基于ARM单片机的小区智能安防报警系统设计与实现

2017-09-15刘红恩刘金龙

科技与创新 2017年17期

关键词：警情端口遥控器

刘红恩，刘金龙

（淮海工学院电子工程学院，江苏连云港 222005）

基于ARM单片机的小区智能安防报警系统设计与实现

刘红恩，刘金龙

（淮海工学院电子工程学院，江苏连云港 222005）

介绍了一种基于ARM单片机的小区智能安防报警系统，它包括报警主机、报警接收机、上位机管理软件3个部分。这个系统可以实现火灾报警、防盗报警、可燃性气体泄漏报警、远程求助报警，同时，利用RS232总线能够将这些报警信息稳定地传送到小区的安防中心，安防中心人员接到报警提示后通过报警接收机和上位机管理软件能够快速掌握报警的业主家庭住址、报警类型、业主的联系方式，从而快速组织人员到达报警地点处理报警事件。

安防报警系统；ARM单片机；上位机管理软件；报警接收机

1 背景介绍

安防报警系统[1]是将火焰传感器、可燃性气体检测传感器、红外对射传感器等其他传感器连接到主控芯片，以实现火灾、防盗和可燃性气体泄漏自动报警的系统。通常情况下，根据实际情况，可将不同的传感器安装在不同的位置，当有警情发生时，主控芯片就会控制声光报警器工作，提醒人们处理紧急情况。

一般的报警系统有2种：①基于GSM的家庭安防报警系统[2]。这种报警系统利用移动通信网络将报警信息以文本短息或者电话呼叫的形式告知用户家中有警情发生。②基于物联网的家庭安防报警系统[3]。此系统由报警主控芯片、WiFi联网模块、各类传感器和手机APP软件构成。WiFi联网模块将主控芯片采集到的传感器信息通过网络上传到指定的服务器，用户通过手机APP软件接收上传到服务器的传感器信息。当住户家中的报警主控检测到有警情发生时，服务器会主动传输报警信息到用户的APP上，提醒用户尽快处理家中发生的警情。在使用这两种家庭安防报警系统时存在极大的不便性，虽然它能够监测家中是否有警情发生，并把警情通过GSM网络或者互联网告知用户，但是，用户接收到报警信息后，并不能及时赶回家中处理突发事件，这些系统明显不能及时有效地解决家庭安防问题。本文介绍了一种小区智能安防报警系统，它采用联动报警方式，能够实现向小区业主家中和小区安防管理中心同时报警，能够有效解决突发事件。

2 报警系统整体框架

该系统主要包括报警主机、报警接收机、上位机管理软件3个部分。系统整体硬件如图1所示。此系统能够实现多种监测报警，比如防盗报警、远程求助报警、火灾报警和可燃性气体泄漏报警。利用单片机的串口将这些报警信息传送到小区安防中心的接警主机上，接警主机通过TTL转RS232模块和USB转RS232模块将报警信息发送给上位机软件，安防中心人员接到报警提示后通过接警主机和上位机管理软件能够快速了解报警的相关信息，从而快速组织人员到达报警地点处理报警事件。系统采用通信总线连接，小区业主家中的每个报警主机都连接到通信总线上，通信总线的终端连接到小区安防中心的接警主机上，接警主机与电脑连接。系统通信网络如图2所示。

图1 系统整体框图

图2 系统通信网络图

2.1 报警主机框架

报警主机是由ARM单片机主控模块、遥控器发射模块、遥控器接收模块、OLED液晶显示模块、声光报警模块、可燃性气体检测模块、红外对射模块和火灾检测模块组成的。遥控器发射和接收模块可以用于设置报警主机的工作方式和远程求助报警；OLED液晶显示模块用于显示报警主机的工作方式和报警的类型；可燃性气体检测模块、红外对射模块和火灾检测模块直接与单片机的引脚相连，用于监测家庭环境是否安全；声光报警模块在有警情发生时工作，提醒人们有突发事件发生。报警主机有2种工作方式，分为报警模式和防盗报警模式。当其处于一般报警模式时，可以实现火灾报警、远程求助报警、可燃性气体泄漏报警；当其处于防盗报警模式时，可以实现火灾报警、远程求助报警、可燃性气体泄漏报警和防盗报警。当小区业主回到家中时，可通过遥控器设置报警主机，使之在一般报警模式工作；当业主出门时，可通过遥控器设置报警主机，使之在防盗报警模式工作。这两种报警模式可以根据小区业主的实际情况切换。报警主机单片机主控模块如图3所示。

图3 报警主机框图

2.2 接警主机框架

图4 接警主机结构框图

接警主机主要是由ARM单片机主控模块、12864液晶显示模块、声光报警模块、TTL转RS232模块和USB转RS232模块构成得，它能够接收并显示报警信息，实现声光报警，并向电脑软件端传送报警信息。12864液晶显示模块用于显示报警的类型，报警的地址；TTL转RS232模块和USB转RS232模块将报警信息通过通信总线传输给上位机软件。接警主机结构如图4所示。

3 系统硬件设计

3.1 主控芯片

报警主控和接警主控使用的都是嘉善凯诺电子公司的KN02芯片。KN02系列芯片采用的是以ARMcortex-M0为核心的32位单片机（MCU），其在满足高性能、高集成、高保密和低功耗的条件下，成本仅相当于传统的8位单片机。KN02Gxx系列的主频时钟高达25MHz，适用于要求高效能单片机（MCU）的工业领域。该芯片提供4K～28Kbytes程序存储FlashROM、EEPROM。该芯片拥有丰富的外设功能，比如GPIO端口、定时器、UART、SSP/SPI、IIC、PWM、看门狗定时器、12位SARADC和低电压检测器。该系统采用的是SOP28L芯片。

3.2 遥控器模块

无线电遥控器模块分为2个部分，即遥控发射模块和遥控接收模块。遥控发射模块负责发送控制指令；遥控接收模块负责接收遥控器发射模块传输的信息，并在对应的引脚输出单片机能够识别的电平信息，控制指令在空中以电磁波的形式传输。此次设计使用的是4键自锁遥控器，遥控器的发射端有4个按键，即A键、B键、C键、D键；接收端有5个输出端口，D0、D1、D2、D3和VT。实际设计中使用了遥控器的A键和B键，A键用于报警模式的切换，B键用于远程求助。遥控器接收端的输出端口D0和D1分别与单片机的输入端口P2.0和P1.7连接，单片机通过检测输入端口的电平信息判断遥控器的发射端是否有按键按下。上电时，遥控器接收端的D0、D1输出端口输出的都是低电平，当A键按下时，D0端口输出高电平，主控单片机检测到P2.0的高电平后进入防盗报警模式，再按一下A键，D0端口输出低电平，主控单片机检测到P2.0的低电平进入一般报警模式；B键按下时，遥控器接收端的D1端口输出高电平，单片机检测到P1.7端口的高电平后触发报警主机的远程求助报警，并通过串口向接警主机上传报警信息，再次按下B键，D1端口输出低电平，远程求助报警解除。

3.3 显示模块

该系统使用了2种显示模块，报警主机显示模块采用的是OLED液晶显示屏，接警主机显示模块采用的是12864液晶显示屏。

3.3.1 OLED显示模块设计

该设计中，OLED液晶显示模块用于显示报警主机当前所处的报警模式，即一般报警模式和防盗报警模式。报警模式可以通过遥控器发射模块切换，当有突发情况发生时，显示屏还能够显示报警类型。

3、多家保险公司并进发展。2012年，我市由阳光农业保险公司一家开展试点，经过几年的发展，到2016年，形成了阳光互助农业保险公司、阳光农业保险公司、中国人保财险、平安保险公司等多家保险公司齐头并进，共同发展的良好势头，为保险部门在创新农业保险产品，提高服务质量等方面，起到了积极的促进作用。

3.3.2 12864液晶显示模块设计

1286LCD是由128×64个微型液晶显示发光二极管组成的一个128列64行的阵列，每个显示点都由一位二进制数控制，写入0时，相应的点阵熄灭，写入1时，相应的点阵点亮。12864液晶显示模块用于显示报警的类型和报警的小区业主地址，当发生报警事件时，小区安防人员通过液晶显示模块就可以了解警情，进而采取对应的报警处理方式。

3.4 火灾检测模块

火灾检测模块用于检测用户家中是否发生火灾，但是，仅仅依靠红外接收管来检测是否有火灾发生的办法是不科学的。因此，在此次设计中，将温度传感器DS18b20与远红外火焰传感器结合起来使用。温度传感器的数据输出端口与报警主机的P2.4引脚相连，远红外火焰传感器的模拟输出接口AO与报警主机的P0.4引脚相连，报警主机的P0.4引脚可以复用为单片机ADC的ADC2通道。传感器输出的模拟信号经过主控芯片的ADC模块转换后与系统预设的数据对比，如果转换后的数值小于系统预设值，并且温度传感器采集到的温度大于正常室温时，单片机就会控制声光报警模块工作，并通过串口向接警主机传达火灾报警信息。

3.5 防盗模块

系统中使用的红外对射模块可用于防盗报警，可以将此模块放置在窗户和门的旁边，当物体越过红外对射模块探测区域时，就会遮断红外发射管发出的红外光而引发报警主机报警。红外对射模块主要是由红外发射管、红外接收管和LM393电压比较器组成。模块的数字输出端口接到报警主控的P0.2引脚，当发射管与接收管之间没有遮挡物时，LM393电压比较器的6端电压比7端口电压高，1引脚输出低电平；当发射管与接收管之间有遮挡物时，LM393电压比较器的6端电压比7端口电压低，1引脚输出高电平；接警主控的P0.2端口检测到高电平时，就会控制声光报警模块工作，然后通过串口上传报警信息到接警主机。

3.6 可燃性气体泄漏检测模块

系统中的可燃性气体检测模块使用的是MQ-2烟雾传感器，它适宜于液化气、苯、烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。MQ-2模块的探测范围非常广、稳定性好、寿命长、灵敏度高、反应速度快、驱动电路简单。可燃性气体泄漏检测模块安置在住户的厨房中，用于检测小区业主家中是否有可燃性气体泄漏的警情发生。当业主家中发生可燃性气体泄漏事件时，MQ-2传感器的电阻率就会变小，从而导致模拟输出端口AO的数值变大。

经过主控单片机的ADC模块转换后，模拟端口转换后的数值与系统预设的报警值进行对比，如果大于预设的数值，报警主控就会控制声光报警模块工作，并通过RS232总线向接警主控上传可燃性气体泄漏报警信息。

3.7 声光报警模块

声光报警模块是由NE555芯片、全彩发光二极管和有源蜂鸣器组成。模块的控制引脚与主控单片机的P3.0端口连接，当有警情发生时，单片机的P3.0端口输出高电平，同时，三极管Q10导通，NE555芯片通电开始工作；当芯片输出的方波为低电平时，全彩二极管D1开始发光，三极管Q1导通，蜂鸣器开始工作。

3.8 TTL转RS232模块

单片机的串口是TTL电平，输出能力很弱，传送数据的距离比较近。RS232接口是主流的串行通信接口之一，其传输距离比较远，抗干扰性相对比较高，接线也比较简单，因此，适合串口远距离传输数据。但是，单片机的串口电平与RS232接口的电平不同，不能直接通信，必须通过TTL转RS232模块将单片机的TTL电平转换为RS232的电平。

3.9 USB转RS232模块

RS232接口是计算机的通讯接口之一，但是，现在此接口只存在台式电脑上，而USB接口是所有电脑的必备接口，考虑到此次设计的实用性和兼容性，采用USB转RS232模块将接警主机与电脑连接，这样，下位机就能通过TTL转RS232模块和USB转RS232模块与电脑通信。

4 系统软件设计

4.1 报警主机软件设计

报警主机主要完成报警模式设置、报警模式显示、接收并分析各个传感器输入的数据、触发声光报警、接收并分析遥控接收器的信息、通过串口传送报警信息的功能。

报警主控模块先分析遥控接收器输入的信息，然后设置报警主机的工作模式，通常采用的是一般报警模式或者防盗报警模式。当处于一般报警模式时，报警主控会使火灾探测模块、可燃性气体泄漏检测模块、远程求助模块工作；当处于防盗报警模式时，报警主控会使火灾探测模块、可燃性气体泄漏检测模块、远程求助模块和红外对射模块工作。

报警主机的报警模式设置完成后，主控MCU就开始接收和分析各个传感器输入的模拟信号，利用ARM单片机自带的ADC功能将这些模拟信号转变为1到4096数值的数字信号。当这些数字信号的数值低于或者高于单片机预设的报警阈值时，就会触发主控模块报警，并使声光报警模块开始工作，同时，主控模块会将这些报警信息通过串口上传报警。这些信息包括报警的类型和报警的地址，当主控模块复位时，声光报警模块才会停止工作。

4.2 接警主机软件设计

接警主控主要完成接收报警主机上传的报警信息、显示报警类型和报警地址、向上位机传送报警信息、声光报警的功能。接警主机接收到报警信息后通过12864液晶显示屏显示报警类型和报警地址，同时，控制声光报警模块工作，告诉小区安防人员有警情发生，然后通过RS232总线上传报警信息给上位机软件。

4.3 上位机软件设计

上位机管理软件主要完成接收接警主机上传的报警信息、显示报警类型、报警地址、报警地址业主的联系方式和工作地点、记录报警信息、查询报警信息、添加小区业主信息和删除小区业主信息的功能。当上位机管理软件收到接警主机上传的报警信息后，会显示报警的类型、报警的地址以及报警地址业主的联系方式和工作地点，然后将报警信息记录到数据库中，以方便小区安防部门查阅。

5 系统设计评价

5.1 系统实际设计要求

在传输数据时，该系统使用的是TTL转RS232模块和USB转RS232模块。在远距离传输时，采用TTL转RS485模块和USB转RS485模块。

该系统使用红外对射模块来检测是否有非法入室的情况发生。此模块灵敏度比较低，监测范围有限，并且红外发射模块发出的红外光非常容易受到外界的干扰，这样就会导致错误报警或者有非法入室时不报警的情况发生。所以，在实际设计中，应该使用红外光栅。

5.2 系统设计创新点

与传统的基于GSM的家庭报警系统相比，基于ARM单片机的小区智能安防报警系统具有以下优点：①采用32位ARM单片机能够快速处理数据。②联动报警。当有警情发生时，小区安防人员能够通过接警主机和上位机管理软件的报警第一时间到达相应地点，并及时将处理情况反馈给小区业主，避免业主不在家时不能及时处理警情。③2种报警模式的可操作性比较强，可通过无线电遥控器设置报警模式。④报警主控端口采用OLED液晶显示模块，降低了报警主控的功耗。⑤在实际设计中，采用RS485总线接口传输数据，它能够在整个小区中有效传输数据。⑥系统成本低，性价比比较高。