苗匯靜，李 超，王繼宗

（山東理工大學 電氣與電子工程學院，山東 淄博255049）

學生公寓面臨的安防問題引起高校的重視，尤其是失竊、失火是學校和家長最為關注的問題，為此設計了一個學生公寓安防系統(tǒng)。本系統(tǒng)以單片機作為控制核心，配合外圍電路進行檢測、顯示和報警，達到了防盜防火的目的，避免了火災和被盜事件的發(fā)生，保障了學生的人身安全和財產(chǎn)安全安[1]。

1 設計方案

圖1所示為單片機控制系統(tǒng)原理方框圖。

圖1 單片機控制系統(tǒng)原理方框圖Fig.1 Functional absorber diagram of security and defense system

每個公寓以單片機為控制核心，主要由煙霧檢測模塊、人體熱釋電檢測模塊、貴重物品檢測模塊、光電計數(shù)模塊、異地檢測模塊、聲光報警模塊、顯示模塊、鍵盤模塊和電源模塊等組成。整個系統(tǒng)用微機進行控制和操作，各學生公寓用單片機進行控制，用鍵盤操作，用LCD顯示相關信息。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 人體檢測電路

2.1.1 人體熱釋電檢測原理及方法

普通人體會發(fā)射10 μm左右的特定波長紅外線，用專門設計的傳感器就可以針對性的檢測這種紅外線的存在與否。當人體紅外線照射到傳感器上后，因熱釋電效應將向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生控制信號。這種專門設計的探頭只對波長為10 μm左右的紅外輻射敏感，所以除人體以外的其它物體不會引發(fā)探頭動作。探頭內包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元，而且制成的兩個電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應相互抵消，于是探測器無信號輸出。一旦人侵入探測區(qū)域內，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，于是輸出檢測信號[2]。

2.1.2 人體熱釋電檢測電路原理圖

如圖2所示，是人體檢測電路原理圖。

當有人靠近一定距離時，LHI778的輸出端S會產(chǎn)生一個較小的電壓信號，將這個電壓信號送入BISS0001信號處理電路，進行兩級放大、窗口電壓比較、雙向鑒幅后，輸出一個5 V的電壓信號，將此信號送入單片機，由單片機控制報警電路發(fā)出聲光報警[3]。

2.2 煙霧檢測電路

鑒于發(fā)生火災時伴隨產(chǎn)生的煙霧，在設計煙霧檢測報警電路時，使用MQ-2煙霧傳感器，設定煙霧濃度≥300 ppm時，發(fā)出報警信號，以使人們有所警備，及時采取措施，避免火災發(fā)生。如圖3所示，是煙霧檢測電路原理圖。

圖2 人體檢測電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of human detection circuit

圖3 煙霧檢測電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of smoke detection circuit

圖3中，MQ-2是煙霧傳感器，當起火有煙霧時，煙霧傳感器會輸出一個電壓信號。通過調節(jié)電位器的阻值，可以調節(jié)煙霧傳感器輸出電壓的大小，從而調節(jié)煙霧報警濃度數(shù)值。本設計將輸出電壓調到1 V。當起火有煙霧時，發(fā)出聲光報警信號[4]。

2.3 貴重物品檢測模塊

貴重物品檢測模塊功能是檢測公寓內貴重物品的進出情況。應用電磁感應原理，在貴重物品上貼上磁條，采用固定安裝檢測支架，利用檢測線圈探測貴重物品上的磁條，實現(xiàn)自動報警。貴重物品檢測模塊主要由發(fā)射電路、接收電路、信號處理電路和兩個電感線圈組成。

2.3.1 理論分析及實現(xiàn)

1）發(fā)射線圈內電流及其相關參數(shù)的計算

選矩形線圈，其中 Il為線圈內電流，N為線圈匝數(shù)，r為線圈線徑，a、b分別為矩形線圈的邊長，μ為磁導率，U為線圈的端電壓，C為輸出變壓器副邊電容。

根據(jù)分段法計算圓截面導線制成的矩形線圈電感，計算一匝線圈的電感為

2）發(fā)射線圈與接收線圈間磁場強度計算

將發(fā)射線圈與接收線圈正對，分別置于通道兩側。建立的磁場空間分布為

空間有一個點磁荷 Qm，距 r（x，y，z）處的磁感應強度，這里只需計算 Bz在接收線圈中的通量 φ（Bx，By的通量為 0），則 Bz和 φ 分別為

其中，S為接收線圈面積，可用高斯點面積分公式計算。設e為感應電壓，則

其中，a=-W/2，b=0， 及 a=0，b=W/2。 兩個差動線圈中的電壓相減是接收到的信號。通過試驗測試，接收線圈中的感應電壓值在幾十微伏至幾毫伏之間。

2.3.2 貴重物品檢測電路

貴重物品檢測模塊信號處理電路，采用兩級放大電路構成。第一級是小信號放大電路，采用自動校零型儀器放大器，放大增益為40 dB。第二級采用TLC2460集成運放，放大增益為20 dB。如圖4所示，是自動校零型儀器放大器電路原理圖。

圖4 自動校零型儀器放大器Fig.4 Automatic zero calibration instrument amplifier

在圖4中，IC1A是主放大器，IC1B是輔助放大器。IC1B配合IC1A完成自動校零功能[5]。當開關S1打在1，開關S2打在1時，完成自動校零；當開關S1打在3，開關S2打在3時，完成小信號放大。其電壓放大倍數(shù)為：Au=-R2/R1=-100倍（即40 dB），再由第二級放大，放大增益為20 dB。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，程序主要分為主控端程序與各監(jiān)控端程序。主控端程序，主要實現(xiàn)對監(jiān)測端傳來的信息的處理和保存，并及時反饋到監(jiān)控端，實現(xiàn)與下位機的通信。監(jiān)控端程序，主要對各傳感器監(jiān)測到的信號進行分析，并及時傳給主控端，實現(xiàn)與上位機的通信[6]。

隨著科學技術的日益發(fā)展，測量控制系統(tǒng)除了提供相應的測量控制功能外，還必須有好的人性化的界面向導，因此設計了友好的人機交互界面，采用多級層次菜單的設計方法，實時進行各個學生公寓的動態(tài)監(jiān)測，并及時的將各個公寓的信息進行存儲，實現(xiàn)了可以方便查詢監(jiān)測情況。當監(jiān)測到有異常情況時，發(fā)出聲光報警，具有輸入正確密碼方可解除報警的功能，提供管理員權限修改密碼。

圖5是主程序流程圖。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow diagram

4 試驗數(shù)據(jù)

表1是學生公寓安防系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)，包括煙霧測試、人體測試、貴重物品進出測試的試驗數(shù)據(jù)，以及異地監(jiān)控和監(jiān)控多個學生公寓的試驗數(shù)據(jù)。調節(jié)煙霧濃度電位器可改變煙霧報警濃度，人體檢測距離可根據(jù)需要設置，報警蜂鳴器的響度可根據(jù)需要選擇和設置。

表1 試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Test data

5 結 論

實現(xiàn)了學生公寓安防系統(tǒng)的設計改造，配合以后擴展的其他設計模塊，完成整個校園內部遠程安防控制以及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以構成完整的綜合安防系統(tǒng)。本設計為新一代高科技學生公寓的構建奠定了基礎。

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[6]TIAN Wen-Jie，GENG Yu.Environment monitoring system of household security robot based on wireless mesh network[C]//Proceedings International Conference on Networks Security， Wireless Communications and Trusted Computing，NSWCTC 2009， Wuhan， China:IEEE Computer Society Publishing House，2009：176－180.