利用ARM的宿舍智能安防监测系统设计

    内容摘要：该设计是基于ARM Cortex—M3处理器内核LM3S1138为主控制器的宿舍智能防火防盗报警系统。该系统可以判断宿舍是否发生火情，检测人员进出及非法入室情况，监测不同贵重物品的移动情况。宿舍节点控制器接收信号实现声光提示和液晶显示，并通过无线通讯模块传送给监控机实现异地监控，一部监控机可以远程监控多个宿舍，有利于学生宿舍的安全管理。

    随着社会的不断发展和高校的扩招，校园的安全隐患层出不穷，特别是学生宿舍安全问题越来越受到各个高校的重视。为解决该问题，很多高校采用雇佣安全人员巡视的方案，但成本颇高且效果不佳。部分高校则采取安装宿舍监控摄像头的方法，虽然达到了一些效果，但引起了广大师生对自身隐私权受到侵犯的质疑。考虑以上因素，文中主要针对宿舍安防问题设计了一套智能化、人性化的宿舍智能安防监测系统。

    1 系统总体设计

    系统结构框图如图1所示。本系统主要通过宿舍内的节点控制器LM3S1138单片机采集人体红外检测模块、烟雾检测模块、贵重物品出入检测模块产生的数据信息，经过处理实现LED闪烁和语音警报功能，利用键盘输入密码可以解除警报。宿舍节点控制器与监控机利用无线通讯传送监控数据，实现异地监控及多个宿舍的网络控制。监控机可将数据信息储存在24C256芯片为核心的储存模块并记录近几天宿舍安防情况，通过显示模块显示。

    2 系统的硬件设计

    2.1 人体红外检测模块

    该模块可工作在两种模式：工作模式和省电模式。当有人进入探测区时，热释电传感器感应出信号，并向单片机发送高电平，在延时时间段内，如果有人在其感应范围活动，将一直输出高电平。当无人进入或人离开时，高电平变为低电平，此时系统进入省电模式。

    1)探测范围分析

    一般的红外检测电路自身接收灵敏度较低，检测距离在2 m左右，为了提高检测灵敏度以及频率响应速度，本设计在传感器上安装了一个菲涅尔透镜(与传感器相距1 cm)，可将探测范围增加到5 m左右，同时感应锥度可达100°左右。

    2)抗干扰性分析

    为增强系统的抗干扰性，使之对人体感应最为敏感，采用滤光片作为传感器的窗口。由于在自然界中，一切温度高于绝度零度的物体均能发出红外辐射，温度越高红外辐射的波长就越短。辐射最强的波长满足维恩定律：

    λmax·T=2 989(μm·K) (1)

    上式中，T=300 K为人体的热力学温度，λmax=9.64 μm为人体辐射的红外波长。可见，人体辐射的最强的波长正好在滤光片的响应波长7.5～14 mm的中心处，从而使热释电人体红外传感器只对人体有反应。

    2.2 烟雾检测模块

    将烟雾传感器放置在宿舍内，它会根据烟雾浓度及成分产生相应的模拟电信号，将此信号经过LM339比较器，若浓度小于阈值电压UT所对应浓度时，则输出低电平，若浓度大于阈值电压UT所对应浓度时，则输出的高电平，单片机分析此电平信号进行声光报警。

    通过多次测试获得阈值电压UT=1.5 V，利用电阻分压，如果R=100 kΩ，则根据下列公式：

    求得电阻R1的阻值为23.33 kΩ，可采用50 kΩ的电位器代替。

    2.3 贵重物品出入检测模块

    本模块采用无线收发编码解码芯片PT2262/2272组成功耗低、体积小、检测距离可调的无线检测装置，检测贵重物品的出入情况，使用时在每个贵重物品上配备一个低功耗的无线发射装置，在宿舍端的控制区安装一个无线接收装置，收发装置的地址都相同，但不同的贵重物品所发送的数据不同，以此来区分不同的贵重物品。

    根据实际情况，将接收装置的接收范围设定为3 m以内，当贵重物品放在宿舍内时，接收装置可收到相应的信号;当贵重物品被拿出宿舍时，接收装置无法收到信号，触发外部中断，单片机处理后进行声光报警，并通知主控端;当内部人员要将贵重物品拿出宿舍时，可以通过宿舍端进行登记，并告知主控端，当贵重物品被拿回时，接收装置会收到其无线信号，单片机即可判断该物品已被放回。

    2.4 语音提示模块

    为了使该系统实现更先进、更人性化的功能，该系统采用ZY1730语音芯片进行人声提示，使该系统的各种警报清楚明了，不仅该宿舍成员可以及时采取相应措施，也能够使路人理解并提供帮助。

    3 系统的软件设计

    本系统使用瑞典IAR System公司推出的IAR Embedded Workbench(IAR EW)嵌入式开发工具，借助它可以有效地开发并管理嵌入式应用项目，功能完善。采用主流单片机编程语言-C语言进行编程，实现各项功能。C语言功能丰富，代码清晰易读，易形成模块化，编译及调试效率高，大大缩短了开发周期，明显增加软件可读性，便于改进和扩充。

    软件部分采用模块化设计思路，不同模块对应不同的文件，各模块之间耦合度较小，容易修改与维护。整个程序分为主程序模块，检测模块，监视模块3个模块。监视模块分为4个模式：模式一为进出人提示，模式二为防盗提示模式，模式三为防火提示模式，模式四为贵重物品出入宿舍模式。监视模块分别对这4种模式进行语音提示、LED闪烁及监控机显示。宿舍节点主程序流程图和检测模块流程图如图3和图4所示。

    4 系统管理与上位机监控设计

    系统管理上采用了外部中断触发、消息触发和主从逻辑触发相结合的方式。无特殊事件发生时，各个节点传感器处于休眠状态。本系统采用RF24L01为主控的无线通讯模块，可以同时接收多路数据，其具有集成精度高，无需外部SAW滤波器，稳定性能高，数据不容易丢失，传输速度快，功耗低等特点。

    上位机监控通过工业组态软件实现每个楼层和宿舍的状态监控，如图5所示。每个楼层和宿舍的状态全部以指示灯的形式在上位机界面上显示，状态变化时指示灯闪烁。各个宿舍温度也可在上位机界面进行显示。

    5 结论

    该系统经过反复测试，反应灵敏，响应速度快，监视机显示的内容完整并且能够显示实时的温度，键盘操作界面简单易懂，兼具智能化和人性化的特点。实现了学生宿舍集成化、智能化的管理，给高校学生人身以及财物安全带来了保障。

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