趙光輝

（菏澤學院物理系 山東 菏澤 274015）

實驗室是高校教學過程中的重要環(huán)節(jié)。近年來，隨著高校規(guī)模的擴大，各高校實驗室建設也得以長足進步。但是，由于實驗室比較分散，給集中實現(xiàn)實驗室的安全維護和管理帶來較大困難。為解決這一問題，文中提出了一種基于GPRS的實驗室監(jiān)控系統(tǒng)。利用校園內(nèi)已經(jīng)建設好的GPRS無線網(wǎng)絡，將各個實驗室連接到一起，實現(xiàn)對實驗室安全的集中監(jiān)控與管理。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、主控模塊和自動報警模塊三部分組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

主控模塊由控制芯片、LCD液晶顯示、按鍵控制和電源電路組成。主控模塊主要控制協(xié)調(diào)系統(tǒng)的正常工作，控制芯片將各傳感器的信息進行處理，并在LCD顯示屏上顯示出來；用戶可通過按鍵查看實驗室當前狀態(tài)，可以進行手動布防和撤防操作。

信息采集模塊由各類傳感器及信號處理電路組成，主要功能是采集實驗室的環(huán)境信息和安全信息。各傳感器信號經(jīng)信號處理電路處理后送主控模塊。

自動報警模塊由聲光報警和GPRS模塊組成，在接收到危害實驗室的信息時，按照預先設定的警情處理模式，開啟相應的報警方式。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 主控模塊硬件電路設計

主控模塊主要由單片機最小系統(tǒng)、按鍵控制電路和LCD顯示電路組成。

系統(tǒng)采用菲利普公司ARM微處理器LPC2148作為主控芯片。LPC2148芯片支持實時仿真、嵌入式跟蹤的32/16位ARM7/TDMI-STM CPU的MCU，具有串行通信接口(從USB 2.0全速器件、多個 UART、SPI、SSP到 I2C總線)和8kB到40kB的片內(nèi)SRAM，為通信網(wǎng)關提供巨大緩沖區(qū)空間和強大的處理功能；內(nèi)部集成2個32位定時器、1個10位DAC、2個10位ADC、47個高速GPIO線、PWM通道及9個電平或邊沿觸發(fā)的外部中斷口使它們特別適用于控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)的按鍵控制電路和LCD顯示電路主要實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的顯示、歷史告警信息查詢和系統(tǒng)的安防設置等功能，其硬件電路圖如圖2所示。按鍵控制電路由4個獨立按鍵組成，用戶可通過4個按鍵和LCD顯示屏方便的查看安防系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)和歷史警情信息，還可以手動設置實驗室的布防和撤防。

圖2 按鍵控制與LCD顯示硬件電路圖

2.2 信息采集模塊硬件電路設計

該模塊硬件電路主要由各類傳感器和信號處理電路組成。其中溫度傳感器和濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)為實驗室環(huán)境信息，而紅外、煙霧、玻璃破碎、門磁、窗磁等傳感器則采集的數(shù)據(jù)為實驗室的安全信息。

溫度和濕度傳感器，采用集成化傳感器，無需處理電路，可以直接讀取實時的溫度、濕度信息。

系統(tǒng)中采用CA3302B型光電煙霧傳感器，用于火災報警。煙霧傳感器安裝實驗室內(nèi)天花板上，用來探測實驗室內(nèi)空氣中煙霧，根據(jù)實驗室內(nèi)煙霧的濃度判斷是否有火災發(fā)生。煙霧傳感信號處理電路原理圖如圖3所示。J1的1，4引腳連接傳感器的內(nèi)部光源，2，3引腳連接傳感器的光敏元件。正常狀態(tài)下J1的2引腳為高電平，也就是IC2A的2腳是高電平，由于IC1A的1腳是高電平所以輸出低電平，然后經(jīng)IC2B反向輸出高電平；當煙霧進入傳感器的暗室時，光線散射照在光敏元件上，其電阻率降低，IC2A的第2引腳變成低電平，其輸出高電平，經(jīng)IC2B反向，最后輸出低電平。單片機可以通過檢測IC2B的輸出判斷是否有煙霧報警即火災報警。

圖3 煙霧傳感器信號處理電路圖

系統(tǒng)中采用P2288型熱釋電紅外傳感器檢測人體輻射出紅外線信號。當檢測到人體紅外信號時，在其輸出回路中會產(chǎn)生輸出電流；而檢測區(qū)域內(nèi)沒有人體的紅外信號時，則沒有電流。P2288傳感器對運動的人敏感，應用時常在傳感器的外部家一塊菲涅爾透鏡，這樣可以有效的避免其他紅外線的干擾。因此，當有人在P2288監(jiān)測范圍內(nèi)活動時，P2288會輸出一個微弱的電流信號，經(jīng)信號處理電路可將其轉(zhuǎn)換為開關信號，主控芯片通過檢測這個開關信號的有無，就可判斷實驗室內(nèi)是否有人活動，它盜警的主要判斷依據(jù)當有人打破玻璃時，玻璃破碎傳感器受到機械振動，會給一個信號，這信號經(jīng)放大、處理后可用于報警。此傳感器可與門磁、窗磁一起作為盜警的參考報警信號。

2.3 報警模塊硬件電路設計

聲光報警采用帶警燈的報警器，由主控芯片控制的繼電器控制報警器的工作電源。

GPRS通信模塊采用西門子公司生產(chǎn)的MC55。該模塊具有GSM模塊的功能，支持分組業(yè)務功能，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議；數(shù)據(jù)接口采用UART收發(fā)器，符合RS232接口標準；具有語音和數(shù)據(jù)傳輸功能。MC55模塊通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232與LPC2148相連。MC55的RXD0、TXD0分別與的R1IN、T1OUT引腳相連，而 MAX232的 T1IN、R1OUT引腳分別與LPC2148的P0.0和P0.0引腳連接，完成數(shù)據(jù)傳輸；P0.2口通過相應驅(qū)動電路與MC55的IGT引腳相連，用來控制MC55模塊的開啟；P0.9口連接MC55的VDD，用來判斷MC55啟動是否正常；P0.3口接MC55的RING0端口用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘栔袛?；在MC55的基帶處理器上有一個綜合SIM接口，連接到外部的SIM卡座。SIM卡 的 6 個 引 腳 CCCLK、CCVCC、CCIO、CCRST、CCIN、CCGND分別與MC55上的相應的第1到第6個端口相連。

2.4 上位機硬件電路設計

監(jiān)控中心上位機采用PC機，通過與串口相連接的GPRS通信模塊與各實驗通信，實時監(jiān)控各個實驗室的信息。如有警情出現(xiàn)提示值班人員前去維護。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計分為實驗室數(shù)據(jù)采集下位機軟件設計和監(jiān)控中心上位機軟件設計兩部分。其中，上位機軟件采用VB語言編寫，主要是實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的收發(fā)。但是數(shù)據(jù)格式必須與下位機的GPRS數(shù)據(jù)格式一致。

下位機系統(tǒng)軟件設計時，采用模塊化設計。根據(jù)系統(tǒng)不同的功能模塊，設計相應的子程序。具體講可分為主程序和GPRS通信、聲光報警、按鍵控制、數(shù)據(jù)存儲和LCD顯示等多個子程序組成。程序流程圖如圖4所示。主程序包括設備的初始化、數(shù)據(jù)的采集、信息處理和警情的判斷。其他功能性子程序在應用時直接調(diào)用即可。

圖4 煙霧傳感器信號處理電路圖

如有警情信息除了啟動聲光報警外，還需通過GPRS通信模塊相關警情發(fā)送至監(jiān)控中心。下位機與上位機之間利用MC55模塊通過GPRS網(wǎng)絡進行通信。GPRS網(wǎng)絡是以現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡為基礎增加GPRS網(wǎng)關支持節(jié)點（GGSN）和GPRS服務支持節(jié)點（SGSN）來實現(xiàn)的。系統(tǒng)中采用的GPRS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 GPRS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

主控芯片LPC2148將警情信息通過RS-232C串行口送至GPRS通信模塊，GPRS通信模塊通過內(nèi)部嵌入的TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)信息封裝成GPRS數(shù)據(jù)包的形式，并將封裝好的數(shù)據(jù)包發(fā)送至SGSN，然后SGSN與GGSN進行通信，GGSN將數(shù)據(jù)進行處理后，經(jīng)由SGSN發(fā)送至監(jiān)控中心的GPRS通信模塊。

系統(tǒng)還可設置不同的防范狀態(tài)。依據(jù)高校的特點，可將安防模式設為工作模式和假期模式，在這兩種模式下安防等級相同，報警方式不同。工作模式下警情信息主要交由實驗室管理員處理；假期模式下，警情信息由學校安保處值班人員處理。這樣高?？筛鶕?jù)具體時間靈活設置。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)利用GPRS無線網(wǎng)絡實現(xiàn)對分散實驗室的集中監(jiān)控，實現(xiàn)了高校實驗室集成化、智能化、網(wǎng)絡化監(jiān)控，節(jié)約人力資源，提高了高校實驗室安全運轉(zhuǎn)的可靠性。近年來，無線網(wǎng)絡的校園覆蓋率正逐年增長，使系統(tǒng)無需重新組網(wǎng)，而且由于采用無線模式，使系統(tǒng)的應用更加靈活、廣泛。

［1］蔣耘晨.基于校園網(wǎng)和ZigBee技術的實驗室監(jiān)控管理系統(tǒng)實驗技術與管理[J].2010,27（7）：104-106.

［2］林建平，吳必瑞.實驗室安防系統(tǒng)的設計[J].洛陽師范學院學報，2009,28（5）：56-57.

［3］周立功，張華.深入淺出 ARM7－LPC213x/214x：上冊[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

［4］肖戊辰，邢琰，何川，姚鳳一，徐遠超.基于ZigBee和GPRS的智能家居報警系統(tǒng)[J].首都師范大學學報，2009，10：58－61.

［5］何明星.基于ZigBee和GPRS技術的無線傳感網(wǎng)絡網(wǎng)關的設計[J].工礦自動化，2009，8：106-108.