基于51單片機的低成本智能防火防盜報警系統(tǒng)

現(xiàn)如今在學校的寢室里，學生貴重物品被盜、由于學生過失而引起著火等事故時有發(fā)生，這些都是一直以來困擾著學生、學工以及學校保衛(wèi)處的“大問題”。傳統(tǒng)的防范措施存在很大的弊端，比如當事故發(fā)生時，防護鐵門、鐵欄桿就會成為主人逃生的最大障礙。而采用智能防火防盜報警系統(tǒng)，便能很好地解決此類問題了。但是市場上防火防盜系統(tǒng)價格對大學生來講過高，本系統(tǒng)便是針對大學宿舍，從低成本的角度來設計制作的。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

本系統(tǒng)通過一個監(jiān)控室和兩個宿舍來模擬，通過RS 485總線來實現(xiàn)通信。考慮到現(xiàn)實中監(jiān)控室要能監(jiān)控整棟宿舍樓，因此采用功能強大的ARM7芯片LPC2103作為主機控制芯片，從機采用價格低廉的51系列單片機作為控制芯片。宿舍中采用熱釋電傳感器對人體進行檢測，煙霧傳感器實現(xiàn)煙火檢測，紅外傳感器實現(xiàn)對宿舍進出人員數(shù)量的檢測，主機通過RS 485總線對從機實時監(jiān)控，當有異常出現(xiàn)時，宿舍和監(jiān)控室的報警裝置會同時響起，只有本宿舍成員在本宿舍通過輸入從機的密碼才可解除報警狀態(tài)。系統(tǒng)的詳細結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 硬件電路設計及相關(guān)理論分析

防火防盜智能報警系統(tǒng)硬件主要由七大部分組成：主機部分處理器電路，從機部分處理器電路，傳感器檢測電路部分，聲光報警電路，RS 485總線接口電路，鍵盤接口電路及顯示電路。

2.1 傳感器檢測及聲光報警電路

傳感器模塊由熱釋電傳感器、煙霧傳感器MQ211和紅外傳感器組成。

煙霧傳感器的內(nèi)部電阻是隨著煙霧的濃度的變化而變化，因此要將其轉(zhuǎn)化為變化的電壓信號，在此通過電壓比較器LM339和幾個相應的分壓電阻構(gòu)成，具體電路設計如圖2所示。在通電狀態(tài)下測得傳感器的內(nèi)阻是130 kΩ左右，在煙霧較濃時內(nèi)阻為6 kΩ左右，在無煙時比較器的負端輸入為2.5 V左右，正端為1.2 V左右，有煙霧時負端為2.5 V，正端為3～5 V，此電路能很好地實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。熱釋電紅外傳感器采用RE200B和信號處理元件BISS0001及少量外接元件組成，電路如圖3所示。

紅外傳感器電路由紅外發(fā)射二極管及1838B組成，用單片機來檢測兩個傳感器低電平的先后順序來判斷人的進出情況。其原理如圖4所示。聲光報警模塊由蜂鳴器、(紅，綠)發(fā)光二極管和NPN型三極管驅(qū)動電路組成，具體電路圖如圖5所示。

2.2 RS 485通信電路

本模塊采用用于RS 485與RS 422通信的低功耗、限擺率收發(fā)器MAX485。MAX485的驅(qū)動器擺率不受限制，可以實現(xiàn)最高2.5 Mb/s的傳輸速率。

3 軟件程序設計

該系統(tǒng)軟件部分主要完成了系統(tǒng)及各個模塊初始化、警情信號檢測(火警/盜情)、系統(tǒng)設置、RS 485總線協(xié)議及聲光報警的程序設計。具體的程序流程圖如圖6，圖7所示。

4 通信協(xié)議

在RS 485總線通信系統(tǒng)中，由于供電、空間噪聲以及傳輸路徑等因素的影響，數(shù)據(jù)傳播過程中很容易受到干擾或者信號衰減，造成通信失敗，因而需要設計一種傳輸協(xié)議，保證在這種不可靠的物理鏈路上建立起可靠的數(shù)據(jù)連接。本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集器與監(jiān)控室主機是一個簡單的多點對一點通信。

4.1 波特率設置及通信方式的選擇

考慮到RS 485總線自身的特點并兼顧到數(shù)據(jù)通信的速度和穩(wěn)定性，波特率選擇2 400 b/s，這樣可以傳輸更遠的距離。由于通信是多對一的關(guān)系，串口選擇工作方式3。

4.2 數(shù)據(jù)校驗方式的確定

使用RS 485總線通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)時，很容易遇上干擾，使傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生改變，從而導致傳輸錯誤?？紤]到系統(tǒng)的實際要求，本設計采用8位的CRC(循環(huán)冗余校驗)校驗方式。

CRC校驗和的計算是一種循環(huán)計算。從數(shù)學角度看，CRC校驗和是用生成多項式(算法規(guī)則)去除一個多項式(由數(shù)據(jù)塊表示)，CRC校驗為相除后所得的余項。CRC校驗是對要傳送的一個數(shù)據(jù)塊附加一些校驗位，這些校驗位(CRC校驗位)由該數(shù)據(jù)塊算出，并隨同數(shù)據(jù)塊一并傳送。在接收端，對收到的數(shù)據(jù)塊重新按規(guī)定的算法計算CRC校驗和，從而可以判別數(shù)據(jù)傳輸過程是否出錯。

4.3 通信數(shù)據(jù)的編碼

為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏蚀_性，本設計采用的數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。其中，前2個字節(jié)為起始同步信號，地址碼占用1個字節(jié)(0～255)，用它來標示不同床位號;待發(fā)數(shù)據(jù)包括：煙霧傳感器信號(1 B)、紅外傳感器信號(1 B)、熱釋電傳感器信號(1 B)和采集時間(7 B);校驗碼為8位的CRC校驗碼。傳輸順序為：煙霧傳感器信號、紅外傳感器信號、熱釋電傳感器信號(高位在前，低位在后)、采集時間(依次為：秒、分、小時、日、月、年);當發(fā)送應答命令時，待發(fā)數(shù)據(jù)為2 B的0xCC或者0xBB。

4.4 RS 485的通信協(xié)議

本系統(tǒng)的RS 485總線通信采用輪詢的方法。主機向RS 485總線上發(fā)送各個從機的地址，對各個從機依次詢問查看從機部分是否有警報。如果某從機有警報，就會通過RS 485總線發(fā)送指令報告給主機，然后主機和該從機通信，從機發(fā)送數(shù)據(jù)包，主機接受并解析該數(shù)據(jù)包，并作出相應處理。主機會不斷的查詢各個從機的狀況，做到實時監(jiān)控。

5 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

本系統(tǒng)經(jīng)測試，傳感器性能穩(wěn)定，熱釋電傳感器檢測距離能達到5～8 m，煙霧傳感器能夠很好地實現(xiàn)防火功能;紅外傳感器很靈敏，可以有效地檢測出人員的進出情況;RS 485總線能夠很好地實現(xiàn)主機與從機之間的通信，做到實時監(jiān)控。各個模塊能夠很好地鏈接在一起，有較高的穩(wěn)定性。經(jīng)過多次調(diào)試，該系統(tǒng)實現(xiàn)了設計要求。整體效果令人滿意。

6 結(jié)語

本文所述的宿舍智能化防火防盜報警系統(tǒng)為宿舍安防提供了一條可行途徑。該系統(tǒng)利用多傳感器檢測，通過RS 485總線自動實現(xiàn)對外求助，具有智能化、自動化特點，系統(tǒng)具有較為廣闊的應用前景，對于日趨提高的安防要求，在系統(tǒng)今后的進一步改進中，可通過在探測器上加微處理器的方法，進行實時監(jiān)測。對于大學生宿舍的安全建設具有重要意義。