基于GSM的試驗船安全防護報警系統設計

聶際峰

（中國船舶集團有限公司第七一五研究所，浙江杭州，310023）

0 引言

本系統以GSM通信網絡和單片機為核心，搭建了一種穩定可靠的智能化安全報警系統。該系統通過模塊化的傳感器和GSM網絡通信的形式與用戶交互，用戶也可通過向GSM通信模塊發送短信指令控制外圍設備或查詢環境數據。該系統易搭建、成本低，可實現多樣化、無線化、遠程化監測的智能化安全報警功能，具備良好的應用推廣和市場價值。

1 系統設計

本系統以GSM通信網絡為基礎，52單片機為主控核心，由火災檢測模塊、煙霧檢測模塊、紅外檢測模塊、繼電器控制模塊、聲光報警模塊、顯示模塊等組成。模塊化的設計使系統工作時穩定性更高，同時可根據用戶的需要選擇安裝位置，將單個檢測模塊實現嵌入式安裝，聲光報警模塊安裝在顯眼空曠的地方。

系統中通過熱釋電紅外傳感器采集區域人員私自進入報警信息，溫度傳感器采集各區域環境溫度數據信息，煙霧傳感器采集液化石油氣、酒精、汽油等易燃品存放、使用區域的空氣數據信息，通過GSM通信模塊實現遠程的通信功能。不同的傳感器檢測模塊對試驗船舶各艙室或試驗室的區域人員管控、氣體泄漏、火災實現了智能化的實時監測，并實現了自動報警功能。若發生危險，單片機給出信號，蜂鳴器及報警燈工作，同時GSM通信模塊給用戶發生含有具體信息的通知，用戶可以通過發送短信控制指令控制繼電器的開關以進行應急處理，當警情消除后，可通過手動按鍵復位解除報警[1]。

圖1 系統總體結構

2 系統硬件設計

2.1 單片機控制模塊

STC89C52相對于其他單片機，其價格較便宜，工作性能穩定可靠，帶有4KB的內部存儲空間，擁有2路PCA捕獲/匹配，自帶A/D轉換，不需要再附加額外的轉換電路。他的控制指令與8051其他單片機兼容，適用于各種儀器與工業控制。本系統以52單片機為主控核心，主要應用其PWM（或捕捉/比較單元）、四路10位高速A/D轉換模塊、SPI接口、定時/計數器、I/O接口等功能模塊。根據檢測單元的高低電平變化，來決定是否發出報警指令。

圖2 單片機控制模塊

反相放大器是單片機芯片內部的一個振蕩電路。在18和19號引腳上外接一個并聯諧振電路，這樣內部的振蕩器就能在外部電路的作用下產生自激振蕩。并聯諧振電路有一個石英晶體定時元件和兩個電容組成。同時在單片機的RST口外附加一個復位電路，復位電路的作用就是當單片機程序出現故障或者陷入死循環的時候，重新啟動系統，重新開始。單片機系統要得到有效的復位，只要在單片機的RST引腳上電接入一個至少持續2us以上的高電平。該系統中當單片機上電后，系統就會進行復位，開機的時候初始化，單片機的串口和模塊都會初始化。為了防止系統出現報警時能有效地處理，設置了一個手動復位按鍵。

2.2 GSM通信模塊

SIM800L模塊價格低廉，遠低于西門子的TC35。而且性能優于之前常用的SIM900A，串口為TTL串口，可以直接與單片機連接,支持四頻GSM/GSRS。模塊上有一路網絡指示燈，上電后模塊自動開機，自動尋網，有信號時指示燈慢閃，無信號快閃。SIM800L模塊的產品尺寸較小，其物理尺寸只有：15.8mm*17.8mm*2.4mm，極其適用于緊湊型的產品設計。該模塊有PDU、TEXT兩種短信模式，本系統使用TEXT模式，短信發送內容主要以英文和數字為主。

GSM模塊串口通信部分通過單片機串口發送和接收專用的AT指令來實現對GSM模塊的控制，包括波特率、工作方式等。系統中使用的AT指令示例如下所示：

發送定義AT[]="AT "指令，使sim800模塊與單片機建立連接；發送定義AT_CMGF[]="AT+CMGF=1 "指令，將GSM模塊的短信息格式設置為TEXT模式；發送定義AT_CMGS[]="AT+CMGS="指令，發送短消息到指定號碼；發送定義AT_NUM[]="xxx”指令，設置指定號碼，短消息發送到指定號碼；發送設置指令AT_IPR[]="AT+IPR=9600 "，設置系統波特率9600。發送指令 AT_Tem[42]="C,Temperature exceed limit,please note!"，設置溫度超過界限提示語。

2.3 煙霧檢測模塊

一般民用氣體檢測大多使用半導體金屬氧化物氣體傳感器，該傳感器通過吸附被測氣體，而改變半導體自身的電導率，然后通過簡單的電路檢測電壓，電壓比較器與設定值比較來決定是否報警。在清潔空氣條件下，其電導率很小，并且其一旦與還原氣體或易燃或易爆氣體接觸，電導率將迅速增加。MOS傳感器也可以用于檢測輕微變化的各種有毒氣體和易燃易爆氣體。但是一般有毒氣體或者易燃易爆炸氣體都容易附著在氣敏材料上，對測量產生影響。半導體式傳感器感應靈敏但是也更容易受到干擾，氣溫、附著物都會有很大的影響，輸出的線性不穩定，測量值誤差較大，同時其價格較貴。因其對環境氣體變化的反應十分靈敏，它最常使用的領域是檢測有毒或者易燃易爆炸等氣體的微漏現象。

圖3 GSM通信模塊電路

本系統設計中選用MQ-2型煙霧傳感器作為氣體檢測模塊，該傳感器對液化石油氣、天然氣、酒精等煙霧具有很高的靈敏度，對甲烷、丙烷、丁烷等烷類煙霧最為敏感，可準確地排除其他非可燃煙霧的干擾，并且其穩定性好、響應時間短、驅動電路簡單。

圖4 煙霧檢測模塊電路

MQ-2型煙霧傳感器的氣敏材料是二氧化錫，一般使用不銹鋼或者塑料制作腔體，將二氧化錫、測量電極及加熱器等構成的氣體敏感元件固定在腔體內。封裝好的模塊共6只針腳，其中兩只用于加熱器使用，為氣敏材料提供良好的感應條件。該氣敏材料在清潔空氣中電導率較低，其電導率受所處環境中的敏感煙霧濃度影響[3]。當濃度慢慢增加，其電導率也會增加，引起電壓變化。選取LM393運算放大器作電壓比較器使用，當2號引腳電壓大于3號引腳時，輸出低電平信號報警。

2.4 火災檢測模塊

DS18B20溫度傳感器是一款單總線設計的產品。它可以直接將測量到的溫度量轉化成單片機可以直接讀取的數字信號，不需要進行A/D轉換，可以簡化電路減少錯誤的發生[4]。每個DS18B20在出廠被賦予唯一的64位長的序號，因此在實際使用中，可將多個DS18B20存放在同一條單線總線上，在不同的位置放置溫度敏感器件，實現多點空氣溫度監測，測量范圍從-55℃到+125℃，增量值為0.5攝氏度，測量數值準確。電路中DS18B20接5V供電，串聯一個上拉電阻，保證數據在電路中傳輸時的穩定，增強數據傳輸時的抗干擾能力。

圖5 火災檢測模塊電路

2.5 聲光報警模塊

蜂鳴器和LED燈是否工作是由單片機引腳的高低電平來控制。當引腳為高電平時，NPN型三極管導通，蜂鳴器的電工作做出報警聲音反應，LED燈發出紅色報警燈光。

圖6 聲光報警模塊電路

2.6 紅外檢測模塊

熱釋電紅外傳感器屬于弱信號檢測裝置，是一種被動式檢測裝置。自然界所有有溫度的物體都會發出紅外輻射，不同的物體有不同的溫度就有不同的紅外線波長，人是具有恒定溫度的動物，會發出10μm左右長度的特定波長，通過傳感器外部的菲涅爾透鏡作為濾光片后，通過的波長約7～10μm，便成為人體探測專用的紅外模塊[5]。該模塊可實現全自動感應，人體進入模塊感應范圍輸出高電平，人離開感應范圍后自動延時一段時間后輸出低電平。

該模塊可根據硬件設計時的需求有兩種觸發方式可以設置：（1）不可重復觸發方式，即模塊檢測到信號輸出高電平后，在進行一段時間延遲后（延時時間長短可調），輸出電平將自動從高電平變成低電平；（2）可重復觸發方式，即模塊檢測到信號感應輸出高電平后，在之后設置好的一段延時時間內，如果模塊能一直感應到人體信號，模塊輸出將一直保持高電平即再次順延一個延時時間段，直到感應范圍內沒有檢測到人體，其高電平輸出自動變為低電平。同時該模塊可設置感應封鎖時間，即感應模塊在進行一次感應輸出后，進入一個封鎖時間段，在該時間段內感應器不進行任何感應信號。該功能可實現模塊在不同場景應用下得到更合適的設置，比如間隔人體探測產品；同時可有效抑制負載切換過程中產生的各種干擾。

2.7 顯示模塊

由于系統使用數字和英文信息并考慮實際問題，本設計選用性能穩定、價格低廉的LCD1602液晶顯示器作為系統溫度監控的顯示模塊。它是一種點陣式液晶屏，能顯示英文、數字及符號等內容，顯示的字符之間都有間隔，還可以通過外接電阻改變阻值來調節液晶屏的對比度。

3 軟件設計

開機后系統初始化，然后各個不同的檢測模塊采集環境數據信息(1)通過溫度傳感器感應環境溫度；（2）通過MQ-2可燃氣體傳感器檢測環境煤氣濃度信息；(3)通過紅外熱釋電傳感器感應周圍人體體溫信息；(4)LCD液晶模塊顯示實時環境溫度信息，并與預設值進行比對，如果某項數據超限即觸發現場聲光報警并向用戶發送報警電話、短信。若環境數據正常，則一直循環檢測。此外，用戶可以發送撥打注冊電話或者發送短信指令查詢環境數據和控制繼電器的開關，方便用戶對環境情況的及時監控。程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

主要檢測模塊的工作流程如下：

（1）火災報警：液晶屏顯示環境實時溫度，默認報警溫度設置為50攝氏度，單片機主控收到有效的電平變化信息后處理數據并發送控制指令，蜂鳴器的電工作發出聲音，報警指示燈亮，并發送指定短信內容的短信給程序中設定的手機號碼，內容是“C,Temperature exceed limit,please note!”。C是實時環境溫度。

（2）防盜報警：單片機主控收到有效的電平變化信息后處理數據并發送控制指令。蜂鳴器的電工作發出聲音，報警指示燈亮，并發送指定短信內容的短信給程序中設定的手機號碼，內容是 ：“Someone in the house,please note!”

（3）煤氣泄漏報警：單片機主控收到有效的電平變化信息后處理數據并發送控制指令。蜂鳴器的電工作發出聲音，報警指示燈亮，并發送指定短信內容的短信給程序中設定的手機號碼，內容是 ：“Combustible gas or smoke,please note!”。

（4）用戶可以發送指令短信給GSM模塊中的電話卡，控制接在繼電器上的負載電器。發送”#OPEN1#”，GSM模塊讀取指令信息，并給單片機一個信息，繼電器打開，GSM模塊發送狀態信息 ：”NO.1 is opened!”。

（5）用戶可以撥打GSM模塊中的手機號碼，GSM模塊判斷是否為注冊設定電話打入，是的話會發送掛機指令，然后發送當前環境溫度值到設定的號碼。

4 結束語

本設計針對性地對內湖試驗船舶的安全防護管理提出了一種解決方案。對試驗船舶上的區域人員管控、危險易燃氣體泄漏、火災等安全問題實現了智能化的實時監測及報警。本設計根據需求還進行了功能拓展，包括通過用戶短信發送控制指令給系統以控制連接的電器、遠程環境數據查詢、LCD環境數據顯示等功能，實現了更高程度的智能化。該系統不需要視頻圖像數據的傳輸，相較于4G或wlan網絡技術，采用成熟穩定的GSM移動通信網絡使系統通信更可靠，又可實現用戶在任意時間地點與報警系統交互，實現遠程監控，具備一定的市場應用前景。