吳健輝, 袁 科, 譚夢(mèng)霞

(湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院, 湖南 岳陽 414006)

基于MSP430單片機(jī)的多傳感器家居安全告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳健輝, 袁 科, 譚夢(mèng)霞

(湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院, 湖南 岳陽 414006)

設(shè)計(jì)了一個(gè)以MSP430單片機(jī)為核心的多傳感器現(xiàn)代居家安全告警系統(tǒng). 以MSP430G2553 單片機(jī)為控制核心, 采用多傳感器集成的模塊化方式進(jìn)行設(shè)計(jì), 系統(tǒng)主要包括電源控制模塊、信號(hào)處理模塊、傳感器模塊、鍵盤控制模塊、液晶顯示模塊及告警輸出六個(gè)模塊. 傳感器模塊采用可擴(kuò)展設(shè)計(jì)模式, 告警輸出采用分級(jí)設(shè)計(jì)模式, 方便不同用戶的需求.同時(shí)強(qiáng)化了系統(tǒng)自身安全的監(jiān)控, 雙供電模式、自身震動(dòng)監(jiān)控、告警模塊防爆設(shè)計(jì)、緊急告警模式等能有效的保證系統(tǒng)安全并在第一時(shí)間內(nèi)發(fā)出告警信息. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)具備良好的穩(wěn)定性和可靠性, 達(dá)到實(shí)際使用要求.

單片機(jī); 多傳感器; 家居安全; 告警

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人們生活水平的日益提高, 城市家居中的各種新特點(diǎn)越來越明顯, 如人們節(jié)假日出游及平時(shí)工作日通常三口之家大人上班小孩上學(xué)導(dǎo)致的“空巢”, 以及為了提高生活便利性而廣泛應(yīng)用于大部分家庭的液化石油氣、管道煤氣、天然氣, 各種各樣的家用電器等. 人們?cè)谙硎墁F(xiàn)代化的舒適生活和各類設(shè)施所帶來便利的同時(shí), 各類安全隱患也隨之增加. 近年來, 因家用燃?xì)庑孤┒l(fā)的各類慘劇在新聞報(bào)道中時(shí)有所聞; 各類電器引發(fā)的火災(zāi)也不少見; 各類極端天氣如冰凍導(dǎo)致的室內(nèi)水管爆裂等. 如果災(zāi)難發(fā)生時(shí)正好不在家, 則不但會(huì)讓自己損失慘重, 有時(shí)還殃及鄰居. 同時(shí), 經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展伴隨著城市流動(dòng)人口的急劇增加, 給城市的社會(huì)治安也帶來了新的難題, 盜竊、入室搶劫等刑事案件近年來呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢(shì).

綜上所述, 人們?cè)絹碓娇释幸粋€(gè)安全舒適的生活空間, 無論在不在家, 都希望有一雙智慧的“眼睛”監(jiān)管著自己溫馨的家. 但在目前, 大部分的家庭在防止非法入侵方面的主要防盜措施僅限于傳統(tǒng)的防盜門窗等被動(dòng)家居防衛(wèi)設(shè)備, 犯罪分子一旦突破這道防線, 人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全將受到巨大的威脅. 而家庭火警、燃?xì)庑孤?、水管爆裂等則幾乎全部寄托于產(chǎn)品的質(zhì)量和自己平時(shí)的生活常識(shí), 但是質(zhì)量監(jiān)管再好的產(chǎn)品也有可能出現(xiàn)極少量“漏網(wǎng)之魚”, 另外, 智者千慮, 必有一失, 再細(xì)致的生活習(xí)慣也有可能出現(xiàn)粗心的情況, 如果剛好碰巧, 則有可能帶來巨大的災(zāi)難. 因此人們也越來越希望有各種安全產(chǎn)品來防患于未然. 通過市場調(diào)查, 目前單一功能的部分通用報(bào)警儀器已經(jīng)存在, 如天然氣泄漏報(bào)警器[1], 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)[2], 室內(nèi)超聲波運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)[3], 室內(nèi)紅外人體探測(cè)[4], 水流量探測(cè)[5]等, 但這些設(shè)備功能單一, 且因?yàn)椴皇轻槍?duì)居家安全有針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)計(jì), 所以穩(wěn)定性和可靠性不高, 不適合一般家庭安全告警要求. 因而有必要針對(duì)家居特點(diǎn)研究一種符合普通家庭需求的操作簡單, 系統(tǒng)工作穩(wěn)定, 能實(shí)時(shí)檢測(cè)出各種可能的安全隱患并采取應(yīng)對(duì)措施的綜合安全告警系統(tǒng), 以便最大限度的保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全.

本文在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上, 研究并設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的多功能家居安全告警綜合系統(tǒng), 系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為信號(hào)處理核心[6～8], 多傳感器綜合集成各種信號(hào)采集, 信號(hào)處理后的結(jié)果經(jīng)過分級(jí)后觸發(fā)不同的警告等級(jí). 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì), 各個(gè)功能模塊可根據(jù)用戶要求進(jìn)行自由組合, 最大限度的滿足不同用戶的安全需求. 系統(tǒng)最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 本系統(tǒng)具備很高的穩(wěn)定性和魯棒性, 對(duì)誤報(bào)率、漏報(bào)率和虛警率進(jìn)行了綜合優(yōu)化, 性能指標(biāo)達(dá)到實(shí)際使用需求, 能有效的實(shí)現(xiàn)家居安全告警.

1 功能需求分析

由于不同的家庭用戶對(duì)安全的需求不同, 所以本系統(tǒng)采用分立式模塊化方案進(jìn)行設(shè)計(jì). 在功能需求上, 家居安全常用的檢測(cè)內(nèi)容有天然氣泄漏、火災(zāi)、非法入侵、水管爆裂等, 告警根據(jù)需要可以分為本地、遠(yuǎn)程和公安聯(lián)網(wǎng)三個(gè)等級(jí). 為了方便用戶進(jìn)行功能選擇, 系統(tǒng)各個(gè)模塊可進(jìn)行自由組合, 并由用戶進(jìn)行功能自主設(shè)定. 基于此, 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則為:

(1) 以MSP430G2553單片機(jī)為核心的多路數(shù)據(jù)處理系統(tǒng), 采用模塊化可擴(kuò)展方式解決不同用戶對(duì)產(chǎn)品的不同需求;

(2) 應(yīng)用同一標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)多個(gè)傳感器模塊, 解決系統(tǒng)功能的可擴(kuò)展性問題;

(3) 系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)根據(jù)實(shí)際需求分級(jí)進(jìn)行監(jiān)控觸發(fā). 首先是系統(tǒng)全部監(jiān)控功能觸發(fā), 通過兩種方法進(jìn)行: 第一種是通過裝在門鎖上的微動(dòng)開關(guān), 當(dāng)用戶反鎖房門時(shí)默認(rèn)觸發(fā)進(jìn)入全部監(jiān)控模式; 第二種是手動(dòng)按鈕, 用戶按動(dòng)即進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài). 其次是除非法入侵檢測(cè)外的煙霧檢測(cè)、燃?xì)庑孤z測(cè)及水管爆裂檢測(cè), 在系統(tǒng)加電后即進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài).

(4) 告警等級(jí)功能通過系統(tǒng)算法的優(yōu)化決策和用戶自主設(shè)定完成, 綜合滿足僅本地、僅遠(yuǎn)程及本地+遠(yuǎn)程、本地+遠(yuǎn)程+聯(lián)網(wǎng)等分級(jí)多方式告警, 滿足不同用戶的安全等級(jí)需求.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以 MSP430G2553 單片機(jī)為控制核心, 采用多傳感器集成的模塊化方式進(jìn)行設(shè)計(jì), 系統(tǒng)主要包括五個(gè)模塊: MSP430G2553信號(hào)處理系統(tǒng)、傳感器模塊、鍵盤控制模塊、液晶顯示模塊及告警輸出模塊. 組成框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1 MSP430G2553單片機(jī)模塊

MSP430G2553單片機(jī)是MSP430系列中的一種16位超低功耗單片機(jī), 在一個(gè)芯片上集成了多個(gè)不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器單元. 該單片機(jī)采用精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu), 具有豐富的尋址方式、簡潔的內(nèi)核指令、大量的模擬指令和寄存器, 片內(nèi)集成了豐富的資源, 如看門狗、模擬比較器A、定時(shí)器A0、定時(shí)器A1、定時(shí)器B0、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位/12位ADC、16位Σ-Δ ADC、DMA、I/O端口、基本定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和USB, 控制器等. 采用MSP430G2553單片機(jī)為核心, 可以采用很少的片外元器件構(gòu)成一個(gè)精簡的信號(hào)處理系統(tǒng). 為了提高研發(fā)效率, 目前有很多MSP430最小核心系統(tǒng), 然后根據(jù)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的需求完善外圍電路, 可以高效的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)研發(fā). 本文采用德州儀器(TI)的MSP-EXP430G2 LaunchPad最小系統(tǒng)為核心進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì), 采用的單片機(jī)為 MSP430G2553, 排插式擴(kuò)展接口, 電路布局如圖2所示. 實(shí)際使用時(shí)以該小板作為核心板直接固定在系統(tǒng)主板上, 系統(tǒng)主板為核心板提供電源、各類輸入輸出信號(hào)接口等外圍設(shè)備.

圖2 單片機(jī)核心電路板

2.2 傳感器接口模塊

本模塊采用分體模式收集各個(gè)傳感器獲取的信號(hào),各個(gè)傳感器安裝到室內(nèi)各個(gè)相應(yīng)的位置, 然后通過電纜將信號(hào)連接到本模塊. 對(duì)于數(shù)字式傳感器, 將獲取的信號(hào)直接送到信號(hào)編碼器, 然后送入單片機(jī)進(jìn)行處理;而對(duì)于模擬傳感器, 則首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大, 然后再進(jìn)行 A/D變換成數(shù)字信號(hào)后送入編碼器進(jìn)行編碼, 最后通過排插接入到單片機(jī)核心系統(tǒng). 傳感器模塊中各個(gè)傳感器的接口采用通用接口方式, 方便接入各種不同類型的傳感器. 傳感器接口模塊方框圖如圖3所示.

本系統(tǒng)暫時(shí)選用四種傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)四類安全問題進(jìn)行告警: (1)HC-SR501熱釋電傳感器用于檢測(cè)室內(nèi)非法入侵; (2)MQ-2氣體傳感器用于檢測(cè)是否存在燃?xì)庑孤┖褪覂?nèi)煙霧(火災(zāi))探測(cè); (3)FM01水流量傳感器裝在進(jìn)戶的主水管上, 用于檢測(cè)某連續(xù)時(shí)間內(nèi)的水流量. 各傳感器的功能概述如下.

(1) HC-SR501熱釋電傳感器

該傳感器是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊, 采用 LHI778 探頭設(shè)計(jì), 靈敏度高, 可靠性強(qiáng), 超低電壓工作模式, 當(dāng)人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平, 人離開感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平, 輸出低電平.同時(shí)具備感應(yīng)封鎖時(shí)間功能, 即當(dāng)感應(yīng)模塊在每一次感應(yīng)輸出后(高電平變成低電平), 可以緊跟著設(shè)置一個(gè)封鎖時(shí)間段, 在此時(shí)間段內(nèi)感應(yīng)器不接受任何感應(yīng)信號(hào). 該傳感器自帶處理電路, 為數(shù)字式傳感器, 可以直接送入編碼電路進(jìn)行編碼. 傳感器形狀如圖4(a)所示.

(2) MQ-2氣體檢測(cè)器

MQ-2氣體檢測(cè)器為電阻式半導(dǎo)體傳感器, 廣泛應(yīng)用于可燃?xì)怏w探測(cè)及各種煙霧探測(cè), 具有TTL和模擬兩種信號(hào)輸出方式. TTL輸出為雙路TTL電平, 低電平有效, 可以直接接入單片機(jī)進(jìn)行處理, 模擬量輸出則為0～5V電壓輸出, 濃度越高電壓越高. 實(shí)驗(yàn)表明, MQ-2傳感器對(duì)燃?xì)忭憫?yīng)良好, 為了能線性的體現(xiàn)出燃?xì)庑孤┏潭? 在作為燃?xì)庑孤z測(cè)時(shí)該傳感器采用模擬輸出, 然后經(jīng)過數(shù)字化之后再送入編碼電路編碼. 而作為煙霧探測(cè)器時(shí), 如果只需要檢測(cè)煙霧的有無, 則直接TTL電平輸出, 如果需要體現(xiàn)煙霧濃度,則也可以先采用模擬電壓線性輸出, 然后再數(shù)字化. 本文為了方便顯示濃度, 因此該傳感器都采用直接模擬輸出后再數(shù)字化方法. 傳感器如圖4(b)所示.

(3) FM01水流量傳感器

圖3 傳感器可擴(kuò)展接口模塊框圖

FM01水流量傳感器是由水閥體、葉輪組件和霍爾傳感器組成, 用于水流量監(jiān)控. 當(dāng)水通過水流量傳感器時(shí), 霍爾傳感器輸出一個(gè)其頻率隨水流量變化而變化的脈沖信號(hào), 輸出脈沖和水流的關(guān)系為: 脈沖頻率 =, 水流量 Q越大, 傳感器輸出頻率越高. 通過對(duì)輸出頻率進(jìn)行計(jì)數(shù), 以及相應(yīng)的單片機(jī)算法進(jìn)行決策, 可以對(duì)室內(nèi)水管爆裂進(jìn)行監(jiān)控. 水流量傳感器如圖4(c)所示.

2.3 鍵盤及控制模塊

鍵盤用于進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置和參數(shù)初始化, 采用4×4的矩陣鍵盤, 用于輸入0～9十個(gè)數(shù)字以及相關(guān)的功能控制. 鍵盤采用HD7279進(jìn)行控制, HD7279是一片具有串行接口的, 可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管或64只獨(dú)立LED的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片, 該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣, 單片即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能. 鍵盤模塊示意圖如圖 4(d)所示, 采用排線的方式接入到系統(tǒng)功能主板. 其功能鍵定義為電源鍵、鍵盤和液晶背景光控制鍵、報(bào)警音量控制鍵、確定鍵、上下選擇鍵以及0～9數(shù)字輸入鍵.

圖4 系統(tǒng)使用的傳感器及鍵盤

2.4 液晶顯示模塊:

系統(tǒng)采用12864液晶作為顯示模塊, 該液晶模塊是一種自帶字庫的圖形點(diǎn)陣液晶顯示器, 它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及128×64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成, 可完成圖形顯示, 也可以顯示8×4個(gè)(16×16點(diǎn)陣)漢字, 滿足本系統(tǒng)的全部要求. 液晶與外部 CPU接口可采用串行或并行方式控制, 本系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信采用串行模式, 即給 PSB腳接低電位, 使模塊進(jìn)入串口工作模式. 從一個(gè)完整的串口傳輸流程來看, 一開始先傳輸起始字節(jié), 它需先接收到五個(gè)連續(xù)的“1”(同步位字符串), 再發(fā)送起始字節(jié), 此時(shí)傳輸計(jì)數(shù)將被重置并且串行傳輸將被同步, 再跟隨的兩個(gè)位字符串分別指定傳輸方向位(RW)及寄存器選擇位(RS), 最后第八位則為“0”. 在接收到同步位及RW和RS資料的啟始字節(jié)后, 每一個(gè)八位的指令將被分為兩個(gè)字節(jié)接收到: 較高4位(DB7～DB4)的指令資料將會(huì)被放在第一個(gè)字節(jié)的 LSB部分, 而較低 4位(DB3～DB0)的指令資料則會(huì)被放在第二個(gè)字節(jié)的LSB部分, 至于相關(guān)的另四位則都為0. 液晶模塊外觀示意圖如圖5所示.

圖5 液晶顯示模塊

2.5 告警模塊

當(dāng)檢測(cè)到潛在的威脅時(shí), 本系統(tǒng)將采用三級(jí)告警方式進(jìn)行告警, 第一級(jí)為本地聲光報(bào)警, 第二級(jí)為GPRS遠(yuǎn)程短信告警, 第三級(jí)為電話聯(lián)網(wǎng)告警. 這三級(jí)告警模式采用如下方法進(jìn)行決策. 首先, 當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到傳感器傳過來的信號(hào)并確定有威脅存在時(shí), 將立即啟動(dòng)本地聲光持續(xù)報(bào)警; 當(dāng)報(bào)警持續(xù)10秒(這個(gè)時(shí)間用戶可根據(jù)需要設(shè)定)未得到處理后, 將在持續(xù)并加大聲音報(bào)警的同時(shí)啟動(dòng)第二級(jí)告警, 通過 GPRS模塊和預(yù)設(shè)短信給設(shè)定手機(jī)號(hào)發(fā)送危險(xiǎn)警告短信, 并根據(jù)用戶設(shè)置時(shí)間延時(shí)或者同步(0延時(shí))啟動(dòng)第三級(jí)電話聯(lián)網(wǎng)報(bào)警. 報(bào)警電話由用戶預(yù)設(shè), 可以是保安室, 甚至是本地110, 通話內(nèi)容為預(yù)錄語音(錄音電話功能),可采用專用錄音控制芯片(BLR3808)外加SPI接口的NOR FLASH, 可以獲得從30秒至32分鐘的錄音容量, 且錄音信息掉電后不會(huì)丟失, 音質(zhì)好, 可靠性和抗干擾性能強(qiáng).

告警模塊同時(shí)具有自我監(jiān)控和保護(hù)功能, 由系統(tǒng)電源模塊直接供電(包括外接電源和電池兩種方式).報(bào)警功能一旦激活, 報(bào)警模塊即進(jìn)入自我監(jiān)控模式. 當(dāng)外接電源掉電時(shí), 充電電池會(huì)自動(dòng)接入供電, 同時(shí)啟動(dòng)本地聲光報(bào)警和GPRS聯(lián)網(wǎng)警告通知用戶系統(tǒng)掉電. 當(dāng)系統(tǒng)受到暴力破壞時(shí), 告警模塊通過自身震動(dòng)傳感器獲取信息, 會(huì)立即啟動(dòng)GPRS緊急告警并發(fā)送特急警告信息, 同時(shí)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)撥號(hào), 在受到暴力破壞前保證緊急信息發(fā)送成功. 在鍵盤任意三個(gè)或以上按鍵同時(shí)被按下時(shí), 則系統(tǒng)默認(rèn)出現(xiàn)意外情況, 直接啟動(dòng)緊急告警功能.

告警信號(hào)解除通過輸入系統(tǒng)密碼或長按某個(gè)預(yù)設(shè)的功能鍵執(zhí)行. 為了提高安全等級(jí),一般不建議設(shè)置直接長按按鍵取消報(bào)警.

告警模塊功能示意圖如圖 6所示, 其中GPRS遠(yuǎn)程告警模塊直接采用外接GPRS模塊,通過插入數(shù)字 SIM 卡直接接入數(shù)字蜂窩網(wǎng),以手機(jī)短信形式將告警信息發(fā)送到預(yù)置手機(jī)上.

圖6 告警模塊框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

系統(tǒng)上電后自動(dòng)進(jìn)入初始化狀態(tài), 提醒用戶輸入相關(guān)初始化信息, 或者選擇默認(rèn)信息, 這些初始化信息包括: 系統(tǒng)密碼設(shè)定、傳感器初始化信息、告警信息、告警解除、待機(jī)畫面設(shè)置和時(shí)間日期設(shè)定等. 當(dāng)完成初始化并退出設(shè)置狀態(tài)后, 系統(tǒng)除入侵檢測(cè)功能外立即進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài), 入侵檢測(cè)需要用戶反鎖房門或者手動(dòng)啟動(dòng)才進(jìn)入監(jiān)控. 當(dāng)警報(bào)響起后, 用戶在確定威脅排除后可輸入預(yù)設(shè)密碼或者長按某預(yù)設(shè)按鍵解除報(bào)警.

系統(tǒng)初始化后所有信息都將固化保存, 掉電后再上電會(huì)自動(dòng)調(diào)用各類信息并進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài). 系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示, 其執(zhí)行流程如下: 系統(tǒng)上電后輸入系統(tǒng)密碼, 密碼默認(rèn)為123456. 如果首次使用系統(tǒng)未初始化則強(qiáng)迫轉(zhuǎn)入執(zhí)行初始化子程序; 如果已經(jīng)初始化則對(duì)話框詢問是否執(zhí)行初始化; 如果選擇是則轉(zhuǎn)入初始化子程序進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目的重新設(shè)置, 設(shè)置完后重新輸入密碼進(jìn)入下一步的判定; 如果選擇否則直接進(jìn)入下一步, 即系統(tǒng)功能激活觸發(fā)判定. 在激活判定中, 如果檢測(cè)到門反鎖信號(hào)或者手動(dòng)觸發(fā)激活信號(hào), 則分別執(zhí)行非法入侵判定子程序、燃?xì)庑孤┡卸ㄗ映绦颉熿F判定子程序和水管爆裂判定子程序,并進(jìn)行循環(huán)檢測(cè); 若未檢測(cè)到反鎖信號(hào)和手動(dòng)系統(tǒng)觸發(fā)信號(hào), 則不進(jìn)行非法入侵判定, 只進(jìn)行燃?xì)?、煙霧和水管三個(gè)信號(hào)的檢測(cè)和處理, 并進(jìn)行循環(huán)檢測(cè).

圖7 系統(tǒng)主程序流程圖

圖8 初始化子程序流程圖

3.2 各子程序流程

(1) 初始化子程序

初始化主要對(duì)開機(jī)歡迎界面、時(shí)間、日期、密碼、以及各個(gè)功能界面進(jìn)行初始化設(shè)定, 其流程圖如圖8所示. 首先進(jìn)行歡迎界面的設(shè)定, 程序已經(jīng)預(yù)置若干個(gè)歡迎界面, 用戶選擇一個(gè)即可; 然后轉(zhuǎn)入時(shí)間和日期設(shè)定, 數(shù)字可以直接從鍵盤上輸入; 再判斷是否修改密碼, 系統(tǒng)默認(rèn)密碼為123456, 修改后則用新密碼替換掉原密碼; 最后對(duì)預(yù)置的GPRS告警信息、輸出錄音、單鍵解除報(bào)警以及液晶屏待機(jī)界面進(jìn)行選擇, 最后保存退出再進(jìn)入主程序執(zhí)行.

(2) 功能檢測(cè)子程序

非法入侵: 當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)非法入侵檢測(cè)時(shí), 持續(xù)對(duì)熱釋電傳感器輸入的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控; 當(dāng)輸入為低電平時(shí), 表示傳感器沒有檢測(cè)到入侵對(duì)象.只有當(dāng)傳感器輸入信號(hào)持續(xù)高電平 10秒以上時(shí),單片機(jī)才輸出入侵警告信號(hào)給告警模塊, 并激發(fā)告警模塊進(jìn)行本地聲光報(bào)警; 當(dāng)高電平持續(xù)超過30秒時(shí), 輸出高電平鎖定, 持續(xù)并提高報(bào)警音量,同時(shí)啟動(dòng) GPRS遠(yuǎn)程短信告警, 即給預(yù)置的手機(jī)發(fā)送預(yù)置短信, 并準(zhǔn)備開始進(jìn)行自動(dòng)預(yù)置電話撥號(hào). 入侵檢測(cè)子程序流程圖如圖9所示.

其它功能子程序: 燃?xì)狻熿F和水管水流量檢測(cè)流程相同, 當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)傳感器信號(hào)輸入有效信號(hào)后, 向告警系統(tǒng)輸出對(duì)應(yīng)等級(jí)的觸發(fā)信號(hào), 告警模塊收到后啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的各級(jí)預(yù)警, 子程序流程圖略.

圖9 入侵檢測(cè)子程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各模塊布局圖如圖 10所示. 電源模塊對(duì)整機(jī)進(jìn)行供電, 采用市電接入和內(nèi)置充電電池雙模式供電.市電供電正常情況下, 充電電池充滿后進(jìn)入休眠狀態(tài), 由外接市電供電運(yùn)行; 當(dāng)外接電源停電或者意外斷電后, 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)備用電池供電; 當(dāng)供電恢復(fù)后再切換到外接電源并對(duì)電池進(jìn)行充電. 傳感器接口模塊與傳感器連接采用外接自鎖式插頭, 方便安裝和維護(hù). 告警模塊采用防爆加強(qiáng)封裝, 以便最大限度保證其安全.

圖10 系統(tǒng)的部分PCB板圖

根據(jù)實(shí)際情況對(duì)系統(tǒng)靈敏度進(jìn)行多次微調(diào)后, 最終采集了多組數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比, 系統(tǒng)的預(yù)警率(系統(tǒng)檢測(cè)到對(duì)應(yīng)的目標(biāo)報(bào)警率)和虛警率(系統(tǒng)為了保證預(yù)警率而適當(dāng)提高靈敏度導(dǎo)致的誤報(bào))如表1所示. 從實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)可知, 如果保證100%的預(yù)警率, 則會(huì)存在一定的虛警率; 如果降低虛警率, 則預(yù)警率也會(huì)存在一定降低. 通過多次對(duì)比分析后, 我們認(rèn)為第二組使用數(shù)據(jù)的參數(shù)設(shè)置能使系統(tǒng)的預(yù)警率和虛警率達(dá)到最佳狀態(tài). 系統(tǒng)在第二組參數(shù)設(shè)置模式下連續(xù)工作 10天, 運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定, 可靠性和穩(wěn)定性良好, 完全達(dá)到實(shí)際使用需求.

表1 系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文根據(jù)一般家庭的實(shí)際需求設(shè)計(jì)了一個(gè)多傳感器家居安全告警系統(tǒng), 通過設(shè)置多傳感器的模塊化組合以及多級(jí)告警模式, 符合不同用戶的不同要求, 對(duì)現(xiàn)代家居安全有著很好的實(shí)際效果. 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方式, 運(yùn)用現(xiàn)代電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想, 結(jié)構(gòu)緊湊, 保證工作穩(wěn)定可靠, 同時(shí)結(jié)合系統(tǒng)的功能要求, 采用MSP430G2553單片機(jī)作為系統(tǒng)主控芯片, 滿足高性價(jià)比、高效率開發(fā)和功能完備三位一體要求. 特別是告警模塊設(shè)計(jì)上充分考慮了現(xiàn)代家庭“空巢”率高的特點(diǎn), 遠(yuǎn)程告警和系統(tǒng)自我安全監(jiān)控能最大限度的保證家居安全. 通過多次實(shí)驗(yàn)精確微調(diào)各個(gè)報(bào)警功能的精度, 達(dá)到預(yù)警率和虛警率的最佳統(tǒng)一, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)的功能完備, 具有良好的工作穩(wěn)定性和可靠性, 達(dá)到實(shí)際使用要求, 在家居安防上具有一定的實(shí)際使用價(jià)值.

[1] 趙延明, 文家厚, 曾瓊斌, 等. 家用燃?xì)庑孤┲悄軋?bào)警系統(tǒng)研究[J]. 化工自動(dòng)化及儀表, 2014, 41(2): 222～225

[2] 劉 靜, 趙達(dá)望. 基于ZigBee技術(shù)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2007, (1): 37～40

[3] 肖金紅, 劉 智, 楊 陽, 等. 基于CDMA-TDOA的室內(nèi)超聲波定位系統(tǒng)[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2012, (2): 213～217

[4] 范晉祥, 楊建宇. 紅外成像探測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析[J]. 紅外與激光工程,2012,12: 3145～3153

[5] 鄧俊聰. 水流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇[J]. 中國水利, 2010, (13): 61～62

[6] 吳永圣, 黃廷磊, 涂麗芳, 等. 基于MSP430的便攜式心電圖采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 04: 300～304

[7] 楊 平, 王 威. MSP430系列超低功耗單片機(jī)及應(yīng)用[J]. 國外電子測(cè)量技術(shù), 2008,12: 48～50

[8] 陳 龍, 鄧先燦, 孫 麒. 基于MSP430單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2006, 20: 107～109

Design of a Multi Sensor Security Alarm System in Home Safe Based on MSP430 Chip

WU Jian-hui, YUAN Ke, TAN Meng-xia
(College of Information & Communication Engineering, Hunan Institute of Science & Technology, Yueyang, 414006, China)

A home safe surveillance system was designed based on the MSP430G2553 microcontroller and multi sensor. This system was designed with the multi modules method, and mainly includes a power control module, signal processing module, multi sensor module, keyboard control module, liquid crystal display module and an alarm output module. The sensor module using the extensible design mode, and the alarm output module using the hierarchical design mode, it is convenient for the needs of different users. According to the environment of the system's actual used, the system has a strong of its own security monitoring, such as dual power supply mode, the system vibration monitoring, the emergency alarm output, and the alarm module explosion-proof design mode. All of this can make the system security effectively, and make it send the alarm information in the first time. The experimental results show that the system has a good stability and reliability, achieve the requirement of actual use.

microcontroller; multi sensor; home safe; alarm

TP277; TH83

A

1672-5298(2014)04-0017-07

2014-09-06

湖南省教育廳青年項(xiàng)目基金(13B037); 湖南理工學(xué)院大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(校教通[201453號(hào))

吳健輝(1977? ), 男, 湖南新化人, 博士, 湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院副教授. 主要研究方向: 信號(hào)與信息處理, 模式識(shí)別