基于ARM的智能化公寓安防測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

縱觀目前校園安防的現(xiàn)狀，無(wú)論高校還是中小學(xué)校都不容樂(lè)觀，學(xué)生在學(xué)校寢室里物品被盜以及學(xué)生使用電器不當(dāng)引起火災(zāi)，是高校管理中的一個(gè)“大問(wèn)題”。隨著傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)和通信技術(shù)的調(diào)整發(fā)展，為學(xué)生公寓的現(xiàn)代化動(dòng)態(tài)管理，提升學(xué)生公寓的居住安全性，把安全事故控制在最低限，解除學(xué)業(yè)生和學(xué)校的后顧之憂(yōu)提供了可能。本文遵循可靠性、獨(dú)立性、安全性、聯(lián)動(dòng)性、擴(kuò)展性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性的原則設(shè)計(jì)出一個(gè)基于ARM的學(xué)生公寓智能安防測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由采集終端和異地集中控制終端兩部分組成，兩者通過(guò)RS232總線進(jìn)行串行通信，可實(shí)現(xiàn)異地控制和多終端網(wǎng)絡(luò)同步控制，不僅具有人體檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、聲光報(bào)警、鍵盤(pán)密碼解警、以及宿舍內(nèi)貴重物品進(jìn)出情況記錄等功能，且具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可靠性高，針對(duì)性強(qiáng)，人機(jī)交互友好，成本低的特點(diǎn)。

1.系統(tǒng)組成及基本原理

本系統(tǒng)由多個(gè)宿舍監(jiān)控站和一個(gè)樓管站組成，示意圖如圖1所示。宿舍監(jiān)控站安裝在宿舍需要防范的部位，完成宿舍里不現(xiàn)探測(cè)區(qū)域內(nèi)的各種災(zāi)情發(fā)生前的各種參數(shù)（如人體熱釋電紅外信號(hào)，火災(zāi)煙霧濃度）等的可靠探測(cè)，并通過(guò)RS232總線傳輸?shù)綐枪苷?。樓管站設(shè)在值班區(qū)域，為方便查詢(xún)，存儲(chǔ)功能等，采用PC機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)PC機(jī)上顯示的信息監(jiān)控各個(gè)宿舍，以便及時(shí)報(bào)警并通知管理員采取相應(yīng)的措施。

圖1 系統(tǒng)示意圖

宿舍監(jiān)控站由各種探測(cè)器、微處理器、聲光報(bào)警、顯示及接口電路組成，其框圖如圖2所示。采用人體探測(cè)器實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)人體非法侵入和人員進(jìn)出信息：采用紅外探測(cè)器和煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)信息的采集：采用磁傳感器實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)貴重物品移動(dòng)信息。其工作流程如下：微處理器通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊提供的信息，按照預(yù)先設(shè)定的程序處理和保存，同時(shí)將盜竊情況、火災(zāi)情況實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，并通過(guò)RS232接口發(fā)送到異地PC管理終端。

樓管站由主控計(jì)算機(jī)，通信接口芯片、監(jiān)控管理軟件、鋪設(shè)總線及電源組成。其T作過(guò)程為：樓管站通過(guò)主控計(jì)算機(jī)顯示的信息監(jiān)測(cè)宿舍監(jiān)控站的情況，當(dāng)宿舍監(jiān)控站發(fā)來(lái)報(bào)警信息時(shí)對(duì)其進(jìn)行保存和處理，并通知管理員采取必要的措施。

圖2 宿舍監(jiān)控站總體框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

由于樓管站的功能主要由監(jiān)測(cè)管理軟件實(shí)現(xiàn)，因此系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)主要是宿舍監(jiān)控站的電路設(shè)計(jì)。

主控模塊：本系統(tǒng)采用基于ARM的Easyarm LM3S1138作為主控制模塊芯片，用于處理和保存數(shù)據(jù)采集模塊送來(lái)的信息。Easyarm LM3S1138[5]具有32位代碼指令、32位地址總線、34個(gè)中斷源、共64 KB單周期Flash、16 KB單周期SRAM、尋址范圍32位地址寬度，兩個(gè)同步串行端口(SSI)、3個(gè)完全可編程的串口、ADC以及多個(gè)GPIO．且具有豐富的內(nèi)部資源，其高性能的32位運(yùn)算能力可以輕松控制整個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)其低功耗、低成本符合應(yīng)用環(huán)境，尤其是其具有豐富的中斷源為接收采集器的數(shù)據(jù)提供了很大的方便。

紅外探測(cè)模塊：采用E18-D80NK紅外避障傳感器，該模塊南門(mén)外紅外壁障、門(mén)內(nèi)紅外壁障兩個(gè)傳感器裝置并排組成。

當(dāng)有人進(jìn)入時(shí)，門(mén)外裝置先被遮住并檢測(cè)到信號(hào)，傳送低電平信號(hào)至主控芯片，門(mén)內(nèi)開(kāi)關(guān)冉被遮住檢測(cè)到信號(hào)，傳送低電平門(mén)至主控芯片，當(dāng)門(mén)內(nèi)、外兩側(cè)傳感器電平信號(hào)均消失后，即為該終端檢測(cè)到進(jìn)入一人，若人離開(kāi)房間，原理相反。

人體檢測(cè)模塊：主要采用DYP-ME003人體感應(yīng)模塊，當(dāng)人數(shù)紀(jì)錄為零時(shí)開(kāi)啟該模塊電路。若有人進(jìn)入感應(yīng)范圍則輸出高電平，聲光模塊報(bào)警：若人進(jìn)門(mén)之前通過(guò)鍵盤(pán)輸入正確密碼解鎖，聲光模塊停止報(bào)警，實(shí)現(xiàn)防盜功能。如若計(jì)數(shù)器為零且門(mén)開(kāi)關(guān)電路為斷開(kāi)時(shí)，該模塊輸出高電平，聲光模塊報(bào)警，實(shí)現(xiàn)門(mén)鎖提示功能。

煙霧檢測(cè)模塊：主要采用GH-312煙霧感應(yīng)模塊，可以檢測(cè)到有害氣體和煙霧的產(chǎn)生。當(dāng)室內(nèi)煙霧超出閾值時(shí)輸出高電平，由ARM處理使聲光模塊報(bào)警，實(shí)現(xiàn)防火功能。

貴重物品檢測(cè)模塊：該模塊采用SEN-65磁感應(yīng)器，可檢測(cè)到貼有特定磁條的物體。當(dāng)有人攜帶貼有磁性標(biāo)簽的貴重物品離開(kāi)房間時(shí)，磁感應(yīng)裝置檢測(cè)到并向主控模塊發(fā)出高電平，控制器使報(bào)警系統(tǒng)工作，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)貴重物品進(jìn)出情況的功能。

通信模塊：系統(tǒng)通信模塊采用程控電阻通信協(xié)議，ARM和PC之間通過(guò)MAX232完成電平轉(zhuǎn)換。對(duì)安裝好的系統(tǒng)設(shè)置通信的基本參數(shù)，如表1所示。

表1基本參數(shù)取值

電路原理圖如圖3所示。

圖3 電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是采用C語(yǔ)言和IAR系統(tǒng)嵌入式Workbench 工具同實(shí)現(xiàn)的。WorkbenCh 工[6]具是一種用于開(kāi)發(fā)應(yīng)用各種不同日標(biāo)處理器的靈活的集成環(huán)境。它提供了一個(gè)方便的窗口界面用于迅速的開(kāi)發(fā)和調(diào)試。嵌入式Workbench支持多種不同的目標(biāo)處理器，用戶(hù)用不同的日標(biāo)處理器開(kāi)發(fā)的工程(Projects)可以在工程的基礎(chǔ)上逐個(gè)規(guī)定日標(biāo)工程。

3.1  宿舍監(jiān)控站的軟件設(shè)計(jì)

宿舍監(jiān)控站主要進(jìn)行信息（人體探測(cè)器獲得的人體非法入侵信息和人員進(jìn)出信息、用紅外探測(cè)器和煙霧傳感器捕捉到的現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)信息、由磁傳感器捕捉到的貴重物品移動(dòng)信息采集，數(shù)據(jù)采集的軟件流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集軟件流程圖

3.2 樓管站的軟件設(shè)計(jì)

樓管站利用人機(jī)界面上顯示的各個(gè)宿舍監(jiān)控站上傳的信息來(lái)監(jiān)測(cè)各宿舍站的情況，利用串口實(shí)現(xiàn)與宿舍監(jiān)控站之間的數(shù)據(jù)傳輸，接收宿舍監(jiān)控站發(fā)來(lái)的報(bào)警信息，對(duì)其保存和處理，同時(shí)通知管理員采取必要的措施。樓管站數(shù)據(jù)處理的流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理軟件流程圖

樓管站采用串口通信，利用PC上位機(jī)的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各報(bào)警系統(tǒng)安防狀態(tài)的實(shí)時(shí)查詢(xún)并顯示，并記錄安防情況以供查詢(xún)，其中人機(jī)界面是在VC開(kāi)發(fā)環(huán)境[7]下開(kāi)發(fā)的，如圖6所示。

圖6人機(jī)界面

4  系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

該系統(tǒng)主要由室內(nèi)熱釋電傳感器及煙霧傳感器，紅外避障裝置，ARM控制器和PC電腦6部分組成。其中控制器部分置于門(mén)外右框架離地大約155 cm的地方，方便人員輸入密碼解鎖，兩個(gè)紅外避障傳感器則并排在右側(cè)門(mén)框兩側(cè)離地大約145 cm的地方，磁感應(yīng)模塊置于門(mén)框右側(cè)離地120 cm的位置，房梁上放置室內(nèi)煙霧傳感器，左側(cè)門(mén)框離地160 cm的地方放置室內(nèi)熱釋電傳感器，主控器通過(guò)RS232總線與PC相連，實(shí)現(xiàn)異地監(jiān)控，系統(tǒng)安裝圖如圖7所示。然后對(duì)系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行測(cè)試，具體結(jié)果如表2、3所示。

圖7  系統(tǒng)安裝圖

表2風(fēng)、光對(duì)檢測(cè)角度的影響測(cè)試結(jié)果

表3風(fēng)、光對(duì)檢測(cè)距離的影響測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明：在有風(fēng)、無(wú)風(fēng)自然光條件下的最大平均檢測(cè)角度分別為70.2。和100.8。，平均最大檢測(cè)距離分別為5.5 m和7 m;而在無(wú)風(fēng)情況下，強(qiáng)光對(duì)最大檢測(cè)角度及最大檢測(cè)距離影響均較大。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功能與性能測(cè)試，結(jié)果表明本系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了人體檢測(cè)、聲光報(bào)警、密碼輸入解警、進(jìn)出人員計(jì)數(shù)、最后人員出門(mén)時(shí)的鎖門(mén)提示、貴重物品出人檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)裙δ埽揖哂须娐吩O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性高、人機(jī)交互友好和成本低的特點(diǎn)，符合學(xué)生公寓智能化管理的需求，有助于提升學(xué)生公寓的安全性，解決學(xué)校和學(xué)生的后顧之憂(yōu)。但是本系統(tǒng)還存在一些不足，如本系統(tǒng)采用有線傳輸，當(dāng)有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)生中斷時(shí)，采集的數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)終端，不能及時(shí)報(bào)警，兇此系統(tǒng)還有待于繼續(xù)完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳巖，高校學(xué)生公寓智能安防測(cè)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)．2008:3-10.

[2]王洪建．AT89C2051在小區(qū)防盜報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2006(12)：50 -52.

WANG Hong-jian. Application of AT89C2051 in communityanti-theft alarm system  [J]. Development and Application,2006(12): 50 -52.

[3]孫曉松，曹雪瑞，張俊武．基于單片機(jī)系統(tǒng)的智能化學(xué)生公寓的改造[J]．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2007,  26 (3)：125 -127.

SUN Xiao-song, CAO Xue-rui, ZHANG Jun-wu.A smartboarding house for students [J]. Automation Technology andApplication, 2007, 26(3):  125-127.

[4]張美琪．LM3S系列微控制器的高效RS485通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. ARM開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2010,26(2)：136-138.

ZHANG Mei-qi. Design and realization of high efficientRS485 communications in LM3S ARM[J]. Development andApplication of ARM, 2010,26(2):  136-138.

[5]張志霞，紀(jì)飛，高勛，等．基于ARM LM3S1138處理器便攜式實(shí)驗(yàn)板的開(kāi)發(fā)[J]．遼寧大學(xué)學(xué)報(bào)，2010, 37(2): 105 -106.

ZHANG Zhi-xia, JI Fei, GAO Xun,et al. Development of aportable test board based on ARM LM3S1138[J]. Journal ofLiaoning University, 2010, 37(2):105-106.

[6] ARM工作中心.ARM Workbench IDE [EB/DL].  (2010-02)[2011-04]http: //www.arm.com/products/tools/software-tools/rvds/arm-workbenc-h-idephp.

[7]宋金珂，高麗華，張迎新，等．VC++基礎(chǔ)程序設(shè)計(jì)教程[M]．北京：清華大學(xué)出版，2010: 80-200.