基于ARM Cortex—M3的宿舍智能安防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：該設(shè)計(jì)是基于ARM Cortex—M3處理器內(nèi)核為主控制器的宿舍智能防火防盜報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以判斷宿舍是否發(fā)生火情，檢測(cè)人員進(jìn)出及非法入室情況，監(jiān)測(cè)不同貴重物品的移動(dòng)情況。宿舍節(jié)點(diǎn)控制器接收信號(hào)實(shí)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(jī)實(shí)現(xiàn)異地監(jiān)控，一部監(jiān)控機(jī)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控多個(gè)宿舍，有利于學(xué)生宿舍的安全管理。

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和高校的擴(kuò)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(gè)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?cái)z像頭的方法，雖然達(dá)到了一些效果，但引起了廣大師生對(duì)自身隱私權(quán)受到侵犯的質(zhì)疑。考慮以上因素，文中主要針對(duì)宿舍安防問題設(shè)計(jì)了一套智能化、人性化的宿舍智能安防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(diǎn)控制器LM3S1138單片機(jī)采集人體紅外檢測(cè)模塊、煙霧檢測(cè)模塊、貴重物品出入檢測(cè)模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過處理實(shí)現(xiàn)LED閃爍和語音警報(bào)功能，利用鍵盤輸入密碼可以解除警報(bào)。宿舍節(jié)點(diǎn)控制器與監(jiān)控機(jī)利用無線通訊傳送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)異地監(jiān)控及多個(gè)宿舍的網(wǎng)絡(luò)控制。監(jiān)控機(jī)可將數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存在24C256芯片為核心的儲(chǔ)存模塊并記錄近幾天宿舍安防情況，通過顯示模塊顯示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 人體紅外檢測(cè)模塊

該模塊可工作在兩種模式：工作模式和省電模式。當(dāng)有人進(jìn)入探測(cè)區(qū)時(shí)，熱釋電傳感器感應(yīng)出信號(hào)，并向單片機(jī)發(fā)送高電平，在延時(shí)時(shí)間段內(nèi)，如果有人在其感應(yīng)范圍活動(dòng)，將一直輸出高電平。當(dāng)無人進(jìn)入或人離開時(shí)，高電平變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入省電模式。

1)探測(cè)范圍分析

一般的紅外檢測(cè)電路自身接收靈敏度較低，檢測(cè)距離在2 m左右，為了提高檢測(cè)靈敏度以及頻率響應(yīng)速度，本設(shè)計(jì)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(cè)范圍增加到5 m左右，同時(shí)感應(yīng)錐度可達(dá)100°左右。

2)抗干擾性分析

為增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性，使之對(duì)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。輻射最強(qiáng)的波長滿足維恩定律：

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?？梢?，人體輻射的最強(qiáng)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(duì)人體有反應(yīng)。

2.2 煙霧檢測(cè)模塊

將煙霧傳感器放置在宿舍內(nèi)，它會(huì)根據(jù)煙霧濃度及成分產(chǎn)生相應(yīng)的模擬電信號(hào)，將此信號(hào)經(jīng)過LM339比較器，若濃度小于閾值電壓UT所對(duì)應(yīng)濃度時(shí)，則輸出低電平，若濃度大于閾值電壓UT所對(duì)應(yīng)濃度時(shí)，則輸出的高電平，單片機(jī)分析此電平信號(hào)進(jìn)行聲光報(bào)警。

通過多次測(cè)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(cè)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(cè)距離可調(diào)的無線檢測(cè)裝置，檢測(cè)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)低功耗的無線發(fā)射裝置，在宿舍端的控制區(qū)安裝一個(gè)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。

根據(jù)實(shí)際情況，將接收裝置的接收范圍設(shè)定為3 m以內(nèi)，當(dāng)貴重物品放在宿舍內(nèi)時(shí)，接收裝置可收到相應(yīng)的信號(hào);當(dāng)貴重物品被拿出宿舍時(shí)，接收裝置無法收到信號(hào)，觸發(fā)外部中斷，單片機(jī)處理后進(jìn)行聲光報(bào)警，并通知主控端;當(dāng)內(nèi)部人員要將貴重物品拿出宿舍時(shí)，可以通過宿舍端進(jìn)行登記，并告知主控端，當(dāng)貴重物品被拿回時(shí)，接收裝置會(huì)收到其無線信號(hào)，單片機(jī)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(shí)現(xiàn)更先進(jìn)、更人性化的功能，該系統(tǒng)采用ZY1730語音芯片進(jìn)行人聲提示，使該系統(tǒng)的各種警報(bào)清楚明了，不僅該宿舍成員可以及時(shí)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(jì)

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(xiàng)目，功能完善。采用主流單片機(jī)編程語言-C語言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)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(jìn)和擴(kuò)充。

軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)思路，不同模塊對(duì)應(yīng)不同的文件，各模塊之間耦合度較小，容易修改與維護(hù)。整個(gè)程序分為主程序模塊，檢測(cè)模塊，監(jiān)視模塊3個(gè)模塊。監(jiān)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(jiān)視模塊分別對(duì)這4種模式進(jìn)行語音提示、LED閃爍及監(jiān)控機(jī)顯示。宿舍節(jié)點(diǎn)主程序流程圖和檢測(cè)模塊流程圖如圖3和圖4所示。

4 系統(tǒng)管理與上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)

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。無特殊事件發(fā)生時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)。

上位機(jī)監(jiān)控通過工業(yè)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)每個(gè)樓層和宿舍的狀態(tài)監(jiān)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(jī)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(jī)界面進(jìn)行顯示。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，反應(yīng)靈敏，響應(yīng)速度快，監(jiān)視機(jī)顯示的內(nèi)容完整并且能夠顯示實(shí)時(shí)的溫度，鍵盤操作界面簡(jiǎn)單易懂，兼具智能化和人性化的特點(diǎn)。實(shí)現(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(cái)物安全帶來了保障。