基于单片机的校园安防系统研究

邢婷婷 林菡 陈丽娟

摘  要： 学校是国家培养人才的重要场所和机构，学校的安全也受到越来越多社会人士的关注，随着我国高等教育改革的不断深化，对校园的安全管理也提出了新的要求，本项目以此为立题依据，考虑到学校的特殊性以及综合经费情况，参考国内外关于小区及校园的安防系统研究，旨在基于单片机建立一个相对完善且经济实用的校园安防系统。

关键词： 单片机;高校;安防系统

中图分类号： TP368.1    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.011

本文著录格式：邢婷婷，林菡，陈丽娟. 基于单片机的校园安防系统研究[J]. 软件，2019，40（5）：5356

【Abstract】： The security of campus gains the increasing concerns of whole society for which campus is a vital institution to cultivate talents for nation. With the deepening of China's higher education reform， the requirement， which is come up with， to security management of campus. Based on the above， with consideration of particular application scenarios and expenditure situation， referring to the related researches of housing estate and campus at home and abroad， this project was put forward， which aimed at establishing a comparatively perfect， economic and practical campus security system.

【Key words】： SCM; Campus; Security and protection system

0  引言

高校占地面积大且相对开放，人员流动量大。校园内设教学楼、行政楼、图书馆、体育馆、学生宿舍等建筑，建筑呈现多样性，且对安防的要求不一。再者学校安防管理人员有限，依靠安防管理部门预防险情是不切实际的，因此还应该配合校园安防系统，实现以预警为主，后期处理为辅，实时确保学校的财产和生命安全。

为实现校园安全管理的任务，本文提出一种基于单片机的校园安防系统。系统包含视频监控、报警管理、车辆管理、人员管理等功能，同时还应实现数据的实时传输，以单片机为中央处理器，能够进行防火防盗，处理各种突发状况。

1  总体设计

本系统是以高校校园为设计主体的基础整体防护系统，系统包括视频监控系统、报警管理系统、车辆管理系统、人员管理系统等。本系统以C8051F020单片机作为中央处理器，以CP2200芯片作为网络控制芯片，具备视频采集模块、防入侵模块、火灾探测模块、显示模块、温湿度采集模块、数据传输模块等功能[1]。系统通过前端设备进行检测和数据收集，将采集信息传输给核心模块，核心模块按照预先编译的程序将收集的信息进行处理和保存，再通过数据传输模块将数据报告到监控中心，监控中心远程给出下一步指令或通知相关安防管理人员进行处理。校园安防系统总体设计如图1所示。

2  系统模块设计

2.1  主控模块

本设计综合考虑了资金、功耗以及稳定性等多方面因素，最终确定C8051F020单片机作为系统的核心器件。C8051F020采用了流水线处理结构，时钟系统更加完善，运行速度更快，能够满足安防系统信息的实时处理[2]。C8051F020拥有8个8位的输入/输出端口，大量减少了外部連线和器件扩展，满足了对视频采集模块、防入侵模块、火灾探测模块、显示模块、温湿度采集模块、数据传输模块等模块的端口分配，有利于提高可靠性和抗干扰能力。另外C8051F020内部还带有数据采集所需的ADC和DAC，且外设增添了三个串行口，能充分满足系统对主控模块的要求。

2.2  视频监控模块

校园安防系统的构建主要是在校园主要路口，建筑物门前及走廊内安放摄像探头，由于所采集的信息量巨大，单片机的存储容量小，因此单片机主要承担将采集到的信息传输给控制中心，由控制中心对接收的数据进行分析和存储。本次设计采用网络化的视频采集方式，视频监控模块主要由前端检测设备、单片机和控制中心组成[3]。前端摄像机采集图像，将收集到的信息传输给单片机，单片机将数据传输给控制中心，控制中心发送指令，使单片机控制前端设备按照要求调整监控角度。

2.3  防入侵模块

防入侵模块主要针对学校的一些重要场所，通过安装报警探测器识别是否有入侵者，根据应用场合和用途以及元器件的功耗和价格，本设计采用热释电红外线传感器。当发生入侵时，红外探测器检测到人体发出的特定波长红外线，产生报警电信号，核心单片机接受到电信号并对电信号进行分析，若满足报警条件，则控制报警装置工作。报警装置以声音报警为主，由蜂鸣器、电容、电阻组成，单片机通过异步串行口传输信息驱动报警装置。当险情处理完毕或发生误报时，可通过复位电路恢复防入侵模块的正常工作。

2.4  火灾探测模块

校园中针对火灾发生的应对方法有很多，比如室内消火栓系统、自动喷水灭火系统，而火灾的发生不仅容易威胁人身和财产安全，还易造成人员的恐慌，因此校园安防系统需设置火灾探测模块。本设计火灾检测模块的前端检测设备为光电感烟探测器，当检测到烟雾达到设定的数值时，将数据传递到核心芯片，核心芯片将信息传递给控制中心，同时发出报警，通知相关管理人员前往处理。

除了利用感烟探测器检测外，还可以通过自动喷水系统或室内消火栓系统发出报警信号，当发生火灾时，自动喷水系统喷头受热开始喷水，水流使水管内压力变化，水流传感器感受到水的流动发出报警信号。

2.5  显示模块

显示模块用于发生险情时显示险情发生点，但由于校园险情发生情况不多，因此显示模块可能被闲置，因此设计显示模块可用于显示日期时间以及日常环境的温湿度。本系统选用的C8051F020单片机输入输出接口较多，但仍可能发生需要扩展外部接口的可能，因此显示模块选用CH451芯片来扩展显示键盘接口。CH451芯片占用接口少且传输速度快，能很好的减少模块的复杂性[4]。

CH451芯片与单片机的连接主要用到的四个引脚，分别是串行数据时钟线 DCLK连接P6.0端口、串行数据输入线 DIN连接P6.1端口、串行命令加载线LOAD连接P6.2端口、串行数据输出线DOUT。同时使用到RST和RST#引脚用于实现复位功能。

2.6  温湿度采集模块

温湿度的采集可以给安防管理人员提供必要的数据，根据这些数据可能更好的判断各个采集点的状况。本设计采用SHT11传感器来检测温湿度，SHT11传感器测量精准度高且精度可编程调节，内置A/D转换器，可将搜集到的温度和湿度信息转换为数字信号。传感器在温度湿度较高的环境下可能会造成敏感度下降，影响测量数据的精确度，但SH11 芯片上集成了一个可通断的加热元件，能很好的避免凝露现象，但后期测量的数据需通过公式进行修正，否则容易造成偏差。

2.7  网络传输模块

网络传输模块将系统中各模块采集的信息维系起来，单片机通过网络传输模块将收集的信息传输给控制中心，等待控制中心进行信息处理和命令下达。本设计选用CP2200作为网络控制芯片，CP2200集成了IEEE 802.3以太网媒体访问控制器、10BASE-T物理层、8kB非易失性Flash存储器，通过CP2200能实现以太网智能节点硬件到软件的设计，发挥出强大的通信与数据采集以及控制功能。

3  系统软件设计

系统中各模块除了必要的硬件部分以外还需要软件的配合，比如对前端设备检测的数据进行存储和处理、核心部件对前端设备的控制、显示模块的分时复用等都需要软件来实现功能。

3.1  核心程序构建

单片机采用外部晶体作为系统时钟，当无险情发生时，显示模块用于显示当前时间和温湿度，因此在单片机和CH451初始化后需设定每秒刷新CH451以显示当前时间。同时，各模块可通过中断，申请提取采集到的数据，按照中断的优先等级，单片机进入到中断子程序中响应相应的请求。

3.2  温湿度模块构建

温湿度模块通信采用串行二线接口SCK和DATA分别作为时钟线和数据线。采集过程为：初始化SHT11→与SHT11建立通信→传感器读取温度→送入CH451显示当前温度→传感器读取湿度→送入CH451显示当前湿度→判断按键是否松开→返回[5]。

3.3  密码程序构建

密码程序是当处理险情后或发生误报时停止报警使用，将人为输入的密码与预先设定的密码进行比对，若密码正确则取消报警，若密码错误，则给出密码错误警告并判断错误次数是否超过三次，若超过三次或超过输入密码时长则继续报警。

3.4  火灾报警程序构建

火灾报警程序通过前端烟雾传感器采集到的数据与预先设定的烟雾最大值进行比对，并综合采集到的环境温度来驱动报警，当同时满足这两个条件时驱动报警并进行灭火动作，当任意一个条件不满足时，继续监控，不发生报警。

3.5  视频采集程序构建

视频采集程序主要实现将采集的信息传输给控制中心以及实现控制中心对前端检测设备的控制。前者可通过网络传输模块的传输协议实现，后者则需通过单片机来实现，实现的基本流程为：单片机初始化→接头控制代码→预置调用→判断功能→调用→调用位置→检测当前位置→与所调位置的对比→判断中间的差值→方向操作→返回[5]。

3.6  防入侵程序构建

防入侵程序通過不断地检测是否有报警信息实现入侵报警和地点的判断。单片机初始化后开始进行循环检测判断有无报警，若检测到报警则经过延时再次检测该端口，若仍检测到报警则显示报警信息并发出报警信号;若没有检测到报警则继续循环检测。

4  总结

本文主要介绍了基于单片机的校园安防系统的设计，分别从硬件和软件两个方面介绍了系统的视频采集、防入侵、火灾探测、显示、温湿度采集、数据传输等模块的设计，为校园的安防管理提供了便捷。但由于资金以及时间的限制，本系统有些功能未达到预期效果，还需进一步加强，系统也可通过进一步开发更加完善。

参考文献

[1] 李澎. 基于单片机的校园安防系统[D]. 吉林： 吉林大学. 2015.

[2] 孙立香， 赵不贿， 刘星桥.  C8051F020与80C51单片机的异同点[J]. 国外电子元器件， 2007（5）： 31-35.

[3] 徐伟恒， 苏志芳， 荣剑， 张宏翔. 校园安防智能电话报警系统设计与买现[J]. 电子设计工程， 2011， 21（03）： 31-33.

[4] 葛超， 王蕾， 伦志新. 基于CH451芯片的LED显示系统的设计[J]. 自动化技术与应用， 2010（3）： 101-102.

[5] 吴更. 基于单片机的校园安防系统研究[J]. 通讯世界， 2017（17）： 289-290.

[6] 许可， 许迪文， 杨润书， 等. 基于ZigBee和GIS的校园环境实时监测系统设计[J]. 软件， 2018， 39（7）： 116-120.

[7] 丁月林. 基于STM32 的低功耗温湿度采集器实现[J]. 软件， 2015， 36（5）： 84-88.

[8] 李瑞福. 基于单片机AT89C51 的一氧化碳浓度检测仪设计[J]. 软件， 2015， 36（9）： 106-108.