基于ARM的宿舍智能安防监测系统设计

金余义，任阳晖，刘克申

（青岛工学院 机电工程学院，山东 青岛 266300）

基于ARM的宿舍智能安防监测系统设计

金余义，任阳晖，刘克申

（青岛工学院 机电工程学院，山东 青岛 266300）

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。

ARM；智能安防；无线通信；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[1]。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[2]。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。

图1 系统整体框图Fig. 1 Diagram of the system as a whole

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[3]。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[4]。辐射最强的波长满足维恩定律：

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。

图2 室内布局图Fig. 2 Indoor layout diagram

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[5]。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。

图3 宿舍节点主程序流程图Fig. 3 Dormitory node of the main program flow chart

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[6]。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。

图4 检测模块流程图Fig. 4 Detection module flow chart

图5 上位机监控界面Fig. 5 PC monitoring interface

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。

[1] 刘翀,肖南峰. 智能安防与家庭服务机器人的设计与实现[J].微计算机信息,2006,22(2-2):212-214.

LIU Chong,XIAO Nan-feng.Design and implementation of home service robot and home intelligent security control[J].Microcomputer Information,2006,22(2-2):212-214.

[2] 张剑峰. 智能安防监测控制系统的设计与应用研究[J].科技探索与知识创新,2010(8):115.

ZHANG Jian-feng.Intelligent security monitoring and control system design and application research[J].Exploration of science and technology and knowledge innovation, 2010(8):115.

[3] 陈岩. 高校学生公寓智能安防测控系统研究与设计[D].合肥:合肥工业大学,2008.

[4] 刘千,丁会柱,吴晟睽. 基于ARM的智能化公寓安防测控系统设计[J].电子设计工程,2011(7):152-155.

LIU Qian,DING Hui-zhu,WU Sheng-kui.Design of apartment ARM based, intelligent protection alert, measurement and controlling system[J]. Electronic Design Engineering,2011(7):152-155.

[5] 孙晓松,曹雪瑞,张俊武. 基于单片机系统的智能化学生公寓的改造[J].自动化技术与应用,2007,26(3):125-127.

SUN Xiao-song,CAO Xue-rui,ZHANG Jun-wu.A smart boarding house for students[J].Techniques of Automation and Applications,2007,26(3):125-127.

[6] 许洪华,刘科.基于ZigBee和以太网的大学生宿舍防火防盗监控系统[J].工业控制计算机,2011,24(1):39-40.

XU Hong-hua,LIU Ke.Theft-Proof and fireproof monitor system based on ZigBee and ethernet for college students dormitory[J].Industrial Control Computer,2011,24(1):39-40.

Design of dormitory ARM-based, intelligent protection alert,measurement and controlling system

JIN Yu-yi, REN Yang-hui, LIU Ke-shen
（Qingdao University of Technology, College of Mechanical and Electronic Engineering, Qingdao 266300, China）

This design is based on ARM Cortex-M3 the processor essence LM3S1138 primarily controller's dormitory.This system could judges the dormitory whether to have the fire situation, examine the situation of the personnel’s passing in and out and illegal enters to the inner rooms, and monitor different valuables turnover situation. The dormitory node controller receives the wireless signal and realizes the acousto-optic prompt and the liquid crystal display, and it can also transmits the information to the monitoring machine by the wireless communication module to realize different monitor, so a monitoring machine could monitor many dormitories in long-distance areas, safety management is advantageous to the students’dormitory.

ARM; fire and theft prevention; wireless communication; security management

TP23

A

1674-6236(2014)03-0161-03

2013–05–22 稿件编号：201305230

金余义(1983—)，男，浙江苍南人，硕士研究生，讲师，工程师。研究方向：嵌入式技术。