基于MSP430和MQ2传感器的远程烟雾报警系统

　　大部分火灾的发生是由于在火灾初期没有及时采取应急防火措施，如果能够有效检测异常火苗或者气体并及时报警采取措施，就能大大降低火灾对人类的威胁。设计了烟雾报警系统，能使外出的人及时收到家中的报警信息。该系统由24 V直流电源供电，使用低功耗单片机MSP430F5529搭载灵敏度高、可靠性好、价格低廉的烟雾传感器MQ2实现烟雾监测，并通过GSM模块SIM900A对报警信息进行无线远距离传输。经测试，系统能够在7~10 s内将警报通知到用户，这对减少火灾引起的损失起到了十分关键的作用。

　　引言

　　随着社会节奏加快，住宅往往处于长期无人的状态，全国每年因居住场所无人而引发的火灾逐年增多，造成了巨大的财产损失。烟雾传感器是一种典型的火灾监测传感器，它能够将空气中异常气体的浓度或者火焰光强度转化成电信号。传统的烟雾报警器只能够在检测到火灾的情况下发出警报声响，传播距离短，有很大的局限性。本文利用低功耗单片机MSP430将烟雾传感器MQ2的模拟电信号转换成数字信号，一旦检测到异常化学气体超标便通过GSM网络将警报信息以短信或电话的形式告知远方的用户，系统反应迅速并且成本低廉。

　　1系统硬件架构

　　图1展示了远程烟雾报警系统的硬件架构，整个系统由6个模块构成，分别是电源模块、传感器模块、逻辑控制模块、显示模块、GSM通信模块和手机接收端。

　　

　　1.1烟雾传感器MQ-2

　　火灾传感器按原理可以分为热传感器、光电子传感器、离子传感器、空气采样监测器、半导体气体传感器和火焰传感器。其中，热传感器正确率高但反应速度慢，光电传感器、离子传感器和空气采样检测器主要在特殊环境中发挥作用，火焰传感器通过检测光的波长来监测火灾和爆炸，可靠性高，反应速度极快，但是价格昂贵。本文采用的传感器MQ2属于半导体气体烟雾传感器，火灾现场产生的烟雾及气体与传感器中的半导体材料二氧化锡发生化学反应，造成表面势垒降低，材料的导电性能显著提高，通过外围电子电路检测这种变化能够准确发出火灾警报［2］。MQ2传感器体积小、易安装、安全性好，非常适合检测液化石油气、甲烷、丙烷、酒精、一氧化碳等可燃气体引起的火灾。图2所示的是MQ2的工作原理图，传感器输出的模拟电压与滑动变阻器的预设电压值一同输入比较器，当传感器输出电压超过预设值，比较器输出低电平，点亮LED灯。

　　

　　1.2电源模块

　　考虑到GSM模块在搜索网络与接收发送短消息的功率比较大，因此本系统使用24 V直流供电，通过DC/DC芯片LM2596将24 V转换成5 V为GSM提供充足的电能［3］。通过LDO（低压差线性稳压器）芯片AMS1117将5 V电源转换成3.3 V为MCU提供稳定且纹波低的工作电压。图3展示了DC/DC电源的工作原理图，其中的续流二极管D6选择肖特基快速整流管1N5825，最大电流可达5 A。反馈端的电阻R6与R5需要选择1%的精密电阻，电感L2的DCR（直流电阻）越小越好，一般选择在0.03 Ω左右即可，电容C10、C8的ESR（等效串联电阻）对输出电压的纹波起着关键作用，ESR越低，电源的纹波越小，一般ESR在几毫欧附近即可。

　　

　　1.3MCU与显示模块

　　整个系统并不需要实现非常复杂的逻辑算法，因此选择超低功耗的单片机MSP430F5529，该MCU内部有一颗16位的RISC CPU，此外还集成了4个16位定时器和1个高性能的12位模数转换器［4］，可以用来采集MQ2输出的模拟信号量。为了方便人机交互，本系统使用了一款102×64像素的LCD显示屏来显示一些必要的系统信息，它与MCU通过SPI总线进行通信，图4展示了它们的连接图。其中的TPS75105为液晶屏的恒流源驱动，支持使用PWM来调节液晶的背光亮度。图4MCU与液晶屏的连接图∶

　　

　　1.4GSM模块

　　SIM900A是目前市面上比较通用的一款GSM通信模块，它有两个工作频段，分别是EGSM 标准的900 MHz和DCS 标准的1 800 MHz。它的功耗很低，在睡眠模式下仅消耗1 mA的电流［5］。图5所示是SIM900A的工作原理图，通过长按开关机键可以强制GSM模块开机或者关机，在开机瞬间，SIM900A需要非常大的驱动电流，一旦搜索到信号便会稳定下来，需要的电流也会大幅下降，这种特性对电源要求比较严苛，可以为SIM900A的电源引脚并联一个大电容，使其平滑开机过程中的电流脉冲。SIM900A通过串口与MCU进行通信，波特率通常选择为9 600 b/s。MCU使用标准的AT指令来配置GSM模块，并完成发送短信警报的功能。、

　　2系统软件架构

　　如图6所示，系统上电后，SIM900A模块开机，MCU完成初始化，通过串口发送AT指令给SIM900A模块使SIM900A初始化，配置SIM900A进入中文短信发送模式。当烟雾传感器检测到异常，其输出的模拟信号电压超过了设定的阈值，比较器输出端会产生一个下降沿，触发MCU的外部中断，MCU将立即发送AT指令及报警短信的编码数据给SIM900A模块。

　　2.1MCU初始化

　　MCU一上电默认开启看门狗，为了测试方便，主程序中首先将看门狗关闭，接着配置系统时钟至24 MHz，设置好外部中断并打开全局中断，初始化液晶显示屏，打开背光灯，调整好对比度。最后，将MSP430的串行通信接口图5SIM900A工作原理图、

　　

　　

　　USCI配置成UART模式，波特率为9 600 b/s，禁止奇偶校验，8位数据格式，1位停止位，发送和接收低位优先。通过串口发送ATI指令，SIM900A如果工作正常会返回设备信息和“OK”。

　　2.2SIM900A搜索设备运营商网络

　　发送指令“AT+COPS”，如果成功则会收到“+COPS：0，0”、“CHINA MOBILE”和“OK”的回复信息，其中CHINA MOBILE表示中国移动运营商，不同运营商的SIM卡会返回不同的字符串。程序通过检测接收字符串中是否包含OK字样来判断是否成功搜索到运营商网络。

　　2.3SIM900A获取信息中心号码

　　信息中心号码是一种短信息服务器，各个地区都有自己的信息中心号码，例如苏州短信中心号码为8613802001500。短信的收发必须交由信息中心进行转发才能成功发送，所以获取本地信息中心号码十分关键。通过发送“AT+CSCA？”可以获取信息中心的号码。