基于A(yíng)RM Cortex—M3的宿舍智能安防監測系統設計

摘要：該設計是基于ARM Cortex—M3處理器內核為主控制器的宿舍智能防火防盜報警系統。該系統可以判斷宿舍是否發(fā)生火情，檢測人員進(jìn)出及非法入室情況，監測不同貴重物品的移動(dòng)情況。宿舍節點(diǎn)控制器接收信號實(shí)現聲光提示和液晶顯示，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊模塊傳送給監控機實(shí)現異地監控，一部監控機可以遠程監控多個(gè)宿舍，有利于學(xué)生宿舍的安全管理。

隨著(zhù)社會(huì )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(wèn)題越來(lái)越受到各個(gè)高校的重視。為解決該問(wèn)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受到侵犯的質(zhì)疑?？紤]以上因素，文中主要針對宿舍安防問(wèn)題設計了一套智能化、人性化的宿舍智能安防監測系統。

1 系統總體設計

系統結構框圖如圖1所示。本系統主要通過(guò)宿舍內的節點(diǎn)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)生的數據信息，經(jīng)過(guò)處理實(shí)現LED閃爍和語(yǔ)音警報功能，利用鍵盤(pán)輸入密碼可以解除警報。宿舍節點(diǎn)控制器與監控機利用無(wú)線(xiàn)通訊傳送監控數據，實(shí)現異地監控及多個(gè)宿舍的網(wǎng)絡(luò )控制。監控機可將數據信息儲存在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(guò)顯示模塊顯示。

2 系統的硬件設計

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(jìn)入探測區時(shí)，熱釋電傳感器感應出信號，并向單片機發(fā)送高電平，在延時(shí)時(shí)間段內，如果有人在其感應范圍活動(dòng)，將一直輸出高電平。當無(wú)人進(jìn)入或人離開(kāi)時(shí)，高電平變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)系統進(jìn)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速度，本設計在傳感器上安裝了一個(gè)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(shí)感應錐度可達100°左右。

2)抗干擾性分析

為增強系統的抗干擾性，使之對人體感應最為敏感，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(cháng)就越短。輻射最強的波長(cháng)滿(mǎn)足維恩定律：

λmax·T=2 989(μm·K) (1)

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(cháng)?？梢?jiàn)，人體輻射的最強的波長(cháng)正好在濾光片的響應波長(cháng)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。

2.2 煙霧檢測模塊

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

通過(guò)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(wú)線(xiàn)收發(fā)編碼解碼芯片PT2262/2272組成功耗低、體積小、檢測距離可調的無(wú)線(xiàn)檢測裝置，檢測貴重物品的出入情況，使用時(shí)在每個(gè)貴重物品上配備一個(gè)低功耗的無(wú)線(xiàn)發(fā)射裝置，在宿舍端的控制區安裝一個(gè)無(wú)線(xiàn)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)送的數據不同，以此來(lái)區分不同的貴重物品。

根據實(shí)際情況，將接收裝置的接收范圍設定為3 m以?xún)?，當貴重物品放在宿舍內時(shí)，接收裝置可收到相應的信號;當貴重物品被拿出宿舍時(shí)，接收裝置無(wú)法收到信號，觸發(fā)外部中斷，單片機處理后進(jìn)行聲光報警，并通知主控端;當內部人員要將貴重物品拿出宿舍時(shí)，可以通過(guò)宿舍端進(jìn)行登記，并告知主控端，當貴重物品被拿回時(shí)，接收裝置會(huì )收到其無(wú)線(xiàn)信號，單片機即可判斷該物品已被放回。

2.4 語(yǔ)音提示模塊

為了使該系統實(shí)現更先進(jìn)、更人性化的功能，該系統采用ZY1730語(yǔ)音芯片進(jìn)行人聲提示，使該系統的各種警報清楚明了，不僅該宿舍成員可以及時(shí)采取相應措施，也能夠使路人理解并提供幫助。

3 系統的軟件設計

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

軟件部分采用模塊化設計思路，不同模塊對應不同的文件，各模塊之間耦合度較小，容易修改與維護。整個(gè)程序分為主程序模塊，檢測模塊，監視模塊3個(gè)模塊。監視模塊分為4個(gè)模式：模式一為進(jìn)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。監視模塊分別對這4種模式進(jìn)行語(yǔ)音提示、LED閃爍及監控機顯示。宿舍節點(diǎn)主程序流程圖和檢測模塊流程圖如圖3和圖4所示。

4 系統管理與上位機監控設計

系統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)相結合的方式。無(wú)特殊事件發(fā)生時(shí)，各個(gè)節點(diǎn)傳感器處于休眠狀態(tài)。本系統采用RF24L01為主控的無(wú)線(xiàn)通訊模塊，可以同時(shí)接收多路數據，其具有集成精度高，無(wú)需外部SAW濾波器，穩定性能高，數據不容易丟失，傳輸速度快，功耗低等特點(diǎn)。

上位機監控通過(guò)工業(yè)組態(tài)軟件實(shí)現每個(gè)樓層和宿舍的狀態(tài)監控，如圖5所示。每個(gè)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(shí)指示燈閃爍。各個(gè)宿舍溫度也可在上位機界面進(jìn)行顯示。

5 結論

該系統經(jīng)過(guò)反復測試，反應靈敏，響應速度快，監視機顯示的內容完整并且能夠顯示實(shí)時(shí)的溫度，鍵盤(pán)操作界面簡(jiǎn)單易懂，兼具智能化和人性化的特點(diǎn)。實(shí)現了學(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(lái)了保障。