引 言
随着中国城市化进程的不断推进，城市人口密度不断提高[1]。火灾是威胁人身、财产等安全的主要灾害之一，因此预防火灾的发生，减少灾害具有重要的意义和价值 [2]。传统的烟雾报警系统存在测量精度较低、报警方式单一、报警范围有限、缺乏后备电源等一系列缺点。鉴于此，本文提出了一种新型烟雾报警系统，该系统除了可以满足传统烟雾报警的功能外，还加入了短信报警模块。目前GSM网络已经非常成熟， 所以该设计可以超越空间的限制，实现准确、及时的报警，同时为了解决火灾可能造成的断电问题，本系统加入了电源管理芯片，可以快速实现主备电源的切换，确保系统正常运行。
1 系统总体方案
在本系统中，把当前环境的温度以及烟雾浓度实时显示在液晶屏上。当传感器检测到有火灾发生时，单片机驱动蜂鸣器和灯光系统工作，向本地用户发送火警信息，同时单片机驱动 GSM 模块，通过短信通知远程用户终端，以便用户对火灾迅速做出处理。为了确保系统全天候实时工作，我们还加入了电源管理芯片，确保系统可自动进行主备电源的切换。
2 系统硬件设计
系统 的硬 件 系统 主 要 包 括 4 个 模 块， 分 别为STC12C5A60S2 单片机系统，LM35 温度传感器模块和 MQ2 烟雾传感器模块，蜂鸣器报警模块和 GSM 模块，LTC4412 电源管理模块。系统的硬件框架如图 1 所示。
在系统工作过程中，单片机实时接收传感器发送的数据， 通过内部自带的 10 位 ADC 把模拟信号转换为数字信号，并实时显示在 LCD 液晶上。当出现火灾情况后，系统检测到的信号将超出阈值，可以驱动蜂鸣器模块和 LED 模块进行灯光报警。同时单片机通过 AT 指令驱动GSM 模块工作，把报警短信发送到远程终端，实现超远距离报警。为了提高系统的可靠性，我们设计了双电源工作模式。系统使用电源适配器提供的外部 12 V 直流电源供电，同时使用一节 9 V 碱性电池作为其备用电源。当外部供电出现故障时，可以自动切换为备用电源工作模式。
图1 系统硬件框架
2.1 传感器测量电路
传感器是系统重要的检测仪器。在本系统中，我们使用LM35温度传感器模块和 MQ2烟雾传感器模块。这两个传感器都是TTL电平，只需简单的外围驱动电路就可以直接与单片机的管脚连接。为了准确显示当前环境的温度和烟雾浓度， 本系统使用单片机自带的 10位 ADC 对模拟信号进行转换， 然后把数据显示在液晶屏上。
2.2 GSM短信模块电路
传统的烟雾报警系统多采用声光报警方式，这种报警方式有很大的局限性，无人时报警失败，因此本系统加入了GSM 短信报警电路。在硬件连接方面，使用 RS 232 进行转换， 在实际通信过程中，只需将双方的 RX 管脚和 TX 管脚交叉， 然后 GND 管脚连接共地即可。
2.3 供电及主备电切换电路
对于一个系统来说，保证系统能在任何时间都稳定运行至关重要。大多时候火灾首先带来的后果就是断电，一旦系统断电，那么整个系统就会陷入瘫痪，报警功能无从谈起，因此确保供电系统的稳定性意义重大。系统所需电压主要为5 V 和 12 V 两种。所以本系统使用电源适配器提供外部 12 V 直流供电，同时使用一节碱性电池为其提供备用电源。使用稳压模块将 12 V 电压稳压之后为其他模块供电。当外部供电出现故障时，需要及时切换至备用电源。使用 LTC441 可以实现电源的自动切换。
3 系统软件设计
本系统的软件部分使用 C 语言编写，采取模块化设计的模式，把各部分的文件都封装成一个独立的模块。在主函数中， 我们只需引用对应模块的头文件就可实现业务逻辑的整合。这种设计方式具有高内聚、低耦合的特点，对于后期的软件维护和功能拓展有很大帮助。
系统的主程序流程如图 2 所示。
在系统上电后，主程序第一次运行时会依次调用 LCD 初始化函数、ADC 初始化函数和串口初始化函数，完成各项准备工作后使系统进入工作状态。初始化完成后，系统将读取 ADC 转换的温度和烟雾数据，实时显示在 LCD上，并与阈值相比较，判断是否发生火灾。为确保检测数据的准确性， 当检测到温度和烟雾其中一项或两项超过阈值时，延迟 2 s 后再次读取 ADC 转换的温度和烟雾数据，进行判断。如果此时数据依旧超过设定阈值，则将发生火灾标志置位为 1。系统继续调用显示子程序、报警子程序和发送短信子程序。当这些子程序执行完成后，再次回到初始化后的位置重新执行，依次循环。
4 实验结果
为了观察系统对火灾情况的性能和响应，进行了 10 次单独的模拟测试，每次烟雾和温度的状况均不同。测试结果表明，系统可以可靠地在不同的测试条件下作出正确的响应。在不同烟雾或温度情况下的系统响应如图 3 所示。
5 结 语
通过上述实验结果的验证，本系统可以读取温度传感器与烟雾传感器的数据来实现对火灾的探测。在保留传统声光报警的基础上还加入了短信报警，同时为了增强系统的实用性，我们还加入了电源管理芯片来实现主备电源的切换。系统经过多次使用验证，效果较好。
