基于GSM的试验船安全防护报警系统设计

聂际峰

（中国船舶集团有限公司第七一五研究所，浙江杭州，310023）

本系统以GSM通信网络和单片机为核心，搭建了一种稳定可靠的智能化安全报警系统。该系统通过模块化的传感器和GSM网络通信的形式与用户交互，用户也可通过向GSM通信模块发送短信指令控制外围设备或查询环境数据。该系统易搭建、成本低，可实现多样化、无线化、远程化监测的智能化安全报警功能，具备良好的应用推广和市场价值。

本系统以GSM通信网络为基础，52单片机为主控核心，由火灾检测模块、烟雾检测模块、红外检测模块、继电器控制模块、声光报警模块、显示模块等组成。模块化的设计使系统工作时稳定性更高，同时可根据用户的需要选择安装位置，将单个检测模块实现嵌入式安装，声光报警模块安装在显眼空旷的地方。

系统中通过热释电红外传感器采集区域人员私自进入报警信息，温度传感器采集各区域环境温度数据信息，烟雾传感器采集液化石油气、酒精、汽油等易燃品存放、使用区域的空气数据信息，通过GSM通信模块实现远程的通信功能。不同的传感器检测模块对试验船舶各舱室或试验室的区域人员管控、气体泄漏、火灾实现了智能化的实时监测，并实现了自动报警功能。若发生危险，单片机给出信号，蜂鸣器及报警灯工作，同时GSM通信模块给用户发生含有具体信息的通知，用户可以通过发送短信控制指令控制继电器的开关以进行应急处理，当警情消除后，可通过手动按键复位解除报警[1]。

图1 系统总体结构

2.1 单片机控制模块

STC89C52相对于其他单片机，其价格较便宜，工作性能稳定可靠，带有4KB的内部存储空间，拥有2路PCA捕获/匹配，自带A/D转换，不需要再附加额外的转换电路。他的控制指令与8051其他单片机兼容，适用于各种仪器与工业控制。本系统以52单片机为主控核心，主要应用其PWM（或捕捉/比较单元）、四路10位高速A/D转换模块、SPI接口、定时/计数器、I/O接口等功能模块。根据检测单元的高低电平变化，来决定是否发出报警指令。

图2 单片机控制模块

反相放大器是单片机芯片内部的一个振荡电路。在18和19号引脚上外接一个并联谐振电路，这样内部的振荡器就能在外部电路的作用下产生自激振荡。并联谐振电路有一个石英晶体定时元件和两个电容组成。同时在单片机的RST口外附加一个复位电路，复位电路的作用就是当单片机程序出现故障或者陷入死循环的时候，重新启动系统，重新开始。单片机系统要得到有效的复位，只要在单片机的RST引脚上电接入一个至少持续2us以上的高电平。该系统中当单片机上电后，系统就会进行复位，开机的时候初始化，单片机的串口和模块都会初始化。为了防止系统出现报警时能有效地处理，设置了一个手动复位按键。

2.2 GSM通信模块

SIM800L模块价格低廉，远低于西门子的TC35。而且性能优于之前常用的SIM900A，串口为TTL串口，可以直接与单片机连接,支持四频GSM/GSRS。模块上有一路网络指示灯，上电后模块自动开机，自动寻网，有信号时指示灯慢闪，无信号快闪。SIM800L模块的产品尺寸较小，其物理尺寸只有：15.8mm*17.8mm*2.4mm，极其适用于紧凑型的产品设计。该模块有PDU、TEXT两种短信模式，本系统使用TEXT模式，短信发送内容主要以英文和数字为主。

GSM模块串口通信部分通过单片机串口发送和接收专用的AT指令来实现对GSM模块的控制，包括波特率、工作方式等。系统中使用的AT指令示例如下所示：

发送定义AT[]="AT"指令，使sim800模块与单片机建立连接；
发送定义AT_CMGF[]="AT+CMGF=1"指令，将GSM模块的短信息格式设置为TEXT模式；
发送定义AT_CMGS[]="AT+CMGS="指令，发送短消息到指定号码；
发送定义AT_NUM[]="xxx”指令，设置指定号码，短消息发送到指定号码；
发送设置指令AT_IPR[]="AT+IPR=9600"，设置系统波特率9600。发送指令 AT_Tem[42]="C,Temperature exceed limit,please note!"，设置温度超过界限提示语。

2.3 烟雾检测模块

一般民用气体检测大多使用半导体金属氧化物气体传感器，该传感器通过吸附被测气体，而改变半导体自身的电导率，然后通过简单的电路检测电压，电压比较器与设定值比较来决定是否报警。在清洁空气条件下，其电导率很小，并且其一旦与还原气体或易燃或易爆气体接触，电导率将迅速增加。MOS传感器也可以用于检测轻微变化的各种有毒气体和易燃易爆气体。但是一般有毒气体或者易燃易爆炸气体都容易附着在气敏材料上，对测量产生影响。半导体式传感器感应灵敏但是也更容易受到干扰，气温、附着物都会有很大的影响，输出的线性不稳定，测量值误差较大，同时其价格较贵。因其对环境气体变化的反应十分灵敏，它最常使用的领域是检测有毒或者易燃易爆炸等气体的微漏现象。

图3 GSM通信模块电路

本系统设计中选用MQ-2型烟雾传感器作为气体检测模块，该传感器对液化石油气、天然气、酒精等烟雾具有很高的灵敏度，对甲烷、丙烷、丁烷等烷类烟雾最为敏感，可准确地排除其他非可燃烟雾的干扰，并且其稳定性好、响应时间短、驱动电路简单。

图4 烟雾检测模块电路

MQ-2型烟雾传感器的气敏材料是二氧化锡，一般使用不锈钢或者塑料制作腔体，将二氧化锡、测量电极及加热器等构成的气体敏感元件固定在腔体内。封装好的模块共6只针脚，其中两只用于加热器使用，为气敏材料提供良好的感应条件。该气敏材料在清洁空气中电导率较低，其电导率受所处环境中的敏感烟雾浓度影响[3]。当浓度慢慢增加，其电导率也会增加，引起电压变化。选取LM393运算放大器作电压比较器使用，当2号引脚电压大于3号引脚时，输出低电平信号报警。

2.4 火灾检测模块

DS18B20温度传感器是一款单总线设计的产品。它可以直接将测量到的温度量转化成单片机可以直接读取的数字信号，不需要进行A/D转换，可以简化电路减少错误的发生[4]。每个DS18B20在出厂被赋予唯一的64位长的序号，因此在实际使用中，可将多个DS18B20存放在同一条单线总线上，在不同的位置放置温度敏感器件，实现多点空气温度监测，测量范围从-55℃到+125℃，增量值为0.5摄氏度，测量数值准确。电路中DS18B20接5V供电，串联一个上拉电阻，保证数据在电路中传输时的稳定，增强数据传输时的抗干扰能力。

图5 火灾检测模块电路

2.5 声光报警模块

蜂鸣器和LED灯是否工作是由单片机引脚的高低电平来控制。当引脚为高电平时，NPN型三极管导通，蜂鸣器的电工作做出报警声音反应，LED灯发出红色报警灯光。

图6 声光报警模块电路

2.6 红外检测模块

热释电红外传感器属于弱信号检测装置，是一种被动式检测装置。自然界所有有温度的物体都会发出红外辐射，不同的物体有不同的温度就有不同的红外线波长，人是具有恒定温度的动物，会发出10μm左右长度的特定波长，通过传感器外部的菲涅尔透镜作为滤光片后，通过的波长约7～10μm，便成为人体探测专用的红外模块[5]。该模块可实现全自动感应，人体进入模块感应范围输出高电平，人离开感应范围后自动延时一段时间后输出低电平。

该模块可根据硬件设计时的需求有两种触发方式可以设置：（1）不可重复触发方式，即模块检测到信号输出高电平后，在进行一段时间延迟后（延时时间长短可调），输出电平将自动从高电平变成低电平；
（2）可重复触发方式，即模块检测到信号感应输出高电平后，在之后设置好的一段延时时间内，如果模块能一直感应到人体信号，模块输出将一直保持高电平即再次顺延一个延时时间段，直到感应范围内没有检测到人体，其高电平输出自动变为低电平。同时该模块可设置感应封锁时间，即感应模块在进行一次感应输出后，进入一个封锁时间段，在该时间段内感应器不进行任何感应信号。该功能可实现模块在不同场景应用下得到更合适的设置，比如间隔人体探测产品；
同时可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。

2.7 显示模块

由于系统使用数字和英文信息并考虑实际问题，本设计选用性能稳定、价格低廉的LCD1602液晶显示器作为系统温度监控的显示模块。它是一种点阵式液晶屏，能显示英文、数字及符号等内容，显示的字符之间都有间隔，还可以通过外接电阻改变阻值来调节液晶屏的对比度。

开机后系统初始化，然后各个不同的检测模块采集环境数据信息(1)通过温度传感器感应环境温度；
（2）通过MQ-2可燃气体传感器检测环境煤气浓度信息；
(3)通过红外热释电传感器感应周围人体体温信息；
(4)LCD液晶模块显示实时环境温度信息，并与预设值进行比对，如果某项数据超限即触发现场声光报警并向用户发送报警电话、短信。若环境数据正常，则一直循环检测。此外，用户可以发送拨打注册电话或者发送短信指令查询环境数据和控制继电器的开关，方便用户对环境情况的及时监控。程序流程图如图7所示。

图7 主程序流程图

主要检测模块的工作流程如下：

（1）火灾报警：液晶屏显示环境实时温度，默认报警温度设置为50摄氏度，单片机主控收到有效的电平变化信息后处理数据并发送控制指令，蜂鸣器的电工作发出声音，报警指示灯亮，并发送指定短信内容的短信给程序中设定的手机号码，内容是“C,Temperature exceed limit,please note!”。C是实时环境温度。

（2）防盗报警：单片机主控收到有效的电平变化信息后处理数据并发送控制指令。蜂鸣器的电工作发出声音，报警指示灯亮，并发送指定短信内容的短信给程序中设定的手机号码，内容是 ：“Someone in the house,please note!”

（3）煤气泄漏报警：单片机主控收到有效的电平变化信息后处理数据并发送控制指令。蜂鸣器的电工作发出声音，报警指示灯亮，并发送指定短信内容的短信给程序中设定的手机号码，内容是 ：“Combustible gas or smoke,please note!”。

（4）用户可以发送指令短信给GSM模块中的电话卡，控制接在继电器上的负载电器。发送”#OPEN1#”，GSM模块读取指令信息，并给单片机一个信息，继电器打开，GSM模块发送状态信息 ：”NO.1 is opened!”。

（5）用户可以拨打GSM模块中的手机号码，GSM模块判断是否为注册设定电话打入，是的话会发送挂机指令，然后发送当前环境温度值到设定的号码。

本设计针对性地对内湖试验船舶的安全防护管理提出了一种解决方案。对试验船舶上的区域人员管控、危险易燃气体泄漏、火灾等安全问题实现了智能化的实时监测及报警。本设计根据需求还进行了功能拓展，包括通过用户短信发送控制指令给系统以控制连接的电器、远程环境数据查询、LCD环境数据显示等功能，实现了更高程度的智能化。该系统不需要视频图像数据的传输，相较于4G或wlan网络技术，采用成熟稳定的GSM移动通信网络使系统通信更可靠，又可实现用户在任意时间地点与报警系统交互，实现远程监控，具备一定的市场应用前景。