灾信息并将检测情况传送到从机，从机CPU根据不同传感器的检测信号进行综合判断后通过nRF24L01无线射频模块把火灾检测识别结果发送给主机。若判断为有火灾发生，则主机通过语音模块发出语音报警，并通过SIM900A无线通讯模块将火灾及其位置区域信息反馈到用户手机。系统结构组成示意图如图1所示。

图1 监控系统组成示意图

2 系统硬件

系统硬件主要由从机硬件系统和主机硬件系统构成。从机硬件由STC89C52单片机系统、传感器检测模块和nRF24L01射频模块构成，主机则由STC89C52单片机系统、nRF24L01射频模块、语音报警模块和SIM900A通讯模块构成。系统框图如图2所示。

图2 系统框图

2.1 nRF24L01无线射频模块

nRF24L01是Nordic公司生产的一款低功耗射频收发芯片，工作频段为2.4 GHz～2.524 GHz,而且芯片内部集成了频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等，并融合增强型ShockBurst技术，与目前的蓝牙技术相比，在提供更高速率的同时，只需要更小的功耗[2]。

nRF24L01无线射频模块可以实现一对六的无线通信[3]，本设计中使用了三个从机和一个主机，进行一对三的无线通信，后续仍可扩展。nRF24L01无线收发模块是实现传感器检测信号无线发送的主要功能模块，检测系统中传感器将信号传给从机的CPU，从机通过收发模块发送信号，由主机上的收发模块接收信号。主从机均通过nRF24L01射频模块进行数据的收发，射频模块与单片机接口电路如图3所示。

图3 nRF24L01无线射频模块与单片机接口电路

2.2 SIM900A通讯模块

SIM900A通讯模块是一款双频GSM/GPRS模块，具有数据收发、语音通话、短信收发、彩信收发等功能，工作频段为DCS 1800 MHz和EGSM 900 MHz。模块采用SMT封装，尺寸只有24 mm×24 mm×3 mm。模块的功能框图如图4所示。

图4 SIM900A通讯模块功能框图

SIM900A模块有两组TTL接口，一组供3.3 V单片机选用，一组供5 V单片机选用。在单片机连接时，将SIM900A TXD 连接到单片机的P3.0 管脚，SIM900A RXD 连接到单片机的P3.1管脚。

本系统SIM900A模块的供电电路如图5所示。

图5 SIM900A电源电路

SIM900A模块VBAT引脚的电压输入范围为3.2～4.8 V,推荐值为4 V。电源模块以MIC29302WT为核心，最大电流输出达3 A。取参考电压VREF=1.215 V,通过式(1)取电源电路中R1和R2的值为100 kΩ和43 kΩ,则VOUT=4.04 V。因此，本电源模块能为SIM900A提供合适的工作电压。

(1)

2.3 火灾检测

2.3.1 烟雾传感器

MQ-2传感器对液化石油气、 天然气、 烷类等烟雾都具有很高的灵敏度和良好的抗干扰性[4]。烟雾传感器检测信号需要经过放大电路放大、滤波后再由AD模块进行模数转换。气体采集电路如图6所示。

图6 气体采集电路

2.3.2 火焰传感器

火焰传感器选择红外火焰传感器，探测波长为700 nm～1 000 nm范围，探测角度为60°。红外火焰传感器将检测到的外界红外光转化为电流，通过A/D转换器转换为0～255的数字量。设计中每个节点有6个火焰传感器，以使每个节点能在360°范围内检测火焰信息。

2.3.3 温度传感器

系统中温度检测采用DS18B20温度传感器。DS18B20是一种单总线芯片，只需要通过一条线与单片机引脚相连，占用处理器端口少，可节省大量引线和逻辑电路，使用方便，适用于精确测温场合[5]。

3 软件设计

火灾发生时，不同节点的烟雾传感器、火焰传感器和温度传感器分别对所在区域的烟雾、火焰和温度进行检测，检测结果经融合判断后反馈给主机，再由主机将节点检测结果发送给用户。三种传感器检测信息运用文献[6]的方法通过权重分配运算后再做出最终判断：

(2)

式中：P为火灾发生概率;Pi为各传感器信号对应的火灾发生概率；λi为对应传感器信号的权重。

(3)

式中：Qt为火灾评估阈值。当火灾发生概率P大于安全阈值时，则系统发出火灾警报，否则，认为无火灾发生。Qt可以理解为与系统灵敏度相关的参数，用户可以在实际应用中根据实验或者应用场所等进行调整。

火灾检测与预警系统软件设计流程图如图7所示。三个从机分别处理三个节点的火灾信息检测，并对节点所在区域的火灾信息进行判断识别，最后将火灾信息和节点信息发送给主机，主机根据收到的火灾信息和节点信息发出火灾警报并反馈至用户手机。

主机向用户手机终端发送信息流程图如图8所示。其中SIM900A无线通讯模块的初始化设置包括发送AT+CMGF=1指令，将短消息设置为文本模式，再发送AT+CSCS=GSM指令设置TE字符集，发送AT+CMGS=(用户手机号)，设置发送号码等。短信收发状态由单片机控制，发送内容由单片机写。发送信息包括火灾报警及火灾发生的节点号。无线通讯模块SIM900A发送短信和初始化程序如下所示：

voidsend()

{uchari= 0;

SerialInti();

while(1)

图7 系统软件设计流程图

图8 主机通过SIM900A发送短信流程图

{Uart1Sends("AT+CSCS="GSM" ");DelaySec(3);

Uart1Sends("AT+CMGF=1 ");

DelaySec(3);

Uart1Sends("AT+CMGS="18*********" ");

DelaySec(3);

Uart1Sends(sms_text);//修改短信内容

Uart1Send(0x1a);

DelaySec(15);

}

}

voidSerialInti()//初始化程序

{

TMOD=0x20;

TH1=0xfd;//波特率9600

TL1=0xfd;

TR1=1;

SM0=0;

SM1=1;

REN=1;

EA=1;

ES=1;

}

4 实验测试

试验测试取3间大小为3 m×3 m×2.4 m的房间，各节点检测位置设在对应房间正中上方,采用天燃气作燃烧材料。测试结果如表1所示。

表1 测试结果

当火焰约大于1.5 cm时，从点火到手机接收到短信的时间约为50 s,火焰目标越大，接收到短信的时间越短。系统抗干扰性好，不受太阳光、灯光等影响。实验中 nRF24L01无线射频模块主从机通信距离最远约为7.5 m,将主机安装于中心，各从机安装于主机周围，基本可以满足一般家庭的使用范围。通过实验测试，SIM900A通讯模块能很好地满足设计的要求。

5 结语

本文设计了基于nRF24L01无线射频模块和SIM900A无线通讯模块的智能家居火灾检测预警系统。本系统通过在家居环境中设置不同节点的多传感器火灾检测装置，对家居环境进行全方面的火灾检测，并对传感器信息进行融合处理，再通过无线射频模块发送给主机，由主机发出报警并将火灾及火灾区域位置信息发送至用户手机终端。系统实现火灾烟雾、火焰和温度信息的融合处理，且实现全程无线控制，克服有线信息传输的不足，取得了良好的实验效果。

[1]阎晓玲，王黎明，卜乐平.基于多维彩色向量空间的火焰图像模糊聚类分割算法[J].数据采集与处理，2012,27(3):368-371.

[2]张杰.基于nRF24L01的室内50W遥控LED调光系统的设计与实现[D].杭州：杭州电子科技大学，2013.

[3]朱慧彦,林林.基于 MCU 与 nRF24L01 的无线通信系统设计[J].电子科技，2012,25 (4):81-83.

[4]周熊.基于 AT89C52 单片机的烟雾报警器设计[J].电子设计工程,2013,21(1):164-165.

[5]丁恩杰,踪晓志.基于nRF24E1和DSl8820的无线测温系统[J].仪表技术与传感器，2010(11)：60-62.

[6]夏焕雄,孙树文,姚益武,等.多传感器概率综合的火灾报警器设计与实现[J].计算机测量与控制，2011，19(2)：370-372.

责任编辑：杨子立

A Home Fire Detection and Alarm System Based on SIM900A

ZENG Sitong1，HE Yonghui2,WANG Linzhu1

(1.Fujian Chuanzheng Communications College,Fuzhou 350007；2.Fujian Polytechnic of Information Technology,Fuzhou 350003)

A home fire detection and alarm system based on nRF24L01 and SIM900A is proposed to address the shortcomings of traditional fire systems which adopt a single sensor and transmits data through wire.The new system incorporates temperature sensor,smoke sensor and flame sensor to collect the field date of the fire monitoring area.Weight proportion fusion algorithm is used to fuse the multi-sensor information and decide the fire condition.The fire data is exchanged between master and slave machines by nRF24L01.The result of the fire detection is sent to the user′s mobile phone by the SIM900A wireless communication module.The experimental results show that the system has a quick and accurate fire detection and warning.

fire detection;nRF24L01;SIM900A;data fusion

10．3969/j．issn．1671-0436．2016．05．007

2016- 08- 09

福建省科学技术厅科技计划重点项目(2013H0008)；福建省教育厅中青年教师教育科研项目(JA15662；JAT160725)

曾思通(1985— )，男，硕士，讲师。

TN919.6

A

1671- 0436(2016)05- 0030- 05