引 言
隨著中國城市化進程的不斷推進，城市人口密度不斷提高[1]。火災是威脅人身、財產等安全的主要災害之一，因此預防火災的發生，減少災害具有重要的意義和價值 [2]。傳統的煙霧報警系統存在測量精度較低、報警方式單一、報警范圍有限、缺乏后備電源等一系列缺點。鑒于此，本文提出了一種新型煙霧報警系統，該系統除了可以滿足傳統煙霧報警的功能外，還加入了短信報警模塊。目前 GSM網絡已經非常成熟， 所以該設計可以超越空間的限制，實現準確、及時的報警，同時為了解決火災可能造成的斷電問題，本系統加入了電源管理芯片，可以快速實現主備電源的切換，確保系統正常運行。
1 系統總體方案
在本系統中，把當前環境的溫度以及煙霧濃度實時顯示在液晶屏上。當傳感器檢測到有火災發生時，單片機驅動蜂鳴器和燈光系統工作，向本地用戶發送火警信息，同時單片機驅動 GSM 模塊，通過短信通知遠程用戶終端，以便用戶對火災迅速做出處理。為了確保系統全天候實時工作，我們還加入了電源管理芯片，確保系統可自動進行主備電源的切換。
2 系統硬件設計
系統 的硬 件 系統 主 要 包 括 4 個 模 塊， 分 別為STC12C5A60S2 單片機系統，LM35 溫度傳感器模塊和 MQ2 煙霧傳感器模塊，蜂鳴器報警模塊和 GSM 模塊，LTC4412 電源管理模塊。系統的硬件框架如圖 1 所示。
在系統工作過程中，單片機實時接收傳感器發送的數據， 通過內部自帶的 10 位 ADC 把模擬信號轉換為數字信號，并實時顯示在 LCD 液晶上。當出現火災情況后，系統檢測到的信號將超出閾值，可以驅動蜂鳴器模塊和 LED 模塊進行燈光報警。同時單片機通過 AT 指令驅動GSM 模塊工作，把報警短信發送到遠程終端，實現超遠距離報警。為了提高系統的可靠性，我們設計了雙電源工作模式。系統使用電源適配器提供的外部 12 V 直流電源供電，同時使用一節 9 V 堿性電池作為其備用電源。當外部供電出現故障時，可以自動切換為備用電源工作模式。
圖1 系統硬件框架
2.1 傳感器測量電路
傳感器是系統重要的檢測儀器。在本系統中，我們使用LM35溫度傳感器模塊和 MQ2煙霧傳感器模塊。這兩個傳感器都是TTL電平，只需簡單的外圍驅動電路就可以直接與單片機的管腳連接。為了準確顯示當前環境的溫度和煙霧濃度， 本系統使用單片機自帶的 10位 ADC 對模擬信號進行轉換， 然后把數據顯示在液晶屏上。
2.2 GSM短信模塊電路
傳統的煙霧報警系統多采用聲光報警方式，這種報警方式有很大的局限性，無人時報警失敗，因此本系統加入了GSM 短信報警電路。在硬件連接方面，使用 RS 232 進行轉換， 在實際通信過程中，只需將雙方的 RX 管腳和 TX 管腳交叉， 然后 GND 管腳連接共地即可。
2.3 供電及主備電切換電路
對于一個系統來說，保證系統能在任何時間都穩定運行至關重要。大多時候火災首先帶來的后果就是斷電，一旦系統斷電，那么整個系統就會陷入癱瘓，報警功能無從談起，因此確保供電系統的穩定性意義重大。系統所需電壓主要為5 V 和 12 V 兩種。所以本系統使用電源適配器提供外部 12 V 直流供電，同時使用一節堿性電池為其提供備用電源。使用穩壓模塊將 12 V 電壓穩壓之后為其他模塊供電。當外部供電出現故障時，需要及時切換至備用電源。使用 LTC441 可以實現電源的自動切換。
3 系統軟件設計
本系統的軟件部分使用 C 語言編寫，采取模塊化設計的模式，把各部分的文件都封裝成一個獨立的模塊。在主函數中， 我們只需引用對應模塊的頭文件就可實現業務邏輯的整合。這種設計方式具有高內聚、低耦合的特點，對于后期的軟件維護和功能拓展有很大幫助。
系統的主程序流程如圖 2 所示。
在系統上電后，主程序第一次運行時會依次調用 LCD 初始化函數、ADC 初始化函數和串口初始化函數，完成各項準備工作后使系統進入工作狀態。初始化完成后，系統將讀取 ADC 轉換的溫度和煙霧數據，實時顯示在 LCD上，并與閾值相比較，判斷是否發生火災。為確保檢測數據的準確性， 當檢測到溫度和煙霧其中一項或兩項超過閾值時，延遲 2 s 后再次讀取 ADC 轉換的溫度和煙霧數據，進行判斷。如果此時數據依舊超過設定閾值，則將發生火災標志置位為 1。系統繼續調用顯示子程序、報警子程序和發送短信子程序。當這些子程序執行完成后，再次回到初始化后的位置重新執行，依次循環。
4 實驗結果
為了觀察系統對火災情況的性能和響應，進行了 10 次單獨的模擬測試，每次煙霧和溫度的狀況均不同。測試結果表明，系統可以可靠地在不同的測試條件下作出正確的響應。在不同煙霧或溫度情況下的系統響應如圖 3 所示。
5 結 語
通過上述實驗結果的驗證，本系統可以讀取溫度傳感器與煙霧傳感器的數據來實現對火災的探測。在保留傳統聲光報警的基礎上還加入了短信報警，同時為了增強系統的實用性，我們還加入了電源管理芯片來實現主備電源的切換。系統經過多次使用驗證，效果較好。
