基于单片机和GSM的通信机房安全报警器设计

陶壮壮

（河南工业和信息化职业学院，河南 焦作 454000）

0 引 言

近年来，通信设备的自动化和智能化水平不断提升，机房的安全问题越来越受到人们的重视。作为现代通信传播的重要承载，一旦机房出现火灾等问题，会直接影响到区域内通信网络的正常运行，造成严重的财产损失，影响到人们的正常生活。因此，必须重视机房安全性问题，设计确保通信设备正常运行的机房安全报警器，实现对机房进行实时监控。在控制器中采用单片机，在通信机房内部装置烟雾传感器、温度传感器等，同时在工位上安装人体红外传感器，实时监测机房内可能出现的安全隐患，并通过声光系统报警的方式传递信息，确保报警器设计的合理性。

1 整体方案设计

采用STM32F103C8T6单片机作为机房安全报警器的控制核心，借助人体红外传感器获取红外信息，借助烟雾传感器、温度传感器等实时监测机房是否存在火灾安全隐患。一旦发现火灾隐患，则立即通过GSM模块传递警报信息。安全报警器系统中包括单片机、GSM模块、警报模块、控制模块以及各类传感器等，整体的设计框架如图1所示[1]。

单片机是通信信号采集的核心，也是进行信号处理的重要单元，同时还具有信息发送和传递的功能。由于单片机系统处于特殊的电磁环境，因此需具有较强的抗干扰能力[2]。GSM系统是信息发送的重要模块，需选用符合质量要求的工业级芯片，功能相对多样且具有标准的串行接口，能够与单片机有效连接，使用更加快捷。此外，可以通过指令实现短信收发，同时还能设置不同的操作模式。烟雾传感器模块主要是检测空气中的烟雾浓度，并将其转换成信号输出。烟雾传感器可以选用离子式传感器，工作相对稳定可靠。一般情况下，内外电离室的电流相对比较稳定，但如果通信机房出现烟雾，会对带电粒子的正常运动产生干扰，随之也会改变电流和电压，破坏机房内外电离的平衡，此时发射器则会发出警报信号并传递警报信息。

2 电路和程序设计

2.1 电路设计

通信机房安全报警器的电路设计主要包括单片机外围电路设计、温度传感器电路设计、报警电路设计以及显示电路设计等。温度监测电路设计中涉及到数字温度传感器DS18B20，借助单片机的接口对DS18B20加以读写，可以得到当前环境的温度值。报警电路设计中采用蜂鸣器，充分发挥其提示、报警的功能。蜂鸣器是一种广泛应用于多种电子产品的元器件，在应用中工作电流较大，可通过增加三极管来增加蜂鸣器的电流。蜂鸣器的一端连接到电源上，另一端连接到三极管。在管脚低的状态下，三极管处于联通状态，此时电流回路，可以用各管脚的高低控制发声是否开启和关闭。显示电路的设计中可以采用数码管，其显示内容相对简单，但电路的焊接设计相对较难[3]。采用LCD1602液晶显示，功耗相对较低，数字内容多样，能满足显示的基本要求。报警电路板块主要用单片机程序进行设计，需确保在发生火灾等险情时能及时传递警示信息，避免因突发情况无法联系造成损失。

2.2 单片机系统设计

通信机房安全报警器控制系统设计中，选择使用AT89S51单片机。通过将CPU芯片、存储器芯片、I/O接口芯片以及简单的I/O设备连接在相应的印刷电路板中，再将应用程序下载到单片机中，这样就形成了一个小型的单片计算机，也就是单片机。最小系统是整体系统启动工作运行的最小模块，必不可少。单片机拥有自己的最小系统，其主要作用是实现系统运算以及控制目标，让系统保持初始状态下执行的复位电路。根据系统设计需要，选择如下图2所示的包含芯片引脚及拓展插针的单片机。

在该通信机房安全报警器系统设计中，单片机通过采集周围的系统环境数据，借助数字形式开展传输，实现有效的报警控制，将动态的通信设备运行参数和变化情况记录下来，进行动态数据监测，能够结合系统设定的安全报警控制目标，执行相关操作，在发现异常情况时，能够及时有效的开展报警控制。

2.3 程序设计

基于通用编程软件Keil uVision5，采用C语言程序编写系统，程序编写主要涉及单片机连接AD量采集程序、GSM模块系统和单片机之间的通信传递指令、短信内容程序、红外传感器信号程序、扫描键输入程度以及蜂鸣器控制程序等[4]。

在通信机房正常工作状态下，安全报警器实行上电工作，模块中的烟雾传感器和温度传感器的探头开始加热工作，对机房内外环境的烟雾、温度等信息数据进行采集处理，并将处理数据传送给单片机。单片机接收到传感器所传递的数据后，进一步对这些数据进行分析。当任意一个传感器的参数高于安全参数值时，进一步进行人体红外检测。如果在检测中发现是周围环境中有人员存在，单片机则会即刻发出指令，确保声光报警模块能发出警示信息和灯光。与此同时，GSM模块也会发送对应的报警信息到对应的手机等移动终端，然后程序才会结束运行[5]。

采用CC2430芯片实现无线传输，其编程具有较大的灵活性和自由性，能实现不同的控制算法和逻辑算法。由于支持无线传输的单片机成本相对较高且程序复杂，电路设计难度也更大，因此可以采用NRF24L01芯片，不仅能实现无线传输，而且整体成本较低，单片机软件的编程也比较自由，能满足各种逻辑和控制算法的需要，符合节能设计的要求，也具有较强的抗干扰能力，在通信机房等场合的应用中编程比较方便[6]。

3 安全报警器系统调试分析

3.1 硬件测试

通过分析机房安全报警器工作原理，选择符合要求的传感器和其他功能模块的元器件等进行通电测试，在测试工作完成后再进行硬件搭建工作[7]。结合设计好的系统布局，通过万用板等对排母连接灰排线等进行焊接作业，并借助万用表对电阻电容的功能性进行测试和对比。此外，对硬件系统中所涉及到的元器件基本参数进行分析并与标准的参数进行比对，最终选择偏差相对较小的元器件[8-10]。采用万用表对灰排线的线路等进行测试，如果万用表出现蜂鸣声则表明线路导通正常，反之则表明出现断路问题。万用板测试完成后还要插入各个传感器、单片机以及GSM系统模块，通电后再次用万用表对系统的电压加以测试。

3.2 系统调试

对各个模块和程序等进行调试，查看其是否具有对应的功能。收集对应的数据信息，将其整理成表格，然后对这些数据信息进行分析，不断优化完善机房安全报警器系统设计。借助仿真器对不同传感器、不同模块的子程序进行下载，将其存放到单片机中，对子程序的运行进行分析，查看子程序是否正确。根据实际需求对其进行多次调试，确保各个子程序最终符合要求。

在烟雾传感器的调试工作中，单片机系统通电后可以在烟雾传感器探头周围放置燃烧的纸张，然后观察采集到的AD数值是否发生了变化，同时关注发光二极管是否开启变亮。如果AD值有巨大的波动且发光二极管变亮，则证明此状态下烟雾传感器系统功能正常；如果其中任何一个条件不满足，则需要进行重新调试。在红外传感器的调试作业中，工作人员可以将手放在探头上，查看是否处于高电平状态。同时也可以正确输出后用盖子盖住探头，查看是否处于低电平状态。如果出现异常或灵敏度不够，则需要再次调试。GSM模块的调试环节需要先启动模块并和单片机连接，然后发出AT指令，测试指令的正确与否。对按键模块的调节主要是下载按键扫描的子程序，通过操作按键并采用万用笔对输出的电平进行测量。正常来讲，按键按下时的电平为低电平。

3.3 调试和改进系统

当机电安全报警器通电运行后，烟雾传感器和温度传感器会对所处环境的温度变化、烟雾及一氧化碳的浓度等进行检测。红外传感器会对所属范围内的人员加以检测，并将所检测到的人体运动通过不同颜色进行显示，一般以红、绿、蓝3种颜色来表示不同的运行状态。显示器可以实时动态地显示空气中烟雾的浓度和温度等信息参数。当烟雾浓度或温度参数超过安全阈值时，蜂鸣器等会进行声光报警，同时GSM模块也会给设定的移动终端发送短信。通过不断的调试，查看报警器上电运行后，如果环境中存在异常情况，系统是否可以正常发送短信到手机上，以此来监测整体设计是否科学。除此之外，系统的调试改进还包括软件和程序的调试，对错误代码等进行修改。将程序下载到系统实物中，对温度、烟雾浓度等初始值的设定进行分析，根据结果对系统程序进行调试，确保系统正常运行后才能结束调试。

4 结 论

综上所述，以单机片为控制核心，将烟雾传感器、温度传感器、红外传感器等与GSM系统有效结合设计了一种通信机房安全报警器。通过系统测试，其能够在检测到机房安全隐患时及时发出警报信息，通过GSM模块迅速传递信息提醒相关工作人员采取有效措施，具有一定的应用价值。