51單片機(jī)對宿舍防火防盜智能報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引言

現(xiàn)如今在學(xué)校的寢室里，學(xué)生貴重物品被盜、由于學(xué)生過失而引起著火等事故時有發(fā)生，這些都是一直以來困擾著學(xué)生、學(xué)工以及學(xué)校保衛(wèi)處的“大問題”。傳統(tǒng)的防范措施存在很大的弊端，比如當(dāng)事故發(fā)生時，防護(hù)鐵門、鐵欄桿就會成為主人逃生的最大障礙。而采用智能防火防盜報(bào)警系統(tǒng)，便能很好地解決此類問題了。但是市場上防火防盜系統(tǒng)價(jià)格對大學(xué)生來講過高，本系統(tǒng)便是針對大學(xué)宿舍，從低成本的角度來設(shè)計(jì)制作的。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

本系統(tǒng)通過一個監(jiān)控室和兩個宿舍來模擬，通過RS 485總線來實(shí)現(xiàn)通信。考慮到現(xiàn)實(shí)中監(jiān)控室要能監(jiān)控整棟宿舍樓，因此采用功能強(qiáng)大的ARM7芯片LPC2103作為主機(jī)控制芯片，從機(jī)采用價(jià)格低廉的51系列單片機(jī)作為控制芯片。宿舍中采用熱釋電傳感器對人體進(jìn)行檢測，煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)煙火檢測，紅外傳感器實(shí)現(xiàn)對宿舍進(jìn)出人員數(shù)量的檢測，主機(jī)通過RS 485總線對從機(jī)實(shí)時監(jiān)控，當(dāng)有異常出現(xiàn)時，宿舍和監(jiān)控室的報(bào)警裝置會同時響起，只有本宿舍成員在本宿舍通過輸入從機(jī)的密碼才可解除報(bào)警狀態(tài)。系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)及相關(guān)理論分析

防火防盜智能報(bào)警系統(tǒng)硬件主要由七大部分組成：主機(jī)部分處理器電路，從機(jī)部分處理器電路，傳感器檢測電路部分，聲光報(bào)警電路，RS 485總線接口電路，鍵盤接口電路及顯示電路。

2.1 傳感器檢測及聲光報(bào)警電路

傳感器模塊由熱釋電傳感器、煙霧傳感器MQ211和紅外傳感器組成。

煙霧傳感器的內(nèi)部電阻是隨著煙霧的濃度的變化而變化，因此要將其轉(zhuǎn)化為變化的電壓信號，在此通過電壓比較器LM339和幾個相應(yīng)的分壓電阻構(gòu)成，具體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。在通電狀態(tài)下測得傳感器的內(nèi)阻是130 kΩ左右，在煙霧較濃時內(nèi)阻為6 kΩ左右，在無煙時比較器的負(fù)端輸入為2.5 V左右，正端為1.2 V左右，有煙霧時負(fù)端為2.5 V，正端為3～5 V，此電路能很好地實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。熱釋電紅外傳感器采用RE200B和信號處理元件BISS0001及少量外接元件組成，電路如圖3所示。

紅外傳感器電路由紅外發(fā)射二極管及1838B組成，用單片機(jī)來檢測兩個傳感器低電平的先后順序來判斷人的進(jìn)出情況。其原理如圖4所示。聲光報(bào)警模塊由蜂鳴器、（紅，綠）發(fā)光二極管和NPN型三極管驅(qū)動電路組成，具體電路圖如圖5所示。

2.2 RS 485通信電路

本模塊采用用于RS 485與RS 422通信的低功耗、限擺率收發(fā)器MAX485。MAX485的驅(qū)動器擺率不受限制，可以實(shí)現(xiàn)最高2.5 Mb/s的傳輸速率。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件部分主要完成了系統(tǒng)及各個模塊初始化、警情信號檢測（火警/盜情）、系統(tǒng)設(shè)置、RS 485總線協(xié)議及聲光報(bào)警的程序設(shè)計(jì)。具體的程序流程圖如圖6，圖7所示。

4 通信協(xié)議

在RS 485總線通信系統(tǒng)中，由于供電、空間噪聲以及傳輸路徑等因素的影響，數(shù)據(jù)傳播過程中很容易受到干擾或者信號衰減，造成通信失敗，因而需要設(shè)計(jì)一種傳輸協(xié)議，保證在這種不可靠的物理鏈路上建立起可靠的數(shù)據(jù)連接。本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集器與監(jiān)控室主機(jī)是一個簡單的多點(diǎn)對一點(diǎn)通信。

4.1 波特率設(shè)置及通信方式的選擇

考慮到RS 485總線自身的特點(diǎn)并兼顧到數(shù)據(jù)通信的速度和穩(wěn)定性，波特率選擇2 400 b/s，這樣可以傳輸更遠(yuǎn)的距離。由于通信是多對一的關(guān)系，串口選擇工作方式3。

4.2 數(shù)據(jù)校驗(yàn)方式的確定

使用RS 485總線通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)時，很容易遇上干擾，使傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致傳輸錯誤?？紤]到系統(tǒng)的實(shí)際要求，本設(shè)計(jì)采用8位的CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）校驗(yàn)方式。

CRC校驗(yàn)和的計(jì)算是一種循環(huán)計(jì)算。從數(shù)學(xué)角度看，CRC校驗(yàn)和是用生成多項(xiàng)式（算法規(guī)則）去除一個多項(xiàng)式（由數(shù)據(jù)塊表示），CRC校驗(yàn)為相除后所得的余項(xiàng)。CRC校驗(yàn)是對要傳送的一個數(shù)據(jù)塊附加一些校驗(yàn)位，這些校驗(yàn)位（CRC校驗(yàn)位）由該數(shù)據(jù)塊算出，并隨同數(shù)據(jù)塊一并傳送。在接收端，對收到的數(shù)據(jù)塊重新按規(guī)定的算法計(jì)算CRC校驗(yàn)和，從而可以判別數(shù)據(jù)傳輸過程是否出錯。

4.3 通信數(shù)據(jù)的編碼

為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確性，本設(shè)計(jì)采用的數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。其中，前2個字節(jié)為起始同步信號，地址碼占用1個字節(jié)（0～255），用它來標(biāo)示不同床位號;待發(fā)數(shù)據(jù)包括：煙霧傳感器信號（1 B）、紅外傳感器信號（1 B）、熱釋電傳感器信號（1 B）和采集時間（7 B）;校驗(yàn)碼為8位的CRC校驗(yàn)碼。傳輸順序?yàn)椋簾熿F傳感器信號、紅外傳感器信號、熱釋電傳感器信號（高位在前，低位在后）、采集時間（依次為：秒、分、小時、日、月、年）;當(dāng)發(fā)送應(yīng)答命令時，待發(fā)數(shù)據(jù)為2 B的0xCC或者0xBB。

4.4 RS 485的通信協(xié)議

本系統(tǒng)的RS 485總線通信采用輪詢的方法。主機(jī)向RS 485總線上發(fā)送各個從機(jī)的地址，對各個從機(jī)依次詢問查看從機(jī)部分是否有警報(bào)。如果某從機(jī)有警報(bào)，就會通過RS 485總線發(fā)送指令報(bào)告給主機(jī)，然后主機(jī)和該從機(jī)通信，從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包，主機(jī)接受并解析該數(shù)據(jù)包，并作出相應(yīng)處理。主機(jī)會不斷的查詢各個從機(jī)的狀況，做到實(shí)時監(jiān)控。

5 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

本系統(tǒng)經(jīng)測試，傳感器性能穩(wěn)定，熱釋電傳感器檢測距離能達(dá)到5～8 m，煙霧傳感器能夠很好地實(shí)現(xiàn)防火功能;紅外傳感器很靈敏，可以有效地檢測出人員的進(jìn)出情況;RS 485總線能夠很好地實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)之間的通信，做到實(shí)時監(jiān)控。各個模塊能夠很好地鏈接在一起，有較高的穩(wěn)定性。經(jīng)過多次調(diào)試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。整體效果令人滿意。

6 結(jié)語

本文所述的宿舍智能化防火防盜報(bào)警系統(tǒng)為宿舍安防提供了一條可行途徑。該系統(tǒng)利用多傳感器檢測，通過RS 485總線自動實(shí)現(xiàn)對外求助，具有智能化、自動化特點(diǎn)，系統(tǒng)具有較為廣闊的應(yīng)用前景，對于日趨提高的安防要求，在系統(tǒng)今后的進(jìn)一步改進(jìn)中，可通過在探測器上加微處理器的方法，進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。對于大學(xué)生宿舍的安全建設(shè)具有重要意義。