智能楼宇消防报警系统

摘 要

随着科学技术的快速发展，整个社会进入了计算机时代，传感器技术也因信息时代的快速发展得到明显的提高，越来越多的领域被用在其中，对它的要求也是越来越高，需要供求也是变得越来越急迫。电子产品被越来越多的应用在我们的生活中，很明显的就可以看到火灾越来越多的发生在我们的生活当中，火灾隐患也是时刻潜伏在我们的生活当中。怎么避免火灾的产生以及降低火灾给我们造成的损失是需要我们急迫解决的问题，因此设计并完善智能火灾警报系统是我们当代大学生的任务，并且将我们设计的产品广泛的应用到我们的日常生活当中，把火在组织在刚开始的时候，防患于未然，把我们的财产毁灭降到最低。

经典的火灾报警器经常会出现总线数据传输不稳定、长远距离的数据传输可靠性能差还有扩展性能不方便的因素, 最近几年来在各种电路系统中性能优良、价格便宜的MCU芯片被广泛应用其中,特别是电气自动控制方面,我们所经常说的那些问题也有了很大的改变。

本篇主要讲的是以 nRF24L01无线传输模块和SIM900A模块相结合的联合无线火灾报警系统的设计方法，这个方案用单片机STCC52作为控制芯片，用MQ-2烟雾传感器监测烟雾，DS18B20温度传感器监测温度，两种传感器相结合联合报警。设计中包括了温度采集模块、烟雾采集模块、采集数据的传输、声光报警以及其他的外围电路，此外本设计也包括了相应的软件设计，实现火灾报警功能这个设计结构简单、操作方便、价格较低，具有较高的实用性。

关键词：单片机STCC52 ；无线模块nRF24L01；DS18B20；MQ-2；SIM900A

I

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Abstract

With the rapid development of science and technology, and society as a whole has entered the computer age, sensor technology, but also because of the rapid development of the information age has significantly increased, more and more areas of use, its growing demand, supply and demand more and more urgent need. Electronic products, our lives more applications, more fire, fire danger you always live in our lives can be seen happening. To avoid the risk of fire, we are solving the most pressing problems of our losses caused by fire, so intelligent design to reduce fire alarm system, in order to improve the problem of university students, our company's product design, it is widely used in our lives. First, the fire within the organization, we have to reduce the property damage precaution.

Classical fire alarm device consists of, in many cases, an unstable bus data transmission, long-term reliability of the data transmission distance? Low extensive chip, high-performance show reasons for the decline, the most recent years, various circuit system can automatically control the inconvenience expansion in particular, those issues, we again, dramatically changed, and application software.

This film describes a wireless fire alarm system relies on in nrf24l201 wireless data transmission module design method of this chapter and sim900a module common wireless fire alarm systems together, and this procedure stcc52 control module, mq2 Smoke In order to monitor temperature sensing, smoke, ds18b20 temperature sensor to supervise composed sensor. Designed to cope with the software design, implementation, simple design structure of the fire alarm functions, operations, prices have also been included in the design, coupled with the temperature obtaining module, smoke obtaining module for transmission of data, sound and light alarms or other peripheral circuits included, practicality.

Key words: MCU STCC52；nRF24L01；DS18B20；MQ-2；SIM900A

II

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目 录

摘 要 .......................................................... I Abstract.......................................................................................................................Ⅱ 1 绪论 ............................................................ 1

1.1概述......................................................... 1 1.2报警定义..................................................... 1 1.3课题研究目的及意义........................................... 1 1.4本文研究主要内容............................................. 2 1.5课题研究的任务要求........................................... 2 2火灾报警系统及其整体方案设计 ..................................... 4

2.1火灾发生时的特点............................................. 4 2.2火灾报警系统功能及其类型..................................... 5 2.3本系统的总体方案设计......................................... 6 3系统的硬件设计 ................................................... 9

3.1单片机内部结构及接口描述..................................... 9 3.2单片机外围接口电路.......................................... 10 3.3主要元件的选型.............................................. 12 4火灾报警系统软件设计 ............................................ 23

4.1软件开发环境................................................ 23 4.2火灾报警系统程序设计........................................ 23 4.3温度检测模块软件设计........................................ 24 4.4无线模块软件设计............................................ 26 4.5软件的总体设计.............................................. 27 结 论 ......................................................... 30 致 谢 ......................................................... 31 参考文献 ......................................................... 31 附 录 ......................................................... 33

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1 绪论

1.1 概述

火灾报警系统是一种用来检测火灾的装置，发生火灾时，产生大量的烟雾这些烟雾、温度和光线可以触发火灾报警器中的温度传感器、烟雾传感器产生报警，并且触发联动装置，及时的把火灾扑灭。报警方式是将接收到的信号经过传感器以其他形式表现出来，经过nrf24l01模块将数据发射出去LCD1602液晶屏可以显示出着火的房间号，SIM900A模块将收到的信号发射到值班室或者消防队的电话、手机上。

1.2报警定义

警报系统一般有以下三部分组成：报警器、数据传输通道和报警控制器三部分组成。报警器的组成是传感器和信号处理器，一般是用来检测作用，报警系统的关键是电子部分和机械部分，报警器的主要元件传感器。组成传感器件的原理不同，又可分为不同种类、不同用途的传感器件，所以又可分为不同种类、不同用途的报警器件。

1.3 课题研究目的及意义

随着我们的经济快速发展和科学技术的突飞猛进，尤其是近几年是计算机技术技术飞速发展，我们也开始了现代化的家居生活。新兴科技对我们生活的影响是显而易见的，也表现在了方方面面，它使我们的生活习惯改变、生活质量也大大提高，智能家居生活相应产生。本篇文章所介绍的智能楼宇消防报警系统正时智能家居的一部分。使家庭的财产安全与人身安全得到保障、防患于未然是现代智能化发展的主要方向。

有调查显示，在我们国家火灾是最具破坏力的灾害之一。在我们的生活中，城市建设和经济建设越来越快，城市中的建筑越来越多，因此这就使发生火灾的概率大大增加，所以在我国发生火灾的次数也是一年比一年增多。

据我们每个人所了解的那样，火灾的危害性是很大的，而且发生大概率也是很高的，是破坏性非常大的灾害。另外，可能产生火灾的情况越来越多，火灾万一发生，就会快速蔓延，危害性也是非常大的。 从以前发生火灾的调查中我们可以发现 :

1)、很多次的火灾都是人为造成的，它素偶造成的危害更大，所带来的人员伤亡、财产损失也更大;

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2)、我们国家也越来越重视对火灾的防范，通过各种措施，虽然说也取得一定的成果，可是在很多的普通民房、大中小型的娱乐场所我们可以发现大多都没有按国家的要求安装智能的火灾自动报警系统;

3)、除上述因素外，还有一部分火灾的产生是由于一些正在使用的火灾报警器的设备老化，性能不稳定，不能及时的将报警信息发送出去导致伤亡很大。 从这里我们很容易的就可以看出，避免火灾出来要加强普通公民的防火意识外，还必须要具备一套高智能化的火灾报警系统。这样就能实时的监测可能会出现的火灾信息，防患于未然，最早发现、将损失降到最低、将伤亡降到最小

本篇文章介绍的是以C51单片机为核心的智能报警显示器，是我们常用的火灾报警器的一种，被广泛的应用在大工业生产与基础的民用建筑中，它大大提高了人们的生命财产等各方面的安全性。活在前期的一些不太明显的症状，就能很轻易的被火灾报警器发现，这样一来就能控制和扑灭火灾了，这样能大大减少我们的财产损失，是我们的生活更有安全，更有保障。

1.4 本文研究主要内容

主要内容：单片机和一些元器件的使用方法和使用NRF24L01、SIM900a组合构建家居无线安全报警的方法。并选择DS18B20和MQ-2来结合此系统进行试验。

在测试中，使用STC80C51微控制器控制整个系统，DS18B20、MQ-2作为信号源，NRF24L01、sim900a作为无线模块，蜂鸣器、LED灯组成声光报警模块。 美国公司使用Keil的软件开发工具的Keil uVision3平台用C语言编程控制芯片，应用程序开发工具美国的Altium的Protel DXP平台的核心电路设计系统的硬件。使用编写和设计两个无线报警系统软件。

我们需要一些熟悉底层的硬件知识，KEIL编程和DXP绘制方法，思路有更多的做链接的硬件电路。在每个模块的系统软件设计完成后，软件平台编译和电路仿真，最后生成的目标文件下载到内STC芯片实现系统和用于模拟实验相关设备，产生理想的设计模型。

1.5 课题研究的任务要求

这个方案是基于一个单芯片无线火警系统控制的探测器可以是一个火灾报警系统。具体要求：超过100m的有效传输距离，也就是这样，在报警的有效距离之内;程序运行或死当，系统可以被复位，返回系统正常运行;电源后仍然能够保留一些重要的历史信息数据。

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有线方式主要是以RS-232来实现数据传输。无线方式主要是以GPRS为核心的传输方式。跟着电子技术的发展

，数据传输速度更快，有更强的抗干扰

能力。短距离无线通信技术主要发展为 ZigBee、 IrDA、 蓝牙、 Wi-fi、nRF24L01等技术。各种无线技术有其优点和缺点，以及不同用户的不同的技术。在近距离 （10米），红外和蓝牙有很大的优势。NRF24L01模块是一个新的单片射频收发器设备，运行在 2.4ghz-2.5ghzISM 带达 125个信道可供选择，在GFSK调制数据速率为2Mbps以上，蓝牙，高数据吞吐量，简单的程序开发的高速率较高; NRF24L01，使设计更加方便，节能。此类通信方法以这个频段为基础也快要成熟。电子技术飞速发展，温度检测模块快速提高，就比如美国DALLAS公司的数DS18B20就有很多人研究不管是国内还是国外，现在是越来越深入的研究。现今，无线通信技术已经成为研究的重要方向，用它们的好处是明显高于有线网络方式的，比如说价格便宜、不易造成资源浪费，稳定性要好很多，耗电少，更方便的维护、检修，再也不用担心空间的问题，从而避免复杂的线路。本文通过使用低成本的单芯片nRF24L01和sim900a的无线收发器硬件内置工业级无线通讯系统，收发信号很容易的完成，火灾烟雾报警长时间稳定工作。

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2火灾报警系统及其整体方案设计

2.1火灾发生时的特点

火灾是人类控制燃烧造成的灾难损失，火灾基本要素是可燃材料，燃烧和火源。可燃物质存在于气体，液体和固体，可燃气特通常是空气中的氧。其基本过程是当物体从外面获取一定的能量，液体或固体可燃气体的蒸发成蒸汽，或者分解出（如CO，H2等）的分子，有一种叫做气溶胶的东西，是回粉和没有燃烧干净的颗粒。在气雾剂的同时，还有一种叫做烟雾分子的东西其成分主要是固体颗粒。当出现火时，燃烧热量仍会发出易燃气体的液体或固体，并扩散火焰的形成的表面上。红色的火焰，看不见的紫外线，还有大量的热。形成火灾。气溶胶，烟，火焰和热被称为火参数，判断有没有起火，最主要是依靠这些数据呢。根据不同的火灾发生时，阴燃火可以分成一个缓慢的，火或火焰和迅速发展，等等。闷烧是一大原因，这是很多人经过大量数据所证明了的。

物体燃烧是有条件的，一般有这些：煤气及烟被燃烧，足够的氧气，但失火的必要，足够的火焰，能够视光及不当视光，因为产生大量的热的气味，你有温度上升。在燃烧中，首先，在过程中阶段时间长，虽然烟草体积是大的，除非温度必须施加一个检测器，用于检测和分析该阶段地板是火，以允许有限的你必须最小化的损伤。发动机后，迅速扩散，有可能使大量生产的热，温度上升，如果有用的话，用于检测温度值，可以比较及时控制火灾。下图简要描绘了起火的过程。

图2-1 起火过程曲线

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2.2火灾报警系统功能及其类型

由传感器：温度传感器DS18B20和烟雾传感器MQ-2监测室内环境。有脉冲信号时，经过放大电路放大电信号，然后在经过A/D转换器的转换，将直流信号直接输送到单片机，然后在经过串口接口再进行数据通信，按键为手动复位系统，状态指示灯、声音报警器、LCD屏幕显示，都是程序最终控制的对象。

消防报警系统基本框图

放大放电大路 电路 A/D转A/D换 转换 单片机 单片机 传感器 传感器 状态指示灯 状态指示灯 声音报警 声音报警 LCD显示 LCD显示 按键 按键 串口接口 串口接口 图2-2 消防报警系统基本框图

按类型的探测器使用的火灾报警系统，可以分成四种： （1）感温型火灾报警系统

通过探测温度参数 - 数据 - 到一个不同的，温度敏感型火情报警系统，以便它可以有一些这样的等温型，温差式几种。 （2）感烟型火灾报警系统

感烟型火灾报警系统主要包括激光感烟型，和光感烟表达式和离子感烟型。 （3）感光型火灾报警系统

感光报警器，出来的光强和光发生在回应火灾的特点扩散火焰的闪烁频率，它必须由一个警报系统的启发。这是一个敏感为由敏感波长，并且在感光火灾报警系统，是一个长期的光辐射敏感的红外报警系统更短的波长比光辐射和紫外线敏感的报警系统和双波长。

（4）复合型火灾报警系统

如果报警系统同时对温度、两个或两个以上的在烟雾和光辐射参数的报告系统其它一旦它是一个响应，类型有点复杂的火灾报警器。变暖烟雾型唱在当前复

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杂火灾报警系统，感觉抽烟光敏型，感觉是各种形式，如温度和光敏感。

2.3 本系统的总体方案设计

2.3.1本设计的主要模块论证及方案确定

无线传输及通信模块

方案一：采用GSM(Global System for Mobile)模块进行通信，GSM模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽然能够远距离传输，但是其成本较大、且需要内置SIM(Subscriber Identity Module)卡，通信过程中需要收费，后期成本较高。

方案二：采用TI（德州仪器）生产的C2430无线通信模块，此模块采用Zigbee总线模式，传输速率可达250kbps，且内部集成高性能8051内核。但是此模块价格较贵，且Zigbee协议相对较为复杂，实用性不高。

方案三：采用nRF24L01无线射频模块进行通信，nRF24L01是挪威Nordic公司推出的单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM频段，抗干扰能力强，能耗非常低，满足多点通信和跳频通信需要。当加定向天线后，在无障碍通信情况下能传输上千米的距离，而且价格较便宜，采用SPI总线通信模式电路简单，操作方便。

综合考虑各方面因素，采用方案三作为本系统的无线通信方案，采用方案一作为本系统GSM通信的方案。

显示模块方案

方案一：采用字符液晶LCD1602显示信息，LCD1602是一款比较通用的字符液晶模块，能显示字符和数字等信息，且价格便宜，容易控制。

方案二：选择主控为ST7920驱动器的带字库的LCD128来显示信息。LCD128是一款通用的液晶显示屏，能够显示常用的汉字及ASCII码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果，但考虑到监测节点较多，需显示的信息较多，而其最多只能显示四行信息。

方案三：采用配置2.8寸的TFT-LCD即薄膜晶体管液晶显示器。该模块的控制器为ILI9325,具有26万像素，320×240的分辨率，16位真彩显示。可以清晰的显示各监测节点的信息，且其可以显示人性化界面，各节点信息以及报警上限温湿度值一目了然。

综合以上方案，选择了价格便宜，容易控制的LCD1602作为接收端的显示。 2.3.2 系统的硬件总体结构

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（1）系统主要组成模块

1.STCC52单片机 2.DS18B20温度传感器 3.LCD1602液晶显示屏 4.蜂鸣器

5.MQ-2烟雾传感器 6.nRF24L01无线模块 7.GSM通信模块

（2）硬件系统控制方案设计

火灾报警系统的结构图。

图2-3 火灾报警系统的总体结构框图

火灾报警系统主要实现对火灾现场的测试工作，从而启动火灾报警系统。其主要由烟雾传感数据采集程序、温度传感数据采集程序、声光报警程序等三个部分组成，其中，烟雾传感数据采集程序完成对烟雾浓度的采集并进行数据转换；温度采集程序显示对现场的温度进行采集；系统的工作原理是：先通过传感器 (包括温感和烟感)将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号，调理电路将传感器输出的电信号进行调理(放大、滤波等)，使之满足A/D转换的要求 ,最后由A/D转换电路,完成将温度传感器和烟雾传感器输出的模拟信号到数字信号的转换，单片机判断现场是否发生火灾。报警程序设置报警的下限，当外界指标超出，将进行声光报警。 2.3.3 系统软件总体结构

误报率是很高的，因此要采取措施使它降低，这里采用多次采集、多次判断的方法。每次后数据采集基于数据从法官的情况然后重复做出最终判决结果的综

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合评判火。是无限的主要程序循环，先在周边首先，所有的输入和输出端驱动电路和后可放置在系统的一个部分中的数据存储电路已在成品被纳入，程序的下一个芯片，履行使命是收集行政火灾自动报警系统的数据后面是履行职责和查询确定义务的数据通信。

图2-4 程序流程图

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3系统的硬件设计

3.1单片机内部结构及接口描述

图3-1 STCC52引脚图

VCC : 电源 GND: 地

P0口：P0口是一个8个引脚的双向I/O口。

P1口：P1口内部具有上拉电阻有8个双向I/O口，它的输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

引脚号的第二功能： P1.0：T2，时钟输出。 P1.1：T2EX P1.5：MOSI。 P1.6：MISO。 P1.7：SCK。

P2口：P2口内部具有上拉电阻有8个双向I/O口，它的输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

P3口功能如表所示。

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表3.1 各口线的特殊功能和信号名称

口线 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 特殊功能 RXD TXD T0 T1 信号名称 串行输入口 串行输出口 外部中断0输入口 外部中断1输入口 定时器0外部输入口 定时器1外部输入口 写选通输出口 读选通输出口 火灾报警器的核心部件是单片机。传感器把温度发送过来 ，必须在一方面，将工作对应于控制随后的电路分别处理对应于烟感两个模拟信号;询问是否有被按下询问按钮的同时。这些任务可以在这个过程中完成，可以放置在一个快速的处理速度，顶部软件实现的请求是困难的，根据浓度值特别是在信号处理的比较之后，可以发现观察烟雾更精确的浓度，根据程序作出相应反应。最靠要选择一个价格低、实用性高的单片机，这也是低功耗发展的趋势。由上面原因所述，这个设计选用STCC52单片机作为控制器。

STCC52的实物图如图所示。

图3-2 DIP-40封装STCC52实物图

3.2单片机外围接口电路

3.2.1晶振电路

晶振电路为单片机8051工作提供时钟信号，并输出高增益内部放大器使用振荡器时，它使用相同的芯片中，销XTAL1放置并XTAL2对应的放大器的输入端。是构成在过激的振动到放大器和反馈元件石英晶体和陶瓷振荡和一绪。外部石英晶体和电容电路的C2，为C3连接到放大器反馈回路中组成并联振荡电

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路、 晶体振荡器电路如图所示，如果利用石英晶体，电容器容量大小范围 ；利用石英晶体在此设计中，电容是设置为30pF。 3.2.2复位电路

复位电路的基本功能是：提供开机信号。为了可靠、 稳定的力量甚至后出现一定的延迟，撤销一重置信号，防止抖动造成的电源开关或插上处于关闭过程中，重置后。供应链管理需要重置在启动时，与 CPU 和系统组件在初始状态下，查明并开始上班从初始状态。8051 是从其余 pin输入到该芯片在施密特触发器的复位信号。单片机系统重置： 重置和重置的手动按钮，本设计采用在手动重置按钮。

手动重置按钮来重置输入的其余部分与高水平，做法是在休息和VCC的积极力量，通过一个按钮。当按下按钮时，VCC 5V水平将直接添加到休息结束时，系统重置。由于采取了行动，很快就会使按钮连接至 10 毫秒左右，这样的设计就能满足重置时间。SWPB复位电路为手动复位开关，电容C1最主要的作用是避免高频谐振电路干扰。STCC52晶振电路与复位电路。

图3-3 STCC52单片机的晶振电路

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图3-4 STCC52单片机的复位电路

3.3 主要元件的选型

3.3.1 集成温度传感器DS18B20

DS18B20有三只引脚：VCC、DQ和VDD。采用了外部供电的链接方式，而总线必须链接上拉电阻，线总线在空置状态时，都是一直处于高电平。原理图如图。

图3-5 DS18B20原理图

（1）DS18B20特性介绍

DS18B20是美国DALLAS公司的最新单线数字温度传感器,特点是更小、更宽、功耗更低。DS18B20 温度传感器是率先支持世界的\"一线总线\"接口。公交线路和独特的特征的经济，以便用户可以轻松地设置了传感器网络中，引入一个新的概念，打造一种测量系统。-55 至对于他的测量，在-10 ～ 85 ℃ 范围内 125℃的温度范围精度为正负 0.5℃。该现场的直接温度，但不存在抗干扰扰能的系统的数字模型传递增强“总线的明确区分”力。在适用于恶劣环境中的温度场测量，例如，环境法规和设施和操作控制，如电子产品，将温度测定其数目....可安装程序DS18B20分辨率的9-12位，准确度为正常0.5℃。选择的可能很小

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的事情之一，在包里，E2PROM存储安装在安装和很多的电压分辨率剩余电量后，我就问题的条件的用户。 DS18B20的最新控制产品的性能，性能的价格是非常好的，完成了“早期复位”的表现，但DS18B20的基础温度传感器技术的一个新概念。

（2）DS18B20内部结构

DS18B20的管脚排列。

图3-6 DS18B20的管脚排列

如表3.2是12 转化12 比特的数据，如果测得的温度大于 0℃，只要由 0.0625 检测的值是 5 票对 0 票，可以获得，如果温度低于实际温度。0 C，5 位为 1，需要采取反数值的测量和10.0625得到实际的温度。

表3.2 转换后得到的12位数据

DS18B20温度传感器的存储器

DS18B20温度传感器的内部存储器包括一种暂存 RAM和 E2RAM，非易失性的电可擦除存储和结构的 TL 注册触发器钍暂存记忆体包含 8 个连续的字节、 2 字节之前测量温度信息，第一个字节的内容不是低温 8、 第二个字节是高温 8。第三和第四个字节是 TH，TL 的非易失性拷贝，第五个字节是复制非易失性寄存器结构，内容在每一次重置的力量，被刷新的 3 个字节。第六，7、8个字节的内部计算。冗余检查字节是第九个字节为单位。

实际应用中也应注意以下几方面的问题:

① 保证DS18B20的检测时间，否则为会出现错误转换现象，温度显示输出总是 85。

②电源电压应保持在关于 5V上下。如果电源电压是太低，测量的温度与实

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际温度高、 后测试发现，在一般情况下大约是 5V。

③较小的硬件开销需要相对复杂的软件补偿，因为的串行数据传输采用 DS18B20 和微处理器，因此编程读取和写入 DS18B20，必须严格保证读取和写入时间，否则测量结果将不能读取。 3.3.2 气体传感器MQ-2

简要说明：

一、 尺寸：32mm X22mm X27mm 二、 主要芯片：LM393、ZYMQ-2气体传感器 三、 工作电压：直流5伏 四、 特点：

1、信号输出时有指示。 2、信号输出时双向的。 3、TTL低电平有效。

4、模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高。 5、对烟雾，液化气，天然气，灵敏度都很高。 6、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性 7、快速的响应恢复特性 五、应用：

这个传感器比较适合家用和工厂使用，适宜于液化气、丁烷、酒精、氢气、烟雾等监测装置。

图3-7 气体传感器MQ-2

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MQ 2 型烟雾传感器的设计。当烟气的接触，在晶界势垒调制烟和变化，会引起表面电导率变化。这可以用于获取的信息存在烟雾。例如，当可燃气体 （如 CH4）、 吸附解吸的氧气和可燃烟积极离子吸附在二氧化锡半导体表面 ；氧解吸电子烟气，具有积极的离子吸附状态发射电子，半导体带电子密度增加，电阻减小。但当没有空气中的烟雾，负离子吸附两种锡氧化物半导体将自动还原中氧浓度、 初始状态抗性的增加。这是烟雾传感器可燃烟气工作的基本原理。

图3-8 MQ-气体传感器结构和外形

用 MQ 2 气体传感器的气体敏感材料是清洁空气中的二氧化锡 （SnO2） 低电导率。当在环境中可燃气体传感器，传感器电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增加。使用简单的电路来改变相应的气体浓度的电导率转换和输出信号。这种传感器可以检测各种可燃气体，是一种适合各种应用的低成本的传感器。

结构和外形图，封装好的气敏元件有6个针状管脚，其中4个用于信号取出2个用于提供加热电流。

图3-9烟雾传感器电路图

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3.3.3 1602液晶显示模块 （1）1602液晶显示屏简介

1602液晶 是一种工业字符型液晶，能够同时显示1602 即32个字符。（16列2行）。在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单。

图3-10 液晶屏实物正面

（2）1602液晶显示模块

液晶显示的原理是利用液晶的物理特性， 通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。

其中Vo脚，即第三引脚加了一个10K的滑动变阻器，该变阻器的目的是调节液晶的显示对比度，通过调节滑阻改变Vo的电压值，从而使液晶显示在最清晰的状态。

图3-11 1602显示模块原理图

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3.3.4 GSM模块

（1）GSM模块功能概述

GSM系统由若干个子系统或功能实体组成。其中基站子系统（BSS）在移动台（MS）和网路子系统（NSS）之间提供和管理传输通路，特别包括了MS与GSM系统的功能实体之间的无线接口管理。NSS负责管理通信业务，保证MS与相关的供应能够通信网或与其他MS之间建立通信。MS、BSS和NSS组成GSM系统的实体部分。操作支持系统（OSS）提供运营部门一种手段来控制和维护这些实际运行部分。

图3-12 GSM系统结构

（2）SIM900A模块简介

SIM900A是一个2频的GSM/GPRS模块，工作频段为：EGSM 900MHZ和DCS 1800MHZ。SIM900A支持GPRS multi-slot class 10/class 8(可选)和GPRS编码格式 CS-1，CS-2，CS-3 and CS-4。SIM900A采用省电技术设计，在SLEEP模式下最低耗流只有1mA。此外，该模块内嵌TCP/IP协议，扩展的TCP/IP命令让用户能够很容易使用TCP/IP协议，这些在用户做数据传输方面的应用时非常有用。

SIM900A尺寸较小，几乎可以满足所有用户应用中的对空间尺寸的要求。该模块与用户移动应用的物理接口为68个贴片焊盘，提供了模块和客户电路板的所有硬件接口：键盘和SPI显示接口；主串口和调试串口；一路音频接口，包含一个麦克风输入和一个扬声器输出；可编程通用输入输出接口。

SIM900A硬件系统设计，SIM900A硬件设计功能框图如图所示。本电路设

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计之初，主要是为了实现SMS与TCP功能，因此语音接口没有引出，外部功能模块主要分为串口、电源、SIM卡、以及单片机相应接口。

串口SIM卡天线防静电SIM900A单片机电源图3-13 SIM900A原理图

该电路系统设计的关键在于电源部分，由于GSM/GPRS模块电源部分为3.8v，非典型固定电压，而且瞬间电流可以达到2A。本系统选择可调输出电压芯片LM2596，LM2596输出电压范围为1.2-37v，瞬间可以通过最大电流达到3A，完全符合电路要求。

电路通信部分充分考虑了兼容性，是GSM/GPRS模块既可以和PC机通信，同时又可以与单片机通信。由于所使用的MCU为5v接口电压，而SIM900A的接口电压为2.8v，因此需要在两者之间加一电平转换芯片，本系统采用NL27WZ07在SIM900A与模块之间进行电平的转换。

由于GSM/GPRS模块为静电敏感器件，因此电路中需要加入静电防护措施。本系统中采用ESDA6V1W5，该器件专为静电敏感器件设计，可承受瞬间静电25KV，漏电流小于1uA。 3.3.5 报警器电路

STCS52 声音报警。蜂鸣器是无源蜂鸣器，噪音低，当室内烟气浓度或温度超过预设的，单片机 P3.7 设置为较低、 三极管、 扬声器报警蜂鸣器，直到工作人员将切换开关电路，

报警电路原理图。

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图3-14 声音报警电路

同时报警设计，加入线路，烟气浓度高，电机可以抽烟，烟雾的浓度降低。当温度是过高可以还通过电机，吹凉爽的空气，降低温度，如果它发现火将吹CO2，（这个步骤我们手动完成就可以了）。 3.3.6无线模块NRF24L01

图3-15

（1）nRF24L01模块电路图

nRF24L01芯片是由NORDIC公司生产一款无线通信芯片，采用FSK调制方式，内部集成有NORDIC自己的Enhanced Short Burst协议。可以实现点对点或是1对6的无线通信。通信速度可以达到2Mb/s。nRF24L01无线射频模块的电路图如图3所示。

图3-16 nRF24L01模块电路图

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（2）nRF24L01模块接口电路

图3-17 单片机与无线模块通信及其电源转换电路图

nRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM(Industrial Scientific Medical)频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA；接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。

表3.3 nRF24L01模块引脚功能

管脚 CE CSN SCK MOSI MISO IRQ VDD GND 功能 工作模式，TX或者RX模式选择 SPI片选使能，低电平有效 SPI时钟 SPI数据输入 SPI数据输出 中断输出 电源1.9-3.6V输入 地 nRF24L01无线射频模块的各引脚功能如表所示。图示为单片机与无线模块通信及其电源转换电路图，图中CE(Control Enable)使能控制线，CSN(Channel Sequence Number) 频道序号，MOSI (Master Out Slave In)主机输出从机输入，MISO(Master In Slave Out)主机输入从机输出，SCK(Serial Clock)串行时钟线，IRQ(Interrupt Request)中断请求位，分别跟ATmega16L的PB3～PB7以及PD2端口连接。 （3）模块供电电源

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此无线射频模块需要的电源为1.9 V～3.6 V，故不能直接用5V电源供电，本系统中采用3.3V直流电源对无线射频模块供电，5V电源经LM1117芯片进行转换后即得到稳定的直流电源供给nRF24L01无线射频模块。 （4）模块工作模式

通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表所示。

在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。

表3.4 nRF24L01工作模式及配置

工作模式 接收模式 发射模式 发射模式 PWR_UP 1 1 1 PRIM_R1 0 0 CE 1 1 FIFO寄存器状态 数据在RX FIFO 寄存器中 数据在TX FIFO 寄存器中 下降沿 停留在发送模式，直至数据发送完 待机模式1 待机模式2 掉电 1 0 0 无数据传输 1 0 1 TX FIFO 为空 0 0 0 无数据传输 （5）模块工作原理

发射数据：先将nRF24L01配置为发射模式，再把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区。TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而 TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据。若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TX FIFO中清除；若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)。若重发次数达到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中数据保留以便再次重发。MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知ATmega16L。最后发射成功时。若CE为低，则nRF24L01进入空闲模式1；若发送堆栈中有

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数据且CE为高，则进入下一次发射；若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。

接收数据：首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。当接收方监测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RX FIFO数据寄存器中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，进入中断服务子程序，通知单片机ATmega16L去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。若自动应答未开启，则不进入发射状态。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。 （6）nRF24L01配置字

SPI口为同步串行通信接口，最大传输速率为10 Mb/s，传输时先传送低位字节，再传送高位字节。但针对单个字节而言，要先送高位再送低位。与SPI相关的指令共有8个，使用时这些控制指令由nRF24L01的MOSI输入。相应的状态和数据信息是从MISO输出给单片机ATmega16L。

nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定义，这些配置寄存器可通过SPI口访问。nRF24L01 的配置寄存器共有25个，常用的配置寄存器如表3所示。

表3.5 nRF24L01常用配置寄存器

地址（H） 寄存器名称 00 01 02 03 04 07 0A-0F 10 11-16 CONFIG EN_AA EN_RXADDR SETUP_AW SETUP_RETR STATUS RX_ADDR_P0~P5 TX_ADDR RX_PW_P0~P5 功能 设置nRF24L01工作模式 设置接收通道及自动应答 使能接收通道地址 设置地址宽度 设置自动重发数据时间和次数 状态寄存器，用来判定工作状态 设置接收通道地址 设置接收节点地址 设置接收通道的有效数据宽度 - - 22

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4火灾报警系统软件设计

4.1软件开发环境

该系统用于在程序中是美国 Keil 软件 Keil C51 公司生产的是 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统。Keil C51 软件提供的功能和功能丰富和强大集成的开发调试工具，Windows 界面。更好地反映发展的大型软件优势的高级的语言。

C51 工具包，元件和 Ishell 的总体结构是 C51 为 Windows 和 Dos 集成开发环境 (IDE)，可以编辑、 编译，整个发展过程的模拟。开发人员可以使用 IDE 本身或其他编辑器 C 或汇编语言源代码文件。然后由 C51 和 A51 编译器生成的目标文件 （.OBJ)。可以通过创建目标文件 LIB51还可以生成库文件和库文件一起通过 C51 连接位置生成的绝对对象文件 （.ABS）。ABS 文件由 OH51 翻译成标准的 Hex 文件，dScope51 或 tScope51 调试器源代码级调试、 可直接用于调试目标模拟器、 例如 EPROM 程序存储器可以直接写。

4.2火灾报警系统程序设计

火灾报警系统控制器采用 80c51 作为主芯片，其主要功能包括： IO 控制端口、 逻辑加工、 外部驱动电路、 语音报警和 A/D 采样，这一部分是智能火灾报警系统的体现。

对于系统的维护，在软件设计中火灾报警系统采用模块化程序设计方法，系统各模块的具体功能由调用子程序。不仅使程序结构清晰，易懂，进一步扩展其功能。该系统主要包括主程序、 数据采集子程序、 火灾烟气温度判断和报警子程序。系统程序流程图如图所示。

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图4-1 系统流程图

是 复位按键？ 否 否 是 否 系统自检完成？ 开始 传感器检测 火灾？ 是 nrf24L01通知警卫室 警卫室警铃动作 GSM通知用户 保护区域警铃动作 4.3 温度检测模块软件设计

软件的设计要有一定的标准，要按照单总线的协议去设计，要保证测试效果，要让通信数据精确，单片机写入和读出数据，其中有读零、读一、写一等操作，要让应答信号被接收，就要让传感器置零，然后要让温度转换模块启动，数据就要忽略ROM的序列号，当温度转换结束时，需要保存数据，然后循环操作，按照此步骤不断重复，一直达到我们最终所期许的结果我们可以根据流程图很直观的观察出系统的工作流程，它进一步把系统细化了让我们可以看出每一步的工作流程，硬件部分是把电路连接起来，它要没有软件的驱动可以说它是一个躯壳，

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软件我把它理解成一个系统的肉身，它包括流程图和程序，流程图是它的工作具体流程，程序是它的驱动力，通过温度检测流程图我们可以很明白的看出工作流程，让人们一眼就能看出我们设计的这个东西是干什么用的。下图就是我们系统中所涉及到的温度检测模块的流程图。

图4-2 温度检测结构框图

温度检测模块是系统中非常重要的一个环节，下面我简要介绍一下流程。当我们的温度的温度传感器感知到外界的温度时，这里的温度是一个单位脉冲，经过各个寄存器的相互作用把脉冲信号一级级进行传输，并对所检验到的脉冲信号和自己所设置的信号进行对比，也就是和我们所设置的极限温度进行对比，当处于最高和最低温度范围内我们相应的指示灯绿灯就等就会亮起，如果超出极限范围就有有相应的指示灯红灯亮，告知我们传感器感知的温度不是我们所要想要得到的温度。

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4.4 无线模块软件设计

4.4.1 无线发射模块软件设计

首先要进行初始化，在进行初始化操作的时候，需要设置I／O和SPI相关寄存器的端口，以保证能够与无线模块进行有效的传输。通过SPI总线调置射频芯片使得它能够准确的进入工作状态。其次是数据的发生阶段，在这个阶段我们首先要做的是把无线模块的状态转换成发射状态，然后在把要发送的信息的目标位置址利用程序图导入

无线传感器模块的缓冲区，记住不要急着发送数据，要延时一段时间再发送其流程图如图

开始写入接收地址CE置高

初始化写入发送数局延时

置低CE数据通道0允许CE置低

配置CONFIG为发射模式设置工作频率清状态寄存器

写入发送地址设置数据传输率与功率

图4-3 发射软件设计框图

4.4.2 无线接收模块软件设计

接收数据时，首先要调整无线模块的的工作方式，将其状态变为接收状态，要进入接收状态，要等数据延迟一段时间后才可以，接收的那一方对于自己有用的信息，要把信息先存在堆栈中，然后把中断标志位调成高电平，当有中断产生

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时，为了更有利于微控值单元提取所传送的信息，要把中断请求的引脚调成低电平，此过程需要有程序的驱动用，具体流程图如下图所示

开始初始化打开接收通道0CE置高CE置低设置工作频率判断接收中断配置CONFIG为接收模式设置接收数据宽度是否写入接收地址写入发射功率与数据传输率读接收数据图4-4 接收软件设计框图

4.5 软件的总体设计

4.5.1 发送部分

该部分的思路和实现过程主要是把DS18B20归零，然后再在传感器中读出相应的实时温度，在默认情况下，我们传感器的温度精度是12位，然后我们把传感器得到的温度数据转成我们常用的十进制数，

我们要取温度这个数组中的高两位并把它写入到发送到数组中，接着还要把无线模块置数值传送出去，其流程图如图，程序如下： ReadTemperature(void) {

unsigned char a=0; unsigned char b=0; unsigned int t=0; Init_DS18B20();

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WriteOneChar(0xCC); // 跳过读序号列号的操作 WriteOneChar(0x44); // 启动温度转换 delay_18B20(100);

开始

图4-5 发射部分工作流程图

将温度写入发射数组转换温度为十进制从DS18B20读温度延时初始化发射数据4.5.2 接收部分

接收部分的具体实现过程是这样的我们需要把无线模块的端口的初始值设定为零，然后让所需要的存储器进入循环，并在中途判断存储器是否中断，能把遗留的信号重新接收回来。如果有中断这种现象发生我们需要做的就是要把二进制数据读入到FIFO_buffer中，接着把数据转化成十进制，并把它在液晶屏上表示出来，其流程图如图，程序如下 unsigned char revale=0;

sta=SPI_Read(STATUS); // 读取状态寄存其来判断数据接收状况 if(RX_DR) // 判断是否接收到数据 {

CE=0; SPI_Read_Buf(RD_RX_PLOAD,rx_buf,TX_PLOAD_WIDTH);//read receive payload from RX_FIFO buffer revale=1;//读取数据完成标志 }

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开始初始化液晶屏显示判断接收中断从RX_FIFO buffer读数据转换为十进制图4-6 接收部分工作流程图

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}

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结 论

本篇描述了一种依托于 nRF24L01 无线传输模块和SIM900A模块相结合的无线火灾报警系统的设计方案，这个方案用单片机STCS52 作为控制芯片，以MQ-2烟雾传感器和DS18B20温度传感器为为检测元件。设计中包括了温度采集模块、烟雾采集模块、采集数据的传输、声光报警以及其他的外围电路，此外本设计也包括了相应的软件设计，实现火灾报警功能这个设计结构简单、操作方便、价格较低，具有较高的实用性。

STCC52的火灾自动报警系统，系统安全可靠，误报率低，操作方便，成本较低。这篇论文最主要的工作就是以电阻式烟雾传感器MQ-2和温度传感器DS18B20、无线模块、手机模块以及以单片机技术为核心的并与其他电子技术相结合的智能火灾报警器。这个设计能实现的功能是对现场温度与烟雾的随时监控，能及时报警。对温度以及烟雾的设置能按照用户的意愿进行设置。在系统未能及时报警情况下，用户可以进行手动启动报警功能，同时可以取消手动报警，在系统自动报警后，用户可以通过更改报警来取消报警。在进行功能选择时不影响报警功能与数据采集功能。

相信在人们对智能防火报警系统的不断改进之后，会将其推广到现实生活当中去，并且使之发挥一定的作用。在未来的社会中有很大的发展前景。

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致 谢

时间如梭，转眼间距离我入学两年已经过去了，回想两年的本科生活，我感慨颇多，这两年我学到了很多知识，也结交了不少好朋友，得到老师和同学们的许多帮助，在这里我对给予我帮助和关心的老师、同学致以最诚挚的祝福。

感谢姜贤林老师在论文撰写过程中对我的悉心指导，虽然时间比较短暂但我在老师身上学习到了许多我在课堂上学不到的东西，老师也教给我们许多做人的道理。马上就要到学期的最后了，课程设计丰满和充实了精神生活，所学的知识的实践也使我们为人处事的态度得到了锻炼，人在大学既要学会知识，又要学会做人。课程设计虽然时间短暂，但是对于整个过程所带来的收获，却是不可估量的。对于本次对于无线模块的深入了解和接触，都为我们以后的学习和工作打下了坚实的基础。如果说这次课程设计中的主力，毫无疑问我要感谢在本次设计过程中帮助过我的全体人员，由于他们的帮助才让我这次设计得以顺利的进行。在这里，要特别感谢的是姜贤林老师，不仅将设计中存在的错误和不足指出，而且提出了一些更加切合实际的建议，并且老师更多的是提供给我们处理问题的一种思维，教会我对于出现的问题不是立马解决，而是先进行思考，如果实在解决不了，他再提供给我们解决问题的思路，体现了授之以鱼不如授之以渔的教学思想。通过自己的努力解决问题的教育方法虽然让我们吃了不少苦头，但对于我们今后的工作和人生都是有帮助的。如果说校园生活是必不可少的按键，那么社会便是按键背后所要体现的价值，在那里没有老师的保护，没有给于疑难问题解答的人，遇到问题更多的是需要依靠自己，所以老师所给予我们的这种思路，必定会为我们以后更好的适应和融入这个复杂的社会，奠定一定的基础，在这个社会中我们才能更有竞争力。最后一次整个大学时代知识的整合历练，让我体会到了认真完成一件事的态度是多么的强大，也让我体会到交流在解决问题中的重要，知识只有融入到实践才能体现价值所在，对于传统知识的保守，没有创新，也就不会有所突破，那也就不叫论文了。我也感受到了知识的重要性，老师和同学的热情，但愿通过这次设计能为我以后踏入社会打下一个扎实的基础。

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参考文献

[1] 王庆．MCS-51系列单片微型计算机及其应用．华东理工大学出版社，2006． [2] 王忠民．一种智能火灾报警系统的设计方案．机械工业出版社，2009． [3] 王钊．基于ARM7的火灾自动报警控制器研制．北京科学出版社，2008． [4] 吴龙标.中国火灾科学基础研究概况[J]．江汉石油科技，2008. [5] 康华光，单片机原理与接口技术，机械工业出版社，2009．

[6] 马争，汪亚南. 微计算机与单片机原理及应用[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

[7] 林立,．单片机原理及应用[M]．北京：电子工业出版社，2010.

[8] 卢元元，王晖. 电路理论基础[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2004. [9] 兰吉昌．单片机C51完全学习手册[M]．北京：化学工业出版社，2009. [10] David CJ. Ale rich.Industrial moto control[J]. Delmar Publishers，2008.

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附 录

附录一 原理图

1.发送端

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2.接收端

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