王 寧，徐月娜，范文兵

（1.黃河科技學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450000；3.鄭州聯(lián)睿電子科技有限公司，河南 鄭州 450000）

1 信息采集與電路轉(zhuǎn)換

1.1 傳感設(shè)備

基于GSM的手機(jī)短信火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，依靠傳感設(shè)備進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)與信息采集。當(dāng)前，最常見(jiàn)的檢測(cè)方案包括煙霧檢測(cè)、光線(xiàn)檢測(cè)和溫度檢測(cè)。不同的檢測(cè)方案，檢測(cè)對(duì)象不同，檢測(cè)效果也不同。其中，應(yīng)用最廣泛的為煙霧檢測(cè)方案。目前，MQ-2煙霧傳感器具備較高的精準(zhǔn)率，設(shè)備應(yīng)用成本較低，可以有效檢測(cè)可燃?xì)怏w含量，并將檢測(cè)信息轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)。該設(shè)備需通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，包括濾波處理和放大處理等，進(jìn)而通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換信號(hào)形式。MQ-2煙霧傳感器的應(yīng)用機(jī)理在于，通過(guò)P型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體氰化物的氣敏性能，檢測(cè)空氣成分和可燃?xì)怏w的濃度。檢測(cè)氣體類(lèi)型包括煤氣、丁烷、煙霧等。檢測(cè)效果受到MQ-2煙霧傳感器靈敏度與線(xiàn)性度的影響。

1.2 溫度檢測(cè)

除了氣體檢測(cè)，該系統(tǒng)還需搭配相應(yīng)的溫度檢測(cè)單元?？刹捎肈S18B20數(shù)字溫度檢測(cè)傳感設(shè)備，基于該溫度檢測(cè)設(shè)備的單總線(xiàn)接口，實(shí)現(xiàn)傳感裝置與數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元之間的數(shù)據(jù)傳輸。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元可直接對(duì)數(shù)據(jù)量進(jìn)行處理。數(shù)字溫度傳感設(shè)備具備雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，并可發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)。出于保證溫度傳感器運(yùn)行穩(wěn)定的考量，向數(shù)字溫度傳感設(shè)備進(jìn)行外部電源供應(yīng)。

1.3 調(diào)理電路

基于GSM的手機(jī)短信火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，傳感器在采集信息后，會(huì)將信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出。考慮到環(huán)境因素的干擾，且設(shè)備本身的特性也會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾，可通過(guò)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理。利用濾波器電路進(jìn)行濾波，減少干擾性因素，并通過(guò)放大電路對(duì)信號(hào)加以放大，以確保信號(hào)的精準(zhǔn)性，提高煙霧檢測(cè)的精度。信號(hào)調(diào)理電路是輔助性電路的一種。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可基于信號(hào)調(diào)理電路來(lái)保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。圖1是當(dāng)前火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的框圖。

圖1 災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

1.4 轉(zhuǎn)換電路

數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元可直接處理數(shù)字量，但無(wú)法處理模擬信號(hào)，需要A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換的精準(zhǔn)性受到轉(zhuǎn)換芯片位數(shù)的影響，高位數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的應(yīng)用會(huì)實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)換效果。GSM手機(jī)短信火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)采用8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832，模擬電壓低于5 V，芯片的分辨性能達(dá)到256級(jí)，可適用于一般環(huán)境。轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)據(jù)輸出采用雙輸出模式，確保數(shù)據(jù)輸出的精準(zhǔn)性，可有效規(guī)避數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的誤差。

2 控制電路

A/D轉(zhuǎn)化電路可利用數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元的數(shù)據(jù)運(yùn)算及信號(hào)判斷功能判斷信號(hào)類(lèi)型，根據(jù)信號(hào)確定火災(zāi)發(fā)生作出報(bào)警決策，并進(jìn)行聲光報(bào)警。同時(shí)，可通過(guò)GSM功能以手機(jī)短信的方式進(jìn)行報(bào)警?；谙到y(tǒng)指示，通過(guò)繼電器進(jìn)行操作與處理。本次設(shè)計(jì)采用美國(guó)Texas Instruments公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元。該數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元要求輸入信號(hào)在3.75～5.25 V，采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，以保障系統(tǒng)的可讀性和可遷移性。在控制電路中，設(shè)置相應(yīng)的I/O端口，以檢測(cè)濃度閾值。

不同于單片機(jī)，數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元通過(guò)超長(zhǎng)指令進(jìn)行信號(hào)的處理與控制。采用的數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元的功能單元共計(jì)8個(gè)，具備不同的功能，可滿(mǎn)足64組32位通用寄存器單元的應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效處理，具備大規(guī)模運(yùn)算效果。該數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元可同時(shí)執(zhí)行多條指令，并通過(guò)其乘法器保障控制器性能。數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元具備超過(guò)1.1GHz的主頻。

編寫(xiě)控制程序時(shí)，可采用結(jié)構(gòu)化編程方法，結(jié)合系統(tǒng)工作的實(shí)際情況與真實(shí)環(huán)境，調(diào)用大量子函數(shù)，提升程序的抗干擾能力。信號(hào)處理單元程序編寫(xiě)時(shí)，通過(guò)匯編指令或高級(jí)編程語(yǔ)言進(jìn)行編程，可通過(guò)C語(yǔ)言編寫(xiě)高級(jí)程序保證程序的可讀性，并預(yù)留系統(tǒng)升級(jí)空間。

3 輸出電路

3.1 GSM發(fā)送

GSM模塊包含射頻模塊、基帶處理模塊、存儲(chǔ)模塊和功放模塊等，具備獨(dú)立的操作系統(tǒng)。GSM模塊可應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)終端、工業(yè)檢測(cè)及智能家居領(lǐng)域，應(yīng)用范疇較為廣泛。在信息輸出模塊，可選用西門(mén)子公司生產(chǎn)的TC35雙頻900/1800 MHz高度集成GSM模塊，可在3.3～5.5 V的電壓環(huán)境下運(yùn)行。文本模式只能發(fā)送英文字符，因而將系統(tǒng)運(yùn)行模式調(diào)整為協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）。PDU模式下可實(shí)現(xiàn)號(hào)碼接收、回復(fù)等相應(yīng)信息的收發(fā)，可進(jìn)行十六進(jìn)制編碼?；赑DU模式，可以用任何字符向手機(jī)發(fā)送短信。該模式是時(shí)下最通用的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)終端編碼模式之一，可兼容于不同系統(tǒng)的手機(jī)，一旦火災(zāi)發(fā)生，會(huì)基于GSM模塊向指定手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。

3.2 報(bào)警電路

基于GSM的手機(jī)短信火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，一旦檢測(cè)到超過(guò)閾值的煙霧濃度，將以聲光的形式進(jìn)行報(bào)警。設(shè)計(jì)采用無(wú)緣蜂鳴器作為聲音報(bào)警器。系統(tǒng)檢測(cè)過(guò)程中，一旦確定火災(zāi)發(fā)生，則數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元會(huì)產(chǎn)生高電平，通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)無(wú)緣蜂鳴器進(jìn)行聲音報(bào)警，并通過(guò)發(fā)光二極管的閃爍實(shí)現(xiàn)光的報(bào)警。聲光報(bào)警電路可同時(shí)實(shí)現(xiàn)聲光兩種信號(hào)的報(bào)警，用戶(hù)在接收到報(bào)警信息后，可取消報(bào)警狀態(tài)。圖2為聲光報(bào)警電路。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 硬件調(diào)試

基于GSM的手機(jī)短信火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。硬件調(diào)試主要指電路調(diào)試，在完成電路焊接的同時(shí)，檢測(cè)電路板芯片焊接引腳的牢固性，確保充分焊接，避免由于虛焊或短焊導(dǎo)致電路引腳接觸不良，保障系統(tǒng)電源的良好運(yùn)行，確保電源的使用能夠有效驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件。對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)，需按照先靜態(tài)調(diào)試、后動(dòng)態(tài)調(diào)試，先局部調(diào)試、后整體調(diào)試的順序進(jìn)行操作。

圖2 聲光報(bào)警電路

實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，可通過(guò)萬(wàn)用表檢測(cè)系統(tǒng)電源，確保系統(tǒng)電源能夠支持電路的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，確保電源波紋系數(shù)能夠滿(mǎn)足數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元和傳感電路的需求，確保在非短路情況下電源的正常運(yùn)行，保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。通常，需通過(guò)檢測(cè)外圍電容，對(duì)電源穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。電路調(diào)試要確保芯片可以支撐程序下載及運(yùn)行的要求，系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量要滿(mǎn)足系統(tǒng)測(cè)試需要[1]。

4.2 軟件調(diào)試

開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)信號(hào)處理單元時(shí)，可采用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Code Composer Studio3.0 IDE。它能滿(mǎn)足系統(tǒng)項(xiàng)目建立的要求，并且能夠?qū)Υa編寫(xiě)、系統(tǒng)調(diào)試及下載器件提供支持。目前，Texas Instruments公司旗下的微控制器與嵌入式產(chǎn)品、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及調(diào)試工具均可以在Code Composer Studio環(huán)境下運(yùn)行，包括C/C++、運(yùn)行環(huán)境、調(diào)試器等功能。Code Composer Studio集成開(kāi)發(fā)環(huán)境具備直觀化的用戶(hù)操作界面，以便全面了解系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的步驟與環(huán)節(jié)，保障產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率與質(zhì)量。

軟件調(diào)試過(guò)程中，為保證程序編碼能夠正常運(yùn)行，可采用C語(yǔ)言保證程序編寫(xiě)的可擴(kuò)展性。C語(yǔ)言的應(yīng)用可保證系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率，并為后期維護(hù)與升級(jí)預(yù)留空間，保證系統(tǒng)應(yīng)用的便利性。軟件調(diào)試時(shí)，可首先采用Code Composer Studio3.0驗(yàn)證程序編碼語(yǔ)法，進(jìn)而運(yùn)用仿真軟件驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行效果。若通過(guò)仿真驗(yàn)證，則下載程序目標(biāo)，完成調(diào)試。

5 結(jié) 論

本次設(shè)計(jì)充分運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理單元，以GSM作為信號(hào)傳輸路徑，擴(kuò)大溫度監(jiān)控范圍，并采用數(shù)字信號(hào)處理單元實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，可提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與智能化效果。在實(shí)際的手機(jī)短信火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)時(shí)，需基于實(shí)際需要靈活選用相應(yīng)技術(shù)和措施，以解決生活實(shí)踐中的安全問(wèn)題。