金余義，任陽暉，劉克申

（青島工學(xué)院 機電工程學(xué)院，山東 青島 266300）

基于ARM的宿舍智能安防監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

金余義，任陽暉，劉克申

（青島工學(xué)院 機電工程學(xué)院，山東 青島 266300）

該設(shè)計是基于ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核LM3S1138為主控制器的宿舍智能防火防盜報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以判斷宿舍是否發(fā)生火情，檢測人員進出及非法入室情況，監(jiān)測不同貴重物品的移動情況。宿舍節(jié)點控制器接收信號實現(xiàn)聲光提示和液晶顯示，并通過無線通訊模塊傳送給監(jiān)控機實現(xiàn)異地監(jiān)控，一部監(jiān)控機可以遠程監(jiān)控多個宿舍，有利于學(xué)生宿舍的安全管理。

ARM；智能安防；無線通信；安全管理

隨著社會的不斷發(fā)展和高校的擴招，校園的安全隱患層出不窮，特別是學(xué)生宿舍安全問題越來越受到各個高校的重視。為解決該問題，很多高校采用雇傭安全人員巡視的方案，但成本頗高且效果不佳。部分高校則采取安裝宿舍監(jiān)控攝像頭的方法，雖然達到了一些效果，但引起了廣大師生對自身隱私權(quán)受到侵犯的質(zhì)疑[1]?？紤]以上因素，文中主要針對宿舍安防問題設(shè)計了一套智能化、人性化的宿舍智能安防監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)主要通過宿舍內(nèi)的節(jié)點控制器LM3S1138單片機采集人體紅外檢測模塊、煙霧檢測模塊、貴重物品出入檢測模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過處理實現(xiàn)LED閃爍和語音警報功能，利用鍵盤輸入密碼可以解除警報。宿舍節(jié)點控制器與監(jiān)控機利用無線通訊傳送監(jiān)控數(shù)據(jù)，實現(xiàn)異地監(jiān)控及多個宿舍的網(wǎng)絡(luò)控制[2]。監(jiān)控機可將數(shù)據(jù)信息儲存在24C256芯片為核心的儲存模塊并記錄近幾天宿舍安防情況，通過顯示模塊顯示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig. 1 Diagram of the system as a whole

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 人體紅外檢測模塊

該模塊可工作在兩種模式：工作模式和省電模式。當有人進入探測區(qū)時，熱釋電傳感器感應(yīng)出信號，并向單片機發(fā)送高電平，在延時時間段內(nèi)，如果有人在其感應(yīng)范圍活動，將一直輸出高電平[3]。當無人進入或人離開時，高電平變?yōu)榈碗娖?，此時系統(tǒng)進入省電模式。

1）探測范圍分析

一般的紅外檢測電路自身接收靈敏度較低，檢測距離在2 m左右，為了提高檢測靈敏度以及頻率響應(yīng)速度，本設(shè)計在傳感器上安裝了一個菲涅爾透鏡（與傳感器相距1 cm），可將探測范圍增加到5 m左右，同時感應(yīng)錐度可達 100°左右。

2）抗干擾性分析

為增強系統(tǒng)的抗干擾性，使之對人體感應(yīng)最為敏感，采用濾光片作為傳感器的窗口。由于在自然界中，一切溫度高于絕度零度的物體均能發(fā)出紅外輻射，溫度越高紅外輻射的波長就越短[4]。輻射最強的波長滿足維恩定律：

上式中，T=300 K為人體的熱力學(xué)溫度，λmax=9.64 μm為人體輻射的紅外波長?？梢?，人體輻射的最強的波長正好在濾光片的響應(yīng)波長7.5～14 mm的中心處，從而使熱釋電人體紅外傳感器只對人體有反應(yīng)。

2.2 煙霧檢測模塊

將煙霧傳感器放置在宿舍內(nèi)，它會根據(jù)煙霧濃度及成分產(chǎn)生相應(yīng)的模擬電信號，將此信號經(jīng)過LM339比較器，若濃度小于閾值電壓UT所對應(yīng)濃度時，則輸出低電平，若濃度大于閾值電壓UT所對應(yīng)濃度時，則輸出的高電平，單片機分析此電平信號進行聲光報警。

通過多次測試獲得閾值電壓 UT=1.5 V，利用電阻分壓，如果R=100 kΩ, 則根據(jù)下列公式：

求得電阻R1的阻值為23.33 kΩ，可采用50 kΩ的電位器代替。

2.3 貴重物品出入檢測模塊

本模塊采用無線收發(fā)編碼解碼芯片PT2262/2272組成功耗低、體積小、檢測距離可調(diào)的無線檢測裝置，檢測貴重物品的出入情況，使用時在每個貴重物品上配備一個低功耗的無線發(fā)射裝置，在宿舍端的控制區(qū)安裝一個無線接收裝置，收發(fā)裝置的地址都相同，但不同的貴重物品所發(fā)送的數(shù)據(jù)不同，以此來區(qū)分不同的貴重物品。

圖2 室內(nèi)布局圖Fig. 2 Indoor layout diagram

根據(jù)實際情況，將接收裝置的接收范圍設(shè)定為3 m以內(nèi)，當貴重物品放在宿舍內(nèi)時，接收裝置可收到相應(yīng)的信號；當貴重物品被拿出宿舍時，接收裝置無法收到信號，觸發(fā)外部中斷，單片機處理后進行聲光報警，并通知主控端；當內(nèi)部人員要將貴重物品拿出宿舍時，可以通過宿舍端進行登記，并告知主控端，當貴重物品被拿回時，接收裝置會收到其無線信號，單片機即可判斷該物品已被放回。

2.4 語音提示模塊

為了使該系統(tǒng)實現(xiàn)更先進、更人性化的功能，該系統(tǒng)采用ZY1730語音芯片進行人聲提示，使該系統(tǒng)的各種警報清楚明了，不僅該宿舍成員可以及時采取相應(yīng)措施，也能夠使路人理解并提供幫助。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)使用瑞典IAR System公司推出的IAR Embedded Workbench（IAR EW）嵌入式開發(fā)工具，借助它可以有效地開發(fā)并管理嵌入式應(yīng)用項目，功能完善。采用主流單片機編程語言—C語言進行編程，實現(xiàn)各項功能。C語言功能豐富，代碼清晰易讀，易形成模塊化，編譯及調(diào)試效率高，大大縮短了開發(fā)周期，明顯增加軟件可讀性，便于改進和擴充。

軟件部分采用模塊化設(shè)計思路，不同模塊對應(yīng)不同的文件，各模塊之間耦合度較小，容易修改與維護[5]。整個程序分為主程序模塊，檢測模塊，監(jiān)視模塊3個模塊。監(jiān)視模塊分為4個模式：模式一為進出人提示，模式二為防盜提示模式，模式三為防火提示模式，模式四為貴重物品出入宿舍模式。監(jiān)視模塊分別對這4種模式進行語音提示、LED閃爍及監(jiān)控機顯示。宿舍節(jié)點主程序流程圖和檢測模塊流程圖如圖3和圖4所示。

圖3 宿舍節(jié)點主程序流程圖Fig. 3 Dormitory node of the main program flow chart

4 系統(tǒng)管理與上位機監(jiān)控設(shè)計

系統(tǒng)管理上采用了外部中斷觸發(fā)、消息觸發(fā)和主從邏輯觸發(fā)相結(jié)合的方式[6]。無特殊事件發(fā)生時，各個節(jié)點傳感器處于休眠狀態(tài)。本系統(tǒng)采用RF24L01為主控的無線通訊模塊，可以同時接收多路數(shù)據(jù)，其具有集成精度高，無需外部SAW濾波器，穩(wěn)定性能高，數(shù)據(jù)不容易丟失，傳輸速度快，功耗低等特點。

上位機監(jiān)控通過工業(yè)組態(tài)軟件實現(xiàn)每個樓層和宿舍的狀態(tài)監(jiān)控，如圖5所示。每個樓層和宿舍的狀態(tài)全部以指示燈的形式在上位機界面上顯示，狀態(tài)變化時指示燈閃爍。各個宿舍溫度也可在上位機界面進行顯示。

圖4 檢測模塊流程圖Fig. 4 Detection module flow chart

圖5 上位機監(jiān)控界面Fig. 5 PC monitoring interface

5 結(jié) 論

該系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)測試，反應(yīng)靈敏，響應(yīng)速度快，監(jiān)視機顯示的內(nèi)容完整并且能夠顯示實時的溫度，鍵盤操作界面簡單易懂，兼具智能化和人性化的特點。實現(xiàn)了學(xué)生宿舍集成化、智能化的管理，給高校學(xué)生人身以及財物安全帶來了保障。

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Design of dormitory ARM-based, intelligent protection alert,measurement and controlling system

JIN Yu-yi, REN Yang-hui, LIU Ke-shen
（Qingdao University of Technology, College of Mechanical and Electronic Engineering, Qingdao 266300, China）

This design is based on ARM Cortex-M3 the processor essence LM3S1138 primarily controller's dormitory.This system could judges the dormitory whether to have the fire situation, examine the situation of the personnel’s passing in and out and illegal enters to the inner rooms, and monitor different valuables turnover situation. The dormitory node controller receives the wireless signal and realizes the acousto-optic prompt and the liquid crystal display, and it can also transmits the information to the monitoring machine by the wireless communication module to realize different monitor, so a monitoring machine could monitor many dormitories in long-distance areas, safety management is advantageous to the students’dormitory.

ARM; fire and theft prevention; wireless communication; security management

TP23

A

1674-6236(2014)03-0161-03

2013–05–22 稿件編號：201305230

金余義(1983—)，男，浙江蒼南人，碩士研究生，講師，工程師。研究方向：嵌入式技術(shù)。