隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展和人們生活水平的逐漸提升，人們對(duì)住宅的安全性和智能性的要求也不斷提高。傳統(tǒng)防火防盜報(bào)警系統(tǒng)存在線路被切斷以及惡意占線的問(wèn)題，并且需要耗費(fèi)較高的能量，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確監(jiān)控。為此，設(shè)計(jì)單片機(jī)的家庭防火防盜控制系統(tǒng)，對(duì)家庭住宅安全進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)控。

1、單片機(jī)的家庭防火防盜控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單片機(jī)的家庭防火防盜控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)用圖1描述。家庭防火防盜控制系統(tǒng)的關(guān)鍵控制部件是STC89C52單片機(jī)，包含單片機(jī)主控模塊以及各功能子模塊。采用SUM300模塊作為無(wú)線通信模塊，其外圍電路采用JB35G短信息模塊，系統(tǒng)向JB35G模塊反饋短信報(bào)警信號(hào)，單片機(jī)采用RS232串行口與JB35G模塊交流信息。通過(guò)溫濕度測(cè)量、無(wú)線防火、防盜傳感器檢測(cè)室內(nèi)紅外信號(hào)以及火災(zāi)煙霧濃度等信息。單片機(jī)基于GSM短信模塊的通信協(xié)議同其交流信息，完成短信息的收發(fā)。主控單片機(jī)電路對(duì)短信息指令進(jìn)行采集和解析，控制不同的功能子模塊。主控單片機(jī)對(duì)室內(nèi)電源插座開(kāi)關(guān)、窗戶(hù)電燈開(kāi)關(guān)實(shí)施管理，檢測(cè)室內(nèi)溫度、濕度以及煙霧狀態(tài)，存在異常時(shí)通過(guò)短信息報(bào)警。

圖1 ?系統(tǒng)總體構(gòu)成圖

正常狀態(tài)下控制系統(tǒng)處于撤防模式。用戶(hù)不在家里時(shí)，將控制系統(tǒng)設(shè)置成布防模式，通過(guò)無(wú)線熱釋紅外檢測(cè)器、可燃?xì)怏w檢測(cè)器、溫濕度傳感器檢測(cè)信號(hào)，如果警戒區(qū)域中有人入侵或出現(xiàn)火災(zāi)，防火防盜報(bào)警檢測(cè)器無(wú)線發(fā)射電路將發(fā)射信號(hào)，無(wú)線接收模塊采集無(wú)線信號(hào)并向單片機(jī)傳遞中斷申請(qǐng)。單片機(jī)對(duì)中斷進(jìn)行響應(yīng)后，采集報(bào)警信號(hào)對(duì)應(yīng)的編碼器編碼，檢測(cè)出存在異常的傳感器，實(shí)施聲光報(bào)警，向用戶(hù)發(fā)送報(bào)警短信。

2、家庭防火防盜控制的硬件系統(tǒng)

2.1、短信模塊

系統(tǒng)采用JB35G短信息模塊，如圖2所示，其是一種GSM短信息模塊，體積小，廣泛應(yīng)用在遠(yuǎn)程監(jiān)控的移動(dòng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中。JB35G短信息模塊為GSM短信息模塊提供完整的電路，集成SIM300芯片和其外圍電路、天線以及RS232接口等器件，并且包含TCP/IP協(xié)議，能夠完成TCP、UDP傳遞，能夠在PC機(jī)中采用串口實(shí)現(xiàn)短信息的通信規(guī)范解析以及調(diào)制。

圖2 ?JB35G短信息模塊

2.2、STC89C52單片機(jī)

單片機(jī)是一塊硅片中集成單片機(jī)CPU、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及不同輸入、輸出接口的微控制芯片。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用高性能的8位STC89C52單片機(jī)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，能夠看出，其包含40個(gè)引腳，將8KB的可編程閃存當(dāng)成程序存儲(chǔ)器；32條I/O引腳，完成數(shù)字以及脈沖的輸入和輸出；3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器以及6個(gè)中斷源。

圖3 ?STC89C52內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.3、防火檢測(cè)器

設(shè)計(jì)的防火檢測(cè)器包括可燃?xì)怏w檢測(cè)器以及溫濕度檢測(cè)器。其中，可燃?xì)怏w檢測(cè)器用于檢測(cè)火災(zāi)初期形成的煙霧濃度，溫濕度檢測(cè)器用于檢測(cè)火災(zāi)溫度的異常，對(duì)火情進(jìn)行分析，傳遞出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。

2.3.1、溫濕度測(cè)量電路設(shè)計(jì)

采用高度集成的溫濕度傳感器SHT10芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中包含濕度傳感器和溫度傳感器。采用兩線制的串行接口增強(qiáng)抗噪性能并降低能耗。SHT10傳感器通過(guò)總線完成通信，串行時(shí)鐘輸入線SCK可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)同SHT10間的同步通信。SHT10通過(guò)兩個(gè)傳感器形成相對(duì)濕度以及溫度信號(hào)，并對(duì)信號(hào)實(shí)施放大操作。采用A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的模數(shù)變換以及校準(zhǔn)，通過(guò)二線串行接口向單片機(jī)反饋濕度和溫度數(shù)據(jù)，單片機(jī)對(duì)接收的數(shù)據(jù)實(shí)施相關(guān)操作。

圖4 ?SHT10內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

SHT10同單片機(jī)連接電路如圖5所示。串行數(shù)據(jù)DATA三態(tài)引腳可實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)輸入以及內(nèi)部數(shù)據(jù)輸出，其中的數(shù)據(jù)是溫濕度數(shù)字值以及控制命令。當(dāng)SCK時(shí)鐘處于高電平時(shí)，單片機(jī)同SHT10完成數(shù)據(jù)通信。為確保信號(hào)間通信的順利進(jìn)行，單片機(jī)將數(shù)據(jù)線降低，將引腳設(shè)置成高阻態(tài)。

圖5 ?SHT10與單片機(jī)的連接電路

2.3.2、可燃?xì)怏w檢測(cè)器

采用高敏感度的QM?N10半導(dǎo)體氣敏傳感器檢測(cè)室內(nèi)的可燃?xì)怏w，其依據(jù)氣體在半導(dǎo)體面的氧化一還原反應(yīng)造成敏感元件阻值波動(dòng)而制造的，按照氣敏電阻器的阻值波動(dòng)，獲取可燃?xì)怏w的情況，電路如圖6所示。

若QM?N10氣敏半導(dǎo)體傳感器處于潔凈空氣中，則A，K兩點(diǎn)間存在較高的電阻，通過(guò)RP4的電流較低，K點(diǎn)是低電平，三級(jí)管不導(dǎo)通輸出低電平；若接觸到有毒氣體，A，K兩點(diǎn)間的電阻大幅度降低，K點(diǎn)電位提升，三級(jí)管導(dǎo)通輸出高電平。

2.4、防盜檢測(cè)器

系統(tǒng)采用的防盜檢測(cè)器是無(wú)線發(fā)射熱釋紅外線檢測(cè)器，通過(guò)接收移動(dòng)人體輻射出的特定波長(zhǎng)的紅外線，將其變化成同人體運(yùn)動(dòng)效率、距離以及方向相關(guān)的低頻電信號(hào)。傳感器的電壓響應(yīng)度同入射光輻射波動(dòng)頻率間存在負(fù)相關(guān)性，因此檢測(cè)器無(wú)法檢測(cè)到固定的紅外輻射照射。人體進(jìn)入監(jiān)控范圍后，人體溫度導(dǎo)致環(huán)境溫度輻射場(chǎng)出現(xiàn)波動(dòng)，采用菲涅爾透鏡熱釋電紅外探頭檢測(cè)人體溫度同背景溫度的差異信號(hào)，在負(fù)載電阻中形成電信號(hào)。電信號(hào)同敏感元件的溫度波動(dòng)效率相關(guān)。通過(guò)后級(jí)對(duì)比器和狀態(tài)管理器形成輸出信號(hào)。熱釋電紅外檢測(cè)器由熱釋電紅外傳感器RE200B、紅外傳感信號(hào)處理器以及菲涅爾透鏡構(gòu)成。

圖6 ?QM?N10氣敏傳感器電路

2.5、單片機(jī)與短信模塊串口通信

STC89C52單片機(jī)與JB35G短信息模塊的通信是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其可采用短信息控制系統(tǒng)，向外報(bào)警通信。JB35G移動(dòng)通信模塊采用異步通信方式，其中各數(shù)據(jù)通過(guò)相同的幀格式傳輸。STC89C52單片機(jī)包含運(yùn)行在異步通信環(huán)境下的全雙開(kāi)串行口，該串口占用單片機(jī)P3.0以及P3.1，分別對(duì)應(yīng)接收端RXD以及發(fā)送端TXD。STC89C52串口內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 ?STC89C52單片機(jī)的串口內(nèi)部結(jié)構(gòu)

單片機(jī)串口包括接收、發(fā)送緩存器SBUF，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送以及采集，發(fā)送緩存器是只寫(xiě)模式，接收緩存器是只讀模式。STC89C52串行口控制寄存器SCON用于調(diào)控串行口的運(yùn)行模式以及波特率。定時(shí)器T1是串行口的波特率發(fā)生器。JB35G移動(dòng)通信模塊通過(guò)RS232串口同單片機(jī)進(jìn)行通信。JB35G移動(dòng)通信模塊串口同單片機(jī)的邏輯電平存在差異，應(yīng)將單片機(jī)的信號(hào)電平變換成RS232電平，或者采用電平變換芯片MAX232對(duì)兩種電平進(jìn)行逆變換。

3、家庭防火防盜控制軟件設(shè)計(jì)

3.1、系統(tǒng)主程序

基于單片機(jī)的家庭防火防盜控制系統(tǒng)中的主控單元單片機(jī)可采集不同監(jiān)控子功能模塊反饋的信息，采用串口以及GSM通信模塊向用戶(hù)手機(jī)傳遞短信息，并采用GSM通信模塊對(duì)信息實(shí)施解析，按照信息內(nèi)容處理相關(guān)的控制執(zhí)行子功能模塊。系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，單片機(jī)執(zhí)行主程序，其流程圖如圖8所示。主程序?qū)Ω鞑考M(jìn)行初始化設(shè)置；再實(shí)施讀溫濕度、讀時(shí)鐘以及鍵盤(pán)檢索等子程序，在液晶屏中呈現(xiàn)結(jié)果；系統(tǒng)等待中斷，單片機(jī)響應(yīng)中斷后執(zhí)行不同的中斷服務(wù)子程序。不同的防火防盜監(jiān)控模塊基于外部中斷請(qǐng)求中斷，采用串口中斷完成短信息的傳遞和采集。

圖8 ?系統(tǒng)主程序流程圖

3.2、外部中斷子程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)報(bào)警主機(jī)的無(wú)線接收模塊采集無(wú)線傳感器反饋的報(bào)警信號(hào)時(shí)，采用外部中斷向單片機(jī)請(qǐng)求中斷，單片機(jī)中斷后進(jìn)入外部中斷子程序，流程圖如圖9所示。按照用戶(hù)需求，系統(tǒng)存在布防以及撤防兩種模式。單片機(jī)檢測(cè)布防按鍵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，分析系統(tǒng)的運(yùn)行模式。若布防開(kāi)關(guān)閉合，則控制系統(tǒng)處于布防模式，系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置后，將室內(nèi)溫濕度以及時(shí)鐘信息呈現(xiàn)在液晶屏上，再等待中斷申請(qǐng)。若發(fā)現(xiàn)外部中斷，則單片機(jī)對(duì)中斷實(shí)施響應(yīng)，采集數(shù)據(jù)碼，判斷產(chǎn)生警報(bào)的傳感器，傳遞出聲音信號(hào)進(jìn)行報(bào)警，向戶(hù)主反饋短信息。當(dāng)布防接口開(kāi)啟，系統(tǒng)處于撤防模式，系統(tǒng)將室內(nèi)溫度以及時(shí)鐘呈現(xiàn)在液晶屏中，單片機(jī)響應(yīng)報(bào)警中斷后，直接跳出中斷。

圖9 ?外部中斷服務(wù)子程序流程圖

4、系統(tǒng)的性能測(cè)試

4.1、短信息發(fā)送檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)將下載編譯好的hex文件下載到本文設(shè)計(jì)的家庭防火防盜控制系統(tǒng)中的STC89C52單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)輸出的調(diào)試信息如圖10所示。能夠看出，短信發(fā)送成功，說(shuō)明本文系統(tǒng)檢測(cè)成功。

圖10 短信發(fā)送成功圖

4.2、傳感器檢測(cè)

實(shí)驗(yàn)用手遮住菲涅爾透鏡模擬防盜效果，采用可燃紙煙和QM?N10氣敏半導(dǎo)體傳感器模擬防火效果，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如圖11所示。可以看出，本文系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了防火、防盜檢測(cè)。

圖11 ?檢測(cè)結(jié)果

4.3、室內(nèi)進(jìn)出人員檢測(cè)

通過(guò)無(wú)線發(fā)射熱釋紅外線檢測(cè)器對(duì)室內(nèi)進(jìn)出人員進(jìn)行檢測(cè)，具體的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1傳感器的距離、夾角等對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾

分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，在控制系統(tǒng)中兩個(gè)無(wú)線發(fā)射熱釋紅外線檢測(cè)器位置較近的情況下，檢測(cè)結(jié)果不正常。人和傳感器的距離高于85cm的情況下，檢測(cè)結(jié)果不正常。因此能夠得到，兩個(gè)傳感器距離為4.5cm左右，夾角在40°左右，能夠獲取最佳的檢測(cè)結(jié)果。

5、結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的家庭防火防盜控制系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)可以看出該系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行穩(wěn)定，取得了令人滿(mǎn)意的效果。