论文研究-一种基于 Arduino 的远程火灾报警系统设计与实现 .pdf

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一种基于 Arduino 的远程火灾报警系统设计与实现,吴凯,王晨升,本火灾报警器项目基于 Arduino 控制器,利用GSM通信模块和火灾相关的多种报警器,在火警发生时通过程序内实现的转换算法将感应信息传送�
国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 工作原理与工作条件(正常工作的环境要求与电气特性要求)有所了解并且有序连接。在传感 器性能可以保证的情况下,重点是串口通信协议,和调用SIM-9O0A内部MCU所需的AT命 令语法的有效利用。 13系统开发与测试流程计划 在系统开发与测试环节方面,我们决定用测试开发的方法7。系统测试内容方法包括 不同模块单独的基本功能测试;传感器敏感度测试;SI900A性能测试;系统总体运行观察后 的软硬件联合调试,健壮性测试(包括观察不同模块功能执行的顺序是否会对系统的的整体运 行产影响,运行环境的改变对系统的影响等等)。测试顺序要从下至上,只有确保底层工作正常 才能确休上层已正常,从而保证系统的稳定性 在系统的调试过程中我们当然也碰到过间题,比如一开始传感器出现了误报情况,经过分 析后我们发现一方面是传感器在硬件上电位器当前阻值较小导致其过于灵敏,另一方面程序上 需要消抖动,当火焰和烟雾持续一定时间后再触发报警模块 这种从下到上,基于测试的开发方法其来有自,实际上它的流程和软件工程中的测试驱动 开发( Test Driven Development,TDD)是一脉相承的。以后的工程经验中相信这种方法论也会 产生提高开发效率。 2重要模块功能介绍 2.1GSM通信 火灾报警器的远程报警功能可谓是本项目的重点,这由GSM模块SIM-9O0A完成。SIM 900A是一款双频900/1800MHz高度集成的GSM模块,为知名电子厂商 SIMCOM的产品。 自带RS232通讯接口,可以方便地与PC机、单片机连机通讯。模块的工作电压为3.3-5.5V 可以工作在900Mz和1800MIz两个频段,所在频段功耗分别为2w(900M)和1w(1800M)[8。 硬件连接的时候,需要沣意一些问题。比如SIM卡的连接方式,是外接的,SIM卡的工 作电压要注意不能超出范围。软件编程的时候,串口通信波特率的设置,要与单片机的相吻合。 编收发短信旳时候,前后的逻辑关系要搞凊楚,这样易于实现。根据开发板旳与GSM模块的 吻合要求,我们让定时器工作在模式2,串口通信工作在模式1,双倍波特率通信。设置这些参 数需要在程序里通过预设单片机的PCON,SCON,MODE等特殊寄冇器实现。串行口工作之 前,应对其进行初始化,主要是设置产生波特率的定时器1、串行口控制和中断控制。具体步 骤如下:确定T1的工作方式(编程TMOD寄存器);计算T1的初值,装载TIIl、TL1;启 动T1(编程TCON中的TR1位);确定串行口控制(编程SCON寄存器);串行口在中断方 式工作时,要进行中断设置(编程I、IP寄存器)。串口通信的设置在本项目中地位十分重要, 涉及系统初始化与GSM模块通信功能的正常与否。而 Arduino的通用TTL接凵通信则让它 的拓展性与鲁棒性同时得到了俣证。GSM模块使用标准的A冖扩展命令实现不同的通信功能, 常见AT信令如下图1: 山国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn A指令 Function(功能 AtEO RESET AT+CREG 网络注册,获得手机的注册状态 AT+CNMI 新信息指示,这个命令选择如何从网络上接收短信息 AT+CMGF 优先信息格式,执行格式有TFXT方式和p)方式 AT+CSCA 短信息中心地址 AT+CMGR 读短信,信息从+CPMS命令设定的存储器读取 AT+CMGD 删除SM内存中短信息,删除一个或多个短信息 AT+CMGS 发送短信息 图1:GSM常见AT命令组合机器含义 2.2烟雾感知模块 我们使用MQ-2传感器作为烟雾感知模块,它可以用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置, 适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、烟雾等的探测;灵敏度可调(图中蓝色数字电位器调 节)。电气特性与火焰传感器相似。对于两个传感器我们在此只用到其数字开关量输出管脚。 很多情况下,一些配件厂商都会将这些器件和固定的电阻电容器件搭配起来,比如搭配 个电位器和相应传感器集成到一个小型印刷板上,这样输出就可以进入数字端的高低范围当作 数宇输入使用。这样做的好处是数宇端口的高低状态分明,可以在程序里使用对应变量清楚地 触发某事件。当然有些器件(比如本项目中使用的无缘蜂鸣器)本身就是数字电路系统下常用 的器件,便不用接外设电路了 23温度感知模块 本项日使用I公司的LM35作为温度传感器,它是一种串口温度传感器,输出模拟数据, 这可以用 Arduino类库屮自带的 a.nalogread函数读取,非常方便。对于这种构造比较简单的器 件,通过阅读器件手册就能知道很多信息、。不过需要注意的是传感器输出的一般都是电气特性 物理量,而本项目麥发送的显然是温度等物理量,这说明在通信之前必须要对输入量做相应转 换,这需要 Arduino的ADC参数与一些基本的数字电路知识 3系统工作流程演示 系统的实物如下图2:系统开机时显示注册与友好初始化信息如下图3:当明火靠近系统2s 以上时触发报警系统,同时蜂鸣器开始报警并且先发送短信警报,后发送电话警报,相隔大约 s;警报以3s为周期默认鸣响24s,液晶显示警报如下图4 按下按键可以实现主动警报功能,报警流程如上所述。再按一次可以取消此流程。需要注 意的是,明火持续时间如果短于2s,是不会触发报警系统的。 国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 模块注册【o 注意明火风险 图3:模块注册成功提示 图4:报警信息 图2:系统实物展示 4系统评佔与展望 木项目虽然基本达到了预期的效果,但还是有不少改进之处。第一是GSM模块本身对工 作电气环境与电磁场环境要求极高,外围电路很多。启动需要耗费一定的时间.这对及时报警 的考量就产生了一定的不利影响⑨。要达到更快的报警时间就必须对SIM900A原芯片做深度 的二次开发。但限于笔者有限的工程水平及和本芯片的知识产权因素,要进行二次开发还比较 困难,只能先用其他厂商封装号的开发模块进行工程案例型的系统开发。 第二点是 Arduino uno控制器本身的IO口比较有限,这无形中限制了传感器的数量。在 本系统屮仅仅用了三个传感器就使得接∏资源比较紧张,因为还要预留两个给GSM模块做双 向的TIL通信,还要预留7个IO口作为1602LCD的数据传输与读写使能等必要接人;那么 剩下留给传感器的资源自然就不多了。这也从一个侧面说明 Arduino在有效控制了成本的同时 在硬件资源的氽量上产生了一些遗憾。而传感器资源对于报警系统来说恰恰是重要的一环。不 妨设想现实场景中,警报触发后应该有一连串的反馈动作开始,比如控制继电器启动灭火装置, 电控打开厂房大门以供员工逃生等等。要想实现足够多的功能,更换IO资源丰富得多的FPGA 芯片是一个合适的选择,但正如前文所述,开发的难度和成本就上升了,有舍有得,需要使用 者根据生产生活的情况去考量 第三点时系统本身警报的效率还不够。一方面木系统的功率较小,如果放在现实场景中 个简单的无源蜂鸣器就算响上一天都不一定会被察觉,这就需要功率放大电路来驱动高音喇叭 产生声音更洪亮,持续时间更久的警报声。另一方面实际生活场景中一个监控系统往往要负责 一片面积较大的地区,仅仅靠简单的几个传感器无法确保感知面积如此之大的地区。这时候就 需要布置传感器阵列让他们协同工作,这后面又需要更复杂的算法支持,甚至需要用到诸如通 信冲突处理和决策推断等比较复杂的理论。但限于本项目仅作原型演示而用,并没有做到这 点,事实上 Arduino uno控制器单兵作战也不能达到这些适合真正生产生活场景的需求,还需 要和其他很多设备一起协同工作控制传感器与交互端等设备组。 国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 5结论 Δ rduino作为秉持开源精神的嵌入式系统开发平台,有着大量的硬件资料与许多贡献者无 私的技术支持,降低了电了制作爱好者的门槛。在硬件系统性能上没有很多多妥协的前提下大 大减小了嵌入式系统的功耗,提升了便槜性。在软件开发流稈上通过第三方编写的类库函数使 得项目程序整体简单易读,更接近积木化的模块设计,也体现了面向对象的设计模式思想[10]。 这对嵌入式系统开发以前软硬都要深人使得难度颇大的旧情况发生了改变,让人们可以尽快入 门,用白己的智慧做出各种各样实用的电子制作 本远程火灾报警器采用GSM/GPRS通信方式,可以做到开机就附着到GSM/GPRS网络 上,使用GSM/GPRS数据业务时,在经历1-3s的激活过程后,就可进行数据传输通信,通过 在多个无人值守变电站的初步应用,证明其非常适合于火灾自动报警监控网络。它的应用对于 实现火灾的早期预防、火灾报警信息的及时发现和及时处理都具有重要意义。 参考文献(R ererences l]GB50313-2000城市消防通讯指挥系统设计规范S] 2]武裝,周云峰.基于GPRS+WEB分散点工业数据采集与监控.传感器技术,2004,23(6) 51 阝门茂琛,任天平,方舒燕.小区智能化综合评价指标体系探讨[刂·郑州大学学报工学 版,2005,26(3):46-49 4赵人成,贾海燕.手机短信收发的AT指令控制,.信息工程人学学报,2004,5(2):95-97 5 Kymissis. I, Sarik Lab kits using the Arduino prototyping platform. Frontiers in Education Conference(FIE), 2010 IEEE 6 Badamasi, Y.A. The working principle of an Arduino Electronics[J, Computer and Com- putation(ICECCO),2014 7 Murthy, A.A. Rao, N. Beemaiah, Y.R. Shandilya, S.D.; Siddegowda Design and Construc tion of Arduino-Hacked Variable Gating Distortion Pedal[J, R BAccess, IEEE ]卫革.基于单片机的GPRS无线通信系统设计,[D]北方工业大学硕士学位论文,2010 9 Lih Chich Png: Liangquan Chen; Song Liu. An Arduino-based indoor positioning system IPS)using visible light communication and ultrasound J Consumer Electronics- Taiwan (ICCE-TW), 2014 IEEE International Conference 10 Costanzo, A. An arduino based system provided with GPS/GPRS shield for real time monitoring of traffic Hows. [J Application of Information and Communication Technologies (AICT), 2013 7th International Conference

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