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

摘要：該設(shè)計是基于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，有利于學生宿舍的安全管理。

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?？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。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。

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。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。輻射最強的波長滿足維恩定律：

λmax·T=2 989(μm·K) (1)

上式中，T=300 K為人體的熱力學溫度，λmax=9.64 μm為人體輻射的紅外波長。可見，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。

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。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。

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。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。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)經(jīng)過反復測試，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)了學生宿舍集成化、智能化的管理，給高校學生人身以及財物安全帶來了保障。