基于單片機和GSM的通信機房安全報警器設計

陶壯壯

（河南工業和信息化職業學院，河南 焦作 454000）

0 引 言

近年來，通信設備的自動化和智能化水平不斷提升，機房的安全問題越來越受到人們的重視。作為現代通信傳播的重要承載，一旦機房出現火災等問題，會直接影響到區域內通信網絡的正常運行，造成嚴重的財產損失，影響到人們的正常生活。因此，必須重視機房安全性問題，設計確保通信設備正常運行的機房安全報警器，實現對機房進行實時監控。在控制器中采用單片機，在通信機房內部裝置煙霧傳感器、溫度傳感器等，同時在工位上安裝人體紅外傳感器，實時監測機房內可能出現的安全隱患，并通過聲光系統報警的方式傳遞信息，確保報警器設計的合理性。

1 整體方案設計

采用STM32F103C8T6單片機作為機房安全報警器的控制核心，借助人體紅外傳感器獲取紅外信息，借助煙霧傳感器、溫度傳感器等實時監測機房是否存在火災安全隱患。一旦發現火災隱患，則立即通過GSM模塊傳遞警報信息。安全報警器系統中包括單片機、GSM模塊、警報模塊、控制模塊以及各類傳感器等，整體的設計框架如圖1所示[1]。

單片機是通信信號采集的核心，也是進行信號處理的重要單元，同時還具有信息發送和傳遞的功能。由于單片機系統處于特殊的電磁環境，因此需具有較強的抗干擾能力[2]。GSM系統是信息發送的重要模塊，需選用符合質量要求的工業級芯片，功能相對多樣且具有標準的串行接口，能夠與單片機有效連接，使用更加快捷。此外，可以通過指令實現短信收發，同時還能設置不同的操作模式。煙霧傳感器模塊主要是檢測空氣中的煙霧濃度，并將其轉換成信號輸出。煙霧傳感器可以選用離子式傳感器，工作相對穩定可靠。一般情況下，內外電離室的電流相對比較穩定，但如果通信機房出現煙霧，會對帶電粒子的正常運動產生干擾，隨之也會改變電流和電壓，破壞機房內外電離的平衡，此時發射器則會發出警報信號并傳遞警報信息。

2 電路和程序設計

2.1 電路設計

通信機房安全報警器的電路設計主要包括單片機外圍電路設計、溫度傳感器電路設計、報警電路設計以及顯示電路設計等。溫度監測電路設計中涉及到數字溫度傳感器DS18B20，借助單片機的接口對DS18B20加以讀寫，可以得到當前環境的溫度值。報警電路設計中采用蜂鳴器，充分發揮其提示、報警的功能。蜂鳴器是一種廣泛應用于多種電子產品的元器件，在應用中工作電流較大，可通過增加三極管來增加蜂鳴器的電流。蜂鳴器的一端連接到電源上，另一端連接到三極管。在管腳低的狀態下，三極管處于聯通狀態，此時電流回路，可以用各管腳的高低控制發聲是否開啟和關閉。顯示電路的設計中可以采用數碼管，其顯示內容相對簡單，但電路的焊接設計相對較難[3]。采用LCD1602液晶顯示，功耗相對較低，數字內容多樣，能滿足顯示的基本要求。報警電路板塊主要用單片機程序進行設計，需確保在發生火災等險情時能及時傳遞警示信息，避免因突發情況無法聯系造成損失。

2.2 單片機系統設計

通信機房安全報警器控制系統設計中，選擇使用AT89S51單片機。通過將CPU芯片、存儲器芯片、I/O接口芯片以及簡單的I/O設備連接在相應的印刷電路板中，再將應用程序下載到單片機中，這樣就形成了一個小型的單片計算機，也就是單片機。最小系統是整體系統啟動工作運行的最小模塊，必不可少。單片機擁有自己的最小系統，其主要作用是實現系統運算以及控制目標，讓系統保持初始狀態下執行的復位電路。根據系統設計需要，選擇如下圖2所示的包含芯片引腳及拓展插針的單片機。

在該通信機房安全報警器系統設計中，單片機通過采集周圍的系統環境數據，借助數字形式開展傳輸，實現有效的報警控制，將動態的通信設備運行參數和變化情況記錄下來，進行動態數據監測，能夠結合系統設定的安全報警控制目標，執行相關操作，在發現異常情況時，能夠及時有效的開展報警控制。

2.3 程序設計

基于通用編程軟件Keil uVision5，采用C語言程序編寫系統，程序編寫主要涉及單片機連接AD量采集程序、GSM模塊系統和單片機之間的通信傳遞指令、短信內容程序、紅外傳感器信號程序、掃描鍵輸入程度以及蜂鳴器控制程序等[4]。

在通信機房正常工作狀態下，安全報警器實行上電工作，模塊中的煙霧傳感器和溫度傳感器的探頭開始加熱工作，對機房內外環境的煙霧、溫度等信息數據進行采集處理，并將處理數據傳送給單片機。單片機接收到傳感器所傳遞的數據后，進一步對這些數據進行分析。當任意一個傳感器的參數高于安全參數值時，進一步進行人體紅外檢測。如果在檢測中發現是周圍環境中有人員存在，單片機則會即刻發出指令，確保聲光報警模塊能發出警示信息和燈光。與此同時，GSM模塊也會發送對應的報警信息到對應的手機等移動終端，然后程序才會結束運行[5]。

采用CC2430芯片實現無線傳輸，其編程具有較大的靈活性和自由性，能實現不同的控制算法和邏輯算法。由于支持無線傳輸的單片機成本相對較高且程序復雜，電路設計難度也更大，因此可以采用NRF24L01芯片，不僅能實現無線傳輸，而且整體成本較低，單片機軟件的編程也比較自由，能滿足各種邏輯和控制算法的需要，符合節能設計的要求，也具有較強的抗干擾能力，在通信機房等場合的應用中編程比較方便[6]。

3 安全報警器系統調試分析

3.1 硬件測試

通過分析機房安全報警器工作原理，選擇符合要求的傳感器和其他功能模塊的元器件等進行通電測試，在測試工作完成后再進行硬件搭建工作[7]。結合設計好的系統布局，通過萬用板等對排母連接灰排線等進行焊接作業，并借助萬用表對電阻電容的功能性進行測試和對比。此外，對硬件系統中所涉及到的元器件基本參數進行分析并與標準的參數進行比對，最終選擇偏差相對較小的元器件[8-10]。采用萬用表對灰排線的線路等進行測試，如果萬用表出現蜂鳴聲則表明線路導通正常，反之則表明出現斷路問題。萬用板測試完成后還要插入各個傳感器、單片機以及GSM系統模塊，通電后再次用萬用表對系統的電壓加以測試。

3.2 系統調試

對各個模塊和程序等進行調試，查看其是否具有對應的功能。收集對應的數據信息，將其整理成表格，然后對這些數據信息進行分析，不斷優化完善機房安全報警器系統設計。借助仿真器對不同傳感器、不同模塊的子程序進行下載，將其存放到單片機中，對子程序的運行進行分析，查看子程序是否正確。根據實際需求對其進行多次調試，確保各個子程序最終符合要求。

在煙霧傳感器的調試工作中，單片機系統通電后可以在煙霧傳感器探頭周圍放置燃燒的紙張，然后觀察采集到的AD數值是否發生了變化，同時關注發光二極管是否開啟變亮。如果AD值有巨大的波動且發光二極管變亮，則證明此狀態下煙霧傳感器系統功能正常；如果其中任何一個條件不滿足，則需要進行重新調試。在紅外傳感器的調試作業中，工作人員可以將手放在探頭上，查看是否處于高電平狀態。同時也可以正確輸出后用蓋子蓋住探頭，查看是否處于低電平狀態。如果出現異?；蜢`敏度不夠，則需要再次調試。GSM模塊的調試環節需要先啟動模塊并和單片機連接，然后發出AT指令，測試指令的正確與否。對按鍵模塊的調節主要是下載按鍵掃描的子程序，通過操作按鍵并采用萬用筆對輸出的電平進行測量。正常來講，按鍵按下時的電平為低電平。

3.3 調試和改進系統

當機電安全報警器通電運行后，煙霧傳感器和溫度傳感器會對所處環境的溫度變化、煙霧及一氧化碳的濃度等進行檢測。紅外傳感器會對所屬范圍內的人員加以檢測，并將所檢測到的人體運動通過不同顏色進行顯示，一般以紅、綠、藍3種顏色來表示不同的運行狀態。顯示器可以實時動態地顯示空氣中煙霧的濃度和溫度等信息參數。當煙霧濃度或溫度參數超過安全閾值時，蜂鳴器等會進行聲光報警，同時GSM模塊也會給設定的移動終端發送短信。通過不斷的調試，查看報警器上電運行后，如果環境中存在異常情況，系統是否可以正常發送短信到手機上，以此來監測整體設計是否科學。除此之外，系統的調試改進還包括軟件和程序的調試，對錯誤代碼等進行修改。將程序下載到系統實物中，對溫度、煙霧濃度等初始值的設定進行分析，根據結果對系統程序進行調試，確保系統正常運行后才能結束調試。

4 結 論

綜上所述，以單機片為控制核心，將煙霧傳感器、溫度傳感器、紅外傳感器等與GSM系統有效結合設計了一種通信機房安全報警器。通過系統測試，其能夠在檢測到機房安全隱患時及時發出警報信息，通過GSM模塊迅速傳遞信息提醒相關工作人員采取有效措施，具有一定的應用價值。