基于SIM900A的语音燃气报警装置设计与实现
刘永涛 刘佳 李玉华 夏旭洪 刘浩 霍庆周
摘 要： 目前一氧化碳中毒和燃气泄漏引起爆炸事件时有发生，而现有的报警系统功能较为单一，只能采取现场声光报警和短信提示，并且价格较高使其未能普及。针对以上情况，设计了一种基于SIM900A和STM32嵌入式处理器的燃气报警装置，该装置可以检测现场燃气、一氧化碳、烟雾以及温度参数，当检测值高于设定值后及时发出声光报警，启动自有排风装置和外置的大型排风装置，并同时向存储于SIM卡中的多组电话号码发送短信，而后依次拨打存储的电话号码直到有人接听，语音告知其危险情况。装置配备大容量锂电池，遇到突发停电情况后可以自动切换电源，提供持续监控。
关键词： 自主排风； 实时监测； SIM900A； 语音报警； STM32
中图分类号： TN876?34； TP391.4 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）03?0096?04
Design and implementation of voice gas alarm device based on SIM900A
LIU Yongtao， LIU Jia， LI Yuhua， XIA Xuhong， LIU Hao， HUO Qingzhou
（College of Electronic and Information Engineering， North China Institute of Science and Technology， Beijing 101601， China）
Abstract： The carbon monoxide poisoning and explosion incidents caused by gas leakage occur frequently， so only the field sound?light alarm and SMS reminder can be adopted because the function of the existing alarm system is somewhat simple. Even though it can reduce the incidents greatly， it isn′t popularized due to its high price. Aiming at the above situations， a gas alarm device based on SIM900A and STM32 embedded processor was designed. The device can detect the field gas， carbon mo?noxide， smog and temperature parameters. When the detected value is higher than the set value， the device gives the sound?light alarm， starts the internal air exhaust device and external large?scale air exhaust device， sends the short massage to the multigroup phone numbers stored in SIM card， and calls the stored phone numbers successively to notice the dangerous situation with the voice until someone answers the phone. The device is equipped with a large?capacity lithium battery， and can automatically switch the power supply and provide the continuous monitoring after the sudden power failure.
Keywords： autonomous air exhaust； real?time monitoring； SIM900A； voice alarm； STM32
0 引 言
随着中国城市化进程的加快，煤气、天然气以及沼气等燃料得到广泛应用，而这些大多是易燃易爆气体， 一旦发生气体泄漏， 很容易引发爆炸， 直接危害国家财产和人民生命安全[1]。因此，需要采取相应的措施来减少损害。现有的报警系统功能较为单一，只能采取现场声光报警和短信提示，并且价格较高使其未能得到普及。
针对以上情况本文设计了一种基于SIM900A的语音燃气报警装置。该装置能够检测空气中一氧化碳、甲烷的浓度以及空气温度，当浓度超标或者温度超过设定值之后，系统会自动打开自有排风系统，将室内有毒气体排放到室外；同时通过拨打预设电话和向预设电话号码发送短信两种方式来告知用户危险的情况，便于用户进一步处理危险状况，避免造成重大财产损失和人身伤害。
1 系统结构设计
系统由STM32嵌入式处理器、传感器电路、电源电路、声光报警电路、排风系统、GSM通信电路等功能模块组成。主控芯片采用的是STM32F103RBT6处理器，相比于传统的STC单片机，该处理器处理速度更快，性价比更高。气体检测传感器采用了对一氧化碳具有很高灵敏度的ZYMQ?7和对甲烷具有良好选择性的ZYMQ?2。温度检测选用了基于单总线技术的DS18B20数字温度传感器。通信电路主要由基于GSM网络的SIM900A芯片控制。现场由蜂鸣器和LED灯实现声光报警。自有排风选用的是排风量为440 m3/min的轴流风机。系统5 V电源由MP2303芯片构成的稳压单元提供。系统整体结构如图1所示。
2 硬件电路设计
2.1 主电路设计
主控制器采用低功耗、高性能的STM32F103RBT6芯片，内核为ARM 32位的Cortex??M3 CPU，片内集成128 KB FLASH，20 KB SRAM，最高72 MHz的工作频率，正常工作电压范围[2]为2.0～3.6 V。其主要负责将采集到的传感器浓度和温度与设定值进行比较，超过预定值之后会控制系统进行声光报警，自动启动排风，并且通过控制SIM900A拨打电话和发送短信来告知用户[3]。
2.2 传感器电路设计
甲烷检测采用ZYMQ?2传感器，它将微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在不锈钢金属腔体内；内部加热电阻丝为气敏元件提供必要的工作条件；敏感层使用非常稳定的SnO2制成，具有很好的长期稳定性。为了减弱氮氧化物、烷类等气体的干扰，过滤腔体内填充了活性炭。气敏传感器有六只金属针管脚，其中四个用于信号取出，两个用于接入加热电源[4]。传感器信号处理电路如图2所示。
传感器电阻[Rs]电压是通过与其串联的负载电阻[RL]上的有效电压信号[VRL]输出而获得的。二者之间的关系为：
[RsRL=Vc-VRLVRL]
利用回路测得在传感器由结晶空气转移至甲烷氛围中时，从[RL]上输出变化信号，信号的测定在一个或两个完整的加热周期内测得。传感器输出电压接入由LM393组成的电压比较器通过电位器R6来调整校准报警值，正常时运放输出高电平，当一氧化碳浓度超标后运放输出低电平，报警指示灯D3点亮。PB5，PB6为双色LED，正常时PB5绿色灯亮，超标后PB6红色灯亮，PB5熄灭。
一氧化碳检测采用ZYMQ?7传感器，处理电路与甲烷检测电路相同，该电路结构简单，并且具有灵敏度高、响应快的特点。
温度传感器采用基于单总线技术的DS18B20，该传感器具有独特的单总线数据接口，只需一个I/O口即可与处理器通信完成温度的采集，电路简捷应用方便[5]。
2.3 报警电路设计
报警系统主要由基于GSM网络通信技术的SIM900A芯片控制，此芯片是一个双频的GSM/GPRS模块，工作频段为EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz，支持多种编码方式，在SLEEP模式下最低耗流只有1.0 mA。SIM900A仅适用于中国市场，其性能稳定，外观精巧， 性价比高； 可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输[6]。芯片应用原理如图3所示。
装置通过STM32处理器的PA14管脚来控制SIM900A的PWRKEY引脚，完成SIM900A的上電、下电及重启控制[7]。通过处理器的串口1完成与SIM900A的串行通信控制。控制前首先要对SIM900A初始化，程序如下：
void Init_Module（） //对SIM900模块的初始化
{
printf（"ATE0＼r＼n"）； //取消回显
delay_ms（255）；
Clear_Buffer（）；
printf（"AT+CNMI=2，2＼r＼n"）；
//新短信到来时直接通过串口输出不做存储
delay_ms（255）；
Clear_Buffer（）；
printf（"AT+CMGF=1＼r＼n"）； //设置为TEXT模式
delay_ms（255）；
Clear_Buffer（）；
printf（"AT+COLP=1＼r＼n"）；
delay_ms（255）；
Clear_Buffer（）；
}
处理器发送AT指令后，如果SIM900A正确响应，将返回“OK”字符给STM32。当有监测数据超标后处理器通过AT指令操作SIM900A向用户发送短信，告知用户危险情况，并会按顺序拨打预存在SIM卡内的电话号码，直到有人接听，拨通之后会向处理器返回命令，进而处理器控制语音芯片播放语音，告知用户危险情况。
语音芯片采用的是SC080，此芯片是一颗单芯CMOS一次性生成语音芯片，其使用的是最新嵌入式RPROM架构的OTP语音晶元，有一个Input脚和2个I/O脚，内部精准的内阻振荡不需外加振荡电阻，PWM输出端可直接驱动8 Ω 0.5 W喇叭，语音的还原度高。其应用原理如图4所示。
2.4 电源电路设计
电源电路采用的是由MP2303芯片控制的电源模块，该模块工作稳定，能够提供最大3 A的工作电流，为系统提供5 V电压，供传感器和继电器工作。主开关电源提供12 V/3 A的电压，供给整个电路和内置大功率风机工作。5 V电源电路如图5所示。
另外，本设计采用4 000 mA的锂电池作为备用电源，保持该装置在断电的情况下待机超过12 h以上，排风系统启动后可维持1 h以上。
3 系统软件设计
首先，主控芯片进行初始化，然后初始化SIM900A模块，再把SIM900A模块接人GPRS网络[8]。系统程序由C语言编写完成。软件主要用来控制传感器采集数据、控制语音芯片语音报警、控制SIM900A拨打电话以及短信发送。主程序流程如图6所示。
4 装置功能实现及测试
基于SIM900A的语音燃气报警装置目前已通过实验室测试。装置包含内置大功率轴流风机、主控电路板、大容量锂电池和内吸气小功率风扇。
报警装置的核心电路板如图7所示。核心电路板集成了一氧化碳传感器、甲烷传感器以及温度传感器，两路继电器用于启动内置排风装置和外部风机，蜂鸣器和双色指示灯完成声光报警，SIM900A与STM32处理器直连完成短信和语音的报警[9]。
通过对整个装置的硬件和软件实验室检测和调试，该装置实现了以下功能：
（1） 可燃气体浓度超过2 500 PPM，启动报警和排风。
（2） 一氧化碳浓度超过300 PPM启动报警和排风。
（3） 温度超过40 ℃启动报警和排风。
（4） SIM卡存储：1～6组电话号码，报警时全部发送短信然后按先后顺序拨打电话，直到有人接听完成语音报警。
（5） 可燃气体报警：先向SIM卡中存储所有号码短信，内容为“燃气浓度超标，注意！”，之后按先后顺序拨打电话，直到有人接听或者环境正常，报警语音提示“燃气浓度超标，注意！”。
（6） 一氧化碳报警：先向SIM卡中存储所有号码短信，内容为“有毒气体超标，注意！”，之后按先后顺序拨打电话，直到有人接听或者环境正常，报警语音提示“有毒气体超标，注意！”。
（7） 温度报警：先向SIM卡中存储所有号码短信，内容为“温度超标，火灾隐患！”，之后按先后顺序拨打电话，直到有人接听或者环境正常，报警语音提示“温度超标，火灾隐患！”。
5 结 语
本系统实现了基于SIM900A和STM32嵌入式处理器的语音燃气报警装置的设计[10]，经过现场测试完成了一氧化碳监测、可燃气体监测、烟雾监测、高温监测报警的功能。设备监测到各项参数超标后能及时启动自有排风装置，并且短信通知用户，拨打电話直至有人接听进行语音报警。其具有待机低功耗、实用性强、性价比高、安装便捷等优点。可用于家庭及酒店厨房监测、燃煤锅炉房以及一些特殊气体监测场所，因此可以广泛的加以推广和应用。
参考文献
[1] 龚翔，李亚杰，高学平，等.基于GSM的燃气报警系统[J].机械工程与自动化，2012（1）：178?180.
[2] 徐大诏，李正明，刘军.基于STM32 的便携式矿用多气体检测仪的设计[J].仪表技术与传感器，2014（3）：14?16.
[3] 张明富.基于SIM900A的智能电话机的研究与设计[J].科技风，2014（15）：31.
[4] 刘丽霞.嵌入式煤矿瓦斯检测仪应用研究[J].煤炭技术，2010（6）：45?47.
[5] 彭浩.黄河河道冰情定点连续自动测报系统的设计与研究[D].太原：太原理工大学，2010.
[6] 黄超，刘婷，谢印庆.基于STC12C5A60S2多功能通信开发板设计[J].现代电子技术，2014，37（5）：152?155.
[7] 左兆辉，孙耀杰，马晓峥.基于PPI协议与SIM900A的抽油机监控系统[J].仪表技术与传感器，2014（4）：50?52.
[8] 黎山峰，扬雷，孙建军.面向智慧社区的环境监测系统设计与实现[J].计算机测量与控制，2015，23（5）：1785?1787.
[9] 高斌斌.基于ZigBee的井下无线瓦斯监控系统的设计[D].太原：太原理工大学，2012.
[10] 张晓利.嵌入式系统中的处理器技术[J].单片机与嵌入式系统应用，2010（8）：12?15.
摘 要： 目前一氧化碳中毒和燃气泄漏引起爆炸事件时有发生，而现有的报警系统功能较为单一，只能采取现场声光报警和短信提示，并且价格较高使其未能普及。针对以上情况，设计了一种基于SIM900A和STM32嵌入式处理器的燃气报警装置，该装置可以检测现场燃气、一氧化碳、烟雾以及温度参数，当检测值高于设定值后及时发出声光报警，启动自有排风装置和外置的大型排风装置，并同时向存储于SIM卡中的多组电话号码发送短信，而后依次拨打存储的电话号码直到有人接听，语音告知其危险情况。装置配备大容量锂电池，遇到突发停电情况后可以自动切换电源，提供持续监控。
关键词： 自主排风； 实时监测； SIM900A； 语音报警； STM32
中图分类号： TN876?34； TP391.4 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）03?0096?04
Design and implementation of voice gas alarm device based on SIM900A
LIU Yongtao， LIU Jia， LI Yuhua， XIA Xuhong， LIU Hao， HUO Qingzhou
（College of Electronic and Information Engineering， North China Institute of Science and Technology， Beijing 101601， China）
Abstract： The carbon monoxide poisoning and explosion incidents caused by gas leakage occur frequently， so only the field sound?light alarm and SMS reminder can be adopted because the function of the existing alarm system is somewhat simple. Even though it can reduce the incidents greatly， it isn′t popularized due to its high price. Aiming at the above situations， a gas alarm device based on SIM900A and STM32 embedded processor was designed. The device can detect the field gas， carbon mo?noxide， smog and temperature parameters. When the detected value is higher than the set value， the device gives the sound?light alarm， starts the internal air exhaust device and external large?scale air exhaust device， sends the short massage to the multigroup phone numbers stored in SIM card， and calls the stored phone numbers successively to notice the dangerous situation with the voice until someone answers the phone. The device is equipped with a large?capacity lithium battery， and can automatically switch the power supply and provide the continuous monitoring after the sudden power failure.
Keywords： autonomous air exhaust； real?time monitoring； SIM900A； voice alarm； STM32
0 引 言
随着中国城市化进程的加快，煤气、天然气以及沼气等燃料得到广泛应用，而这些大多是易燃易爆气体， 一旦发生气体泄漏， 很容易引发爆炸， 直接危害国家财产和人民生命安全[1]。因此，需要采取相应的措施来减少损害。现有的报警系统功能较为单一，只能采取现场声光报警和短信提示，并且价格较高使其未能得到普及。
针对以上情况本文设计了一种基于SIM900A的语音燃气报警装置。该装置能够检测空气中一氧化碳、甲烷的浓度以及空气温度，当浓度超标或者温度超过设定值之后，系统会自动打开自有排风系统，将室内有毒气体排放到室外；同时通过拨打预设电话和向预设电话号码发送短信两种方式来告知用户危险的情况，便于用户进一步处理危险状况，避免造成重大财产损失和人身伤害。
1 系统结构设计
系统由STM32嵌入式处理器、传感器电路、电源电路、声光报警电路、排风系统、GSM通信电路等功能模块组成。主控芯片采用的是STM32F103RBT6处理器，相比于传统的STC单片机，该处理器处理速度更快，性价比更高。气体检测传感器采用了对一氧化碳具有很高灵敏度的ZYMQ?7和对甲烷具有良好选择性的ZYMQ?2。温度检测选用了基于单总线技术的DS18B20数字温度传感器。通信电路主要由基于GSM网络的SIM900A芯片控制。现场由蜂鸣器和LED灯实现声光报警。自有排风选用的是排风量为440 m3/min的轴流风机。系统5 V电源由MP2303芯片构成的稳压单元提供。系统整体结构如图1所示。
2 硬件电路设计
2.1 主电路设计
主控制器采用低功耗、高性能的STM32F103RBT6芯片，内核为ARM 32位的Cortex??M3 CPU，片内集成128 KB FLASH，20 KB SRAM，最高72 MHz的工作频率，正常工作电压范围[2]为2.0～3.6 V。其主要负责将采集到的传感器浓度和温度与设定值进行比较，超过预定值之后会控制系统进行声光报警，自动启动排风，并且通过控制SIM900A拨打电话和发送短信来告知用户[3]。
2.2 传感器电路设计
甲烷检测采用ZYMQ?2传感器，它将微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件固定在不锈钢金属腔体内；内部加热电阻丝为气敏元件提供必要的工作条件；敏感层使用非常稳定的SnO2制成，具有很好的长期稳定性。为了减弱氮氧化物、烷类等气体的干扰，过滤腔体内填充了活性炭。气敏传感器有六只金属针管脚，其中四个用于信号取出，两个用于接入加热电源[4]。传感器信号处理电路如图2所示。
传感器电阻[Rs]电压是通过与其串联的负载电阻[RL]上的有效电压信号[VRL]输出而获得的。二者之间的关系为：
[RsRL=Vc-VRLVRL]
利用回路测得在传感器由结晶空气转移至甲烷氛围中时，从[RL]上输出变化信号，信号的测定在一个或两个完整的加热周期内测得。传感器输出电压接入由LM393组成的电压比较器通过电位器R6来调整校准报警值，正常时运放输出高电平，当一氧化碳浓度超标后运放输出低电平，报警指示灯D3点亮。PB5，PB6为双色LED，正常时PB5绿色灯亮，超标后PB6红色灯亮，PB5熄灭。
一氧化碳检测采用ZYMQ?7传感器，处理电路与甲烷检测电路相同，该电路结构简单，并且具有灵敏度高、响应快的特点。
温度传感器采用基于单总线技术的DS18B20，该传感器具有独特的单总线数据接口，只需一个I/O口即可与处理器通信完成温度的采集，电路简捷应用方便[5]。
2.3 报警电路设计
报警系统主要由基于GSM网络通信技术的SIM900A芯片控制，此芯片是一个双频的GSM/GPRS模块，工作频段为EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz，支持多种编码方式，在SLEEP模式下最低耗流只有1.0 mA。SIM900A仅适用于中国市场，其性能稳定，外观精巧， 性价比高； 可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输[6]。芯片应用原理如图3所示。
装置通过STM32处理器的PA14管脚来控制SIM900A的PWRKEY引脚，完成SIM900A的上電、下电及重启控制[7]。通过处理器的串口1完成与SIM900A的串行通信控制。控制前首先要对SIM900A初始化，程序如下：
void Init_Module（） //对SIM900模块的初始化
{
printf（"ATE0＼r＼n"）； //取消回显
delay_ms（255）；
Clear_Buffer（）；
printf（"AT+CNMI=2，2＼r＼n"）；
//新短信到来时直接通过串口输出不做存储
delay_ms（255）；
Clear_Buffer（）；
printf（"AT+CMGF=1＼r＼n"）； //设置为TEXT模式
delay_ms（255）；
Clear_Buffer（）；
printf（"AT+COLP=1＼r＼n"）；
delay_ms（255）；
Clear_Buffer（）；
}
处理器发送AT指令后，如果SIM900A正确响应，将返回“OK”字符给STM32。当有监测数据超标后处理器通过AT指令操作SIM900A向用户发送短信，告知用户危险情况，并会按顺序拨打预存在SIM卡内的电话号码，直到有人接听，拨通之后会向处理器返回命令，进而处理器控制语音芯片播放语音，告知用户危险情况。
语音芯片采用的是SC080，此芯片是一颗单芯CMOS一次性生成语音芯片，其使用的是最新嵌入式RPROM架构的OTP语音晶元，有一个Input脚和2个I/O脚，内部精准的内阻振荡不需外加振荡电阻，PWM输出端可直接驱动8 Ω 0.5 W喇叭，语音的还原度高。其应用原理如图4所示。
2.4 电源电路设计
电源电路采用的是由MP2303芯片控制的电源模块，该模块工作稳定，能够提供最大3 A的工作电流，为系统提供5 V电压，供传感器和继电器工作。主开关电源提供12 V/3 A的电压，供给整个电路和内置大功率风机工作。5 V电源电路如图5所示。
另外，本设计采用4 000 mA的锂电池作为备用电源，保持该装置在断电的情况下待机超过12 h以上，排风系统启动后可维持1 h以上。
3 系统软件设计
首先，主控芯片进行初始化，然后初始化SIM900A模块，再把SIM900A模块接人GPRS网络[8]。系统程序由C语言编写完成。软件主要用来控制传感器采集数据、控制语音芯片语音报警、控制SIM900A拨打电话以及短信发送。主程序流程如图6所示。
4 装置功能实现及测试
基于SIM900A的语音燃气报警装置目前已通过实验室测试。装置包含内置大功率轴流风机、主控电路板、大容量锂电池和内吸气小功率风扇。
报警装置的核心电路板如图7所示。核心电路板集成了一氧化碳传感器、甲烷传感器以及温度传感器，两路继电器用于启动内置排风装置和外部风机，蜂鸣器和双色指示灯完成声光报警，SIM900A与STM32处理器直连完成短信和语音的报警[9]。
通过对整个装置的硬件和软件实验室检测和调试，该装置实现了以下功能：
（1） 可燃气体浓度超过2 500 PPM，启动报警和排风。
（2） 一氧化碳浓度超过300 PPM启动报警和排风。
（3） 温度超过40 ℃启动报警和排风。
（4） SIM卡存储：1～6组电话号码，报警时全部发送短信然后按先后顺序拨打电话，直到有人接听完成语音报警。
（5） 可燃气体报警：先向SIM卡中存储所有号码短信，内容为“燃气浓度超标，注意！”，之后按先后顺序拨打电话，直到有人接听或者环境正常，报警语音提示“燃气浓度超标，注意！”。
（6） 一氧化碳报警：先向SIM卡中存储所有号码短信，内容为“有毒气体超标，注意！”，之后按先后顺序拨打电话，直到有人接听或者环境正常，报警语音提示“有毒气体超标，注意！”。
（7） 温度报警：先向SIM卡中存储所有号码短信，内容为“温度超标，火灾隐患！”，之后按先后顺序拨打电话，直到有人接听或者环境正常，报警语音提示“温度超标，火灾隐患！”。
5 结 语
本系统实现了基于SIM900A和STM32嵌入式处理器的语音燃气报警装置的设计[10]，经过现场测试完成了一氧化碳监测、可燃气体监测、烟雾监测、高温监测报警的功能。设备监测到各项参数超标后能及时启动自有排风装置，并且短信通知用户，拨打电話直至有人接听进行语音报警。其具有待机低功耗、实用性强、性价比高、安装便捷等优点。可用于家庭及酒店厨房监测、燃煤锅炉房以及一些特殊气体监测场所，因此可以广泛的加以推广和应用。
参考文献
[1] 龚翔，李亚杰，高学平，等.基于GSM的燃气报警系统[J].机械工程与自动化，2012（1）：178?180.
[2] 徐大诏，李正明，刘军.基于STM32 的便携式矿用多气体检测仪的设计[J].仪表技术与传感器，2014（3）：14?16.
[3] 张明富.基于SIM900A的智能电话机的研究与设计[J].科技风，2014（15）：31.
[4] 刘丽霞.嵌入式煤矿瓦斯检测仪应用研究[J].煤炭技术，2010（6）：45?47.
[5] 彭浩.黄河河道冰情定点连续自动测报系统的设计与研究[D].太原：太原理工大学，2010.
[6] 黄超，刘婷，谢印庆.基于STC12C5A60S2多功能通信开发板设计[J].现代电子技术，2014，37（5）：152?155.
[7] 左兆辉，孙耀杰，马晓峥.基于PPI协议与SIM900A的抽油机监控系统[J].仪表技术与传感器，2014（4）：50?52.
[8] 黎山峰，扬雷，孙建军.面向智慧社区的环境监测系统设计与实现[J].计算机测量与控制，2015，23（5）：1785?1787.
[9] 高斌斌.基于ZigBee的井下无线瓦斯监控系统的设计[D].太原：太原理工大学，2012.
[10] 张晓利.嵌入式系统中的处理器技术[J].单片机与嵌入式系统应用，2010（8）：12?15.
