智能家庭煤气中毒及火灾报警系统设计

陈英 肖利军 刘蒙瑞

摘要：文章针对经常发生的煤气泄漏中毒和家庭火灾事件，设计了一套由一个主模块和多个监测子模块组成家用煤气泄漏和火灾监测安全系统方案。通过器件的对比与选型，最终采用煤气、烟雾等气体传感器、单片机、CC1101无线模块、GSM模块等器件，设计了一套含煤气泄漏检测、火灾发生检测、声光分级报警、GSM远程报警、无线通信和事故自动应急处理的家庭煤气泄漏和火灾监测以及处理系统，并制作了一套系统样机，实现了稳定、可靠的信号采集与处理，险情报警以及事故自动处理功能。

关键词：单片机；气敏元件；烟雾传感器

目前，城市已基本普及使用罐装燃气或管道燃气，燃气在居民生活使用中占的比例很大。每年都有由燃气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾事故报道；此外，在广大的农村地区，每年冬季因燃煤取暖而造成中毒的事件也屡见不鲜。目前，现有一氧化碳检测仪器主要是面对工矿企业或者公共场所的检测，价格昂贵；因此，设计一套价格低廉、同时包含煤气泄漏检测和火灾发生检测，并能实现声光分级报警、GSM通信报警和事故自动应急处理的报警系统，这无疑对保护人民生命财产安全具有十分重要的应用价值。

1 系统整体方案

系统整体框如图1所示，由一个主模块和多个监测子模块组成。监测子模块通过半导体气敏元件采集环境中烟雾和一氧化碳等气体的浓度信息[1]，通过无线射频模块发送给主模块，同时根据采集到的信息分析现场事故状态，进而控制继电器的通断实现事故自动处理。主模块通过无线射频模块以一定的频率轮循各子模块的采样信息[2]，并实时显示与分析，判定有事故发生时，根据事故的严重性控制声光报警电路发出声光报警，或通过GSM模块[3]对用户进行远程短信报警，其中需要监测的监测子模块地址和报警目标用户手机号码可以通过键盘设置，并且将设置保存在EEPROM里面不丢失。

2 系统硬件设计

主模块样机实物如图2所示。监测子模块之一实物如图3所示。

信号采集电路主要由MQ-2型和MQ-7型半导体气敏元件组成。MQ-2型气敏元件对液化气、烟雾等气体具有较高的灵敏度和响应度，MQ-7型气敏传感元件对一氧化碳具有较高的灵敏度和良好的选择性[4]。MQ-2型半导体气敏元件在不同浓度的烟雾环境中具有不同的电阻值，通过串接一个分压电阻将变化的电阻转换为变化的电压，再经ADC采样获取气体浓度信息[5]。MQ-7电路原理与MQ-2电路原理相同。报警电路包括由有源蜂鸣器与LED组成的本地声光报警电路[6-7]和由TC35i型GSM模块组成的远程短信报警电路。

3 通信模块程序设计

TC35i模块通信程序：该模块支持多种通信波特率，这里使用9 600 bps的波特率，单片机的串口初始化程序如下所示[8]：

#define F-CPU 11059200//晶振频率

#define BAUD 9600//波特率

void USART-Init（void）

{ UBRRH =（F-CPU/BAUD/16-1）/256；//设置波特率

UBRRL =（F-CPU / BAUD /16-1）% 256；//接收中断使能，接收使能，发送使能

UCSRB |=（1 ? RXEN）|（1 ? TXEN）； } //（1 ?RXCIE）

主要流程如下：单片机通过向TC35i模块发送AT指令操作TC35i模块。上电后，等待TC35i模块联网成功，单片机发送“AT＼n”，若与TC35i通信正常，则返回“OK”；单片机发送“AT+CMGF=0＼n”设置TC35i为PDU中文短信模式，然后发送经过Unicode编码后的短信内容，其中包括短信长度，运营商短信中心号码，接收端短信中文号码和中文短信内容网。

4 结语

当主模块检测到报警信息时发出室内一级声光报警，并主动切换到如图4所示的报警窗口界面，在窗口界面左上角显示报警子模块地址，右上角开始倒计时10 s，中间两行显示报警子模块的烟雾和煤气浓度信息，最后一行提示按任意键可退出报警状态。当右上角的10 s倒计时结束，且未检测到退出报警状态的按键操作时，室外二级声光报警被触发，同时向用户发出远程报警短信，窗口界面右上角显示“GSM”字样。图示报警信息表示地址为2的监测子模块因烟雾浓度异常而发出异常警报，并触发了室外二级声光报警器，同时向用户发送了远程报警短信。

[参考文献]

[1]王俊峰.现代传感器应用技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]陈为刚.基于CC1101的无线传感器网络设计[J]计算机应用与软件，2014（3）：96-98.

[3]吴青，仵博.基于TC35i的GSM报警器的设计与实现[J].微计算机信息，2009（2）：36-37.

[4]吕俊芳，潘军，陈巍.光电感烟火突探测器的电路设计[J].航空计测技术，1999（19）：30-33.

[5]关新，苗红，张汇川.智能火突报警控制系统[J].沈阳工业大学学报，2005（6）：312-316.

[6]杨拴科.模拟电子技术基础[M].2版.北京：高等教育出版社，2003.

[7]唐华光.电子技术基础（模拟部分）[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[8]嚴雨，廉洁.AVR单片机C语言应用100例[M].北京：电子工业出版社，2012.

[9]郑道林.基于MQ-2与GSM的CO监测报警系统的设计[J].电子设计工程，2014（22）：162465.

[10]曾屹，刘辉.单片机原理与应用[M].2版.长沙：中南大学出版社，2009.

[11]张志良.单片机原理与控制技术[M].2版.北京：机械工业出版社，2006.