基于GPRS的实验室安防系统的设计

2011-06-16赵光辉

科技视界 2011年22期

赵光辉

（菏泽学院物理系山东菏泽 274015）

实验室是高校教学过程中的重要环节。近年来，随着高校规模的扩大，各高校实验室建设也得以长足进步。但是，由于实验室比较分散，给集中实现实验室的安全维护和管理带来较大困难。为解决这一问题，文中提出了一种基于GPRS的实验室监控系统。利用校园内已经建设好的GPRS无线网络，将各个实验室连接到一起，实现对实验室安全的集中监控与管理。

1 系统总体结构

系统总体结构框图如图1所示。系统由数据采集模块、主控模块和自动报警模块三部分组成。

图1 系统结构框图

主控模块由控制芯片、LCD液晶显示、按键控制和电源电路组成。主控模块主要控制协调系统的正常工作，控制芯片将各传感器的信息进行处理，并在LCD显示屏上显示出来；用户可通过按键查看实验室当前状态，可以进行手动布防和撤防操作。

信息采集模块由各类传感器及信号处理电路组成，主要功能是采集实验室的环境信息和安全信息。各传感器信号经信号处理电路处理后送主控模块。

自动报警模块由声光报警和GPRS模块组成，在接收到危害实验室的信息时，按照预先设定的警情处理模式，开启相应的报警方式。

2 系统硬件电路设计

2.1 主控模块硬件电路设计

主控模块主要由单片机最小系统、按键控制电路和LCD显示电路组成。

系统采用菲利普公司ARM微处理器LPC2148作为主控芯片。LPC2148芯片支持实时仿真、嵌入式跟踪的32/16位ARM7/TDMI-STM CPU的MCU，具有串行通信接口(从USB 2.0全速器件、多个 UART、SPI、SSP到 I2C总线)和8kB到40kB的片内SRAM，为通信网关提供巨大缓冲区空间和强大的处理功能；内部集成2个32位定时器、1个10位DAC、2个10位ADC、47个高速GPIO线、PWM通道及9个电平或边沿触发的外部中断口使它们特别适用于控制系统。

系统的按键控制电路和LCD显示电路主要实现实时数据的显示、历史告警信息查询和系统的安防设置等功能，其硬件电路图如图2所示。按键控制电路由4个独立按键组成，用户可通过4个按键和LCD显示屏方便的查看安防系统的实时数据和历史警情信息，还可以手动设置实验室的布防和撤防。

图2 按键控制与LCD显示硬件电路图

2.2 信息采集模块硬件电路设计

该模块硬件电路主要由各类传感器和信号处理电路组成。其中温度传感器和湿度传感器采集的数据为实验室环境信息，而红外、烟雾、玻璃破碎、门磁、窗磁等传感器则采集的数据为实验室的安全信息。

温度和湿度传感器，采用集成化传感器，无需处理电路，可以直接读取实时的温度、湿度信息。

系统中采用CA3302B型光电烟雾传感器，用于火灾报警。烟雾传感器安装实验室内天花板上，用来探测实验室内空气中烟雾，根据实验室内烟雾的浓度判断是否有火灾发生。烟雾传感信号处理电路原理图如图3所示。J1的1，4引脚连接传感器的内部光源，2，3引脚连接传感器的光敏元件。正常状态下J1的2引脚为高电平，也就是IC2A的2脚是高电平，由于IC1A的1脚是高电平所以输出低电平，然后经IC2B反向输出高电平；当烟雾进入传感器的暗室时，光线散射照在光敏元件上，其电阻率降低，IC2A的第2引脚变成低电平，其输出高电平，经IC2B反向，最后输出低电平。单片机可以通过检测IC2B的输出判断是否有烟雾报警即火灾报警。

图3 烟雾传感器信号处理电路图

系统中采用P2288型热释电红外传感器检测人体辐射出红外线信号。当检测到人体红外信号时，在其输出回路中会产生输出电流；而检测区域内没有人体的红外信号时，则没有电流。P2288传感器对运动的人敏感，应用时常在传感器的外部家一块菲涅尔透镜，这样可以有效的避免其他红外线的干扰。因此，当有人在P2288监测范围内活动时，P2288会输出一个微弱的电流信号，经信号处理电路可将其转换为开关信号，主控芯片通过检测这个开关信号的有无，就可判断实验室内是否有人活动，它盗警的主要判断依据当有人打破玻璃时，玻璃破碎传感器受到机械振动，会给一个信号，这信号经放大、处理后可用于报警。此传感器可与门磁、窗磁一起作为盗警的参考报警信号。

2.3 报警模块硬件电路设计

声光报警采用带警灯的报警器，由主控芯片控制的继电器控制报警器的工作电源。

GPRS通信模块采用西门子公司生产的MC55。该模块具有GSM模块的功能，支持分组业务功能，内嵌TCP/IP协议；数据接口采用UART收发器，符合RS232接口标准；具有语音和数据传输功能。MC55模块通过电平转换芯片MAX232与LPC2148相连。MC55的RXD0、TXD0分别与的R1IN、T1OUT引脚相连，而 MAX232的 T1IN、R1OUT引脚分别与LPC2148的P0.0和P0.0引脚连接，完成数据传输；P0.2口通过相应驱动电路与MC55的IGT引脚相连，用来控制MC55模块的开启；P0.9口连接MC55的VDD，用来判断MC55启动是否正常；P0.3口接MC55的RING0端口用于数据传输的信号中断；在MC55的基带处理器上有一个综合SIM接口，连接到外部的SIM卡座。SIM卡的 6 个引脚 CCCLK、CCVCC、CCIO、CCRST、CCIN、CCGND分别与MC55上的相应的第1到第6个端口相连。

2.4 上位机硬件电路设计

监控中心上位机采用PC机，通过与串口相连接的GPRS通信模块与各实验通信，实时监控各个实验室的信息。如有警情出现提示值班人员前去维护。

3 系统软件设计

系统软件设计分为实验室数据采集下位机软件设计和监控中心上位机软件设计两部分。其中，上位机软件采用VB语言编写，主要是实现串口数据的收发。但是数据格式必须与下位机的GPRS数据格式一致。

下位机系统软件设计时，采用模块化设计。根据系统不同的功能模块，设计相应的子程序。具体讲可分为主程序和GPRS通信、声光报警、按键控制、数据存储和LCD显示等多个子程序组成。程序流程图如图4所示。主程序包括设备的初始化、数据的采集、信息处理和警情的判断。其他功能性子程序在应用时直接调用即可。

图4 烟雾传感器信号处理电路图

如有警情信息除了启动声光报警外，还需通过GPRS通信模块相关警情发送至监控中心。下位机与上位机之间利用MC55模块通过GPRS网络进行通信。GPRS网络是以现有的GSM网络为基础增加GPRS网关支持节点（GGSN）和GPRS服务支持节点（SGSN）来实现的。系统中采用的GPRS网络结构如图5所示。

图5 GPRS网络结构

主控芯片LPC2148将警情信息通过RS-232C串行口送至GPRS通信模块，GPRS通信模块通过内部嵌入的TCP/IP协议将数据信息封装成GPRS数据包的形式，并将封装好的数据包发送至SGSN，然后SGSN与GGSN进行通信，GGSN将数据进行处理后，经由SGSN发送至监控中心的GPRS通信模块。

系统还可设置不同的防范状态。依据高校的特点，可将安防模式设为工作模式和假期模式，在这两种模式下安防等级相同，报警方式不同。工作模式下警情信息主要交由实验室管理员处理；假期模式下，警情信息由学校安保处值班人员处理。这样高校可根据具体时间灵活设置。