宿舍智能防火防盗报警系统.doc

宿舍防火防盗智能报警系统摘要：本系统采用ARM1138单片机作为控制系统的控制核心，利用Q-2烟雾传感器实现烟雾检测，热释电人体红外传感器实现人体检测，红外光电传感器检测人员进出，URAT模块实现异地通讯和网络控制，键盘输入密码解警，无线发射器和无线接收报警器实现贵重物品进出检测，蜂鸣器模块实现报警，所有记录情况采用液晶显示。上位机与主控端直接通信，实现人机交互，体现智能化。主控端可以与各监控端通信，能显示当前各监控端的安全信息。监控端具有人体监测、烟雾监测、声光报警。烟雾传感器放大电路、声光报警电路、键盘电路、稳压电源电路经过测试均达到较好效果。利用有线通信实现主控端对各宿舍监控端传感器模块的控制。经过测试，本系统能够很好的完成题目各项要求。关键词：ARM1138；UART通信；烟雾传感器；热释电人体红外传感器1 方案论证与设计给出总体方案，列举出关键技术，分别对关键技术阐述方案。 1.1 控制模块方案 方案一：采用通用的51单片机作为主控制器。51单片机通用灵活、价格低廉、使用方便，但此单片机字长有限，数据处理能力很弱，处理速度较慢，资源不够丰富，需要扩展较多的外围电路，降低了系统的可靠性，增加了制作的费用，难以满足本设计要求。 方案二：可编程逻辑器件CPLD,它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、标准产品无需测试等特点，可实现较大规模的电路设计。但是，该器件主要依赖于软件设计，缺少硬件的配合，致使程序设计复杂，难以使用，运算速度太快。CPLD同样难以满足本设计的需要。 方案三： 采用 ARM1138 单片机来实现，此单片机I/O接口比较多，易于扩展外围电路，开发板集成了键盘、数码管，时钟、ZLG7290等芯片。另外方便的是该芯片内置在线仿真，编程接口，可以方便实现在线调试，这大大简化了系统的开发和调试的复杂度。对以上三种方案进行比较，方案一需要扩展较多的外围电路，降低了系统的可靠性，增加了制作的费用，方案二依赖于软件设计，缺少硬件的配合，致使程序设计复杂，难以使用，采用方案三接口比较多，可以方便实现在线调试，这大大简化了系统的开发和调试的复杂度。1.2 电源模块方案一：采用两节4.2V可充电式锂电池供电，经过7805的电压变换后给单片机系统和其他芯片供电。锂电池的电量比较足，并且可以充电，重复利用，因此，这种方案比较可行。但锂电池的价格过于昂贵，这会大大超出我们的预算，为遵循此次大赛成本低的原则，放弃了这种方案。方案二： 采用9V干电池经7805降压、稳压后给单片机系统和其他传感器供电。电池电量低，使用后丢弃会对环境造成污染，不符合绿色环保的理念。方案三：采用直流稳压电源。输出精度高，0到32V可调，调节范围大，使用简单，能为单片机提供稳定的工作环境。经过比较，采用方案三。1.3 有线模块方案方案一：红外通信，红外通信器件易得，价格低廉，但必须直线收发是其致命弱点。方案二：采用自制的无线电发射和接收电路进行无线收发，此方案虽然思路简单，但是硬件电路的连接与调试十分复杂，装置工作时的稳定性难以保证。方案三：综合使用RS485总线和RS232总线，通过RS485与RS232接口转换，将通过RS485的信息通过RS232传到单片机上，但是这需要连线布局，较为麻烦。方案四：采用UART有线通信模块，UART有线通信协议十分简单，以低电平作为起始位，高电平作为停止位，中间可传输58比特数据和一比特奇偶校验位，奇偶校验位的有无和数据比特的长度有通信双方约定。收发可同时进行，互不干扰。综上考虑，我们选用UART有线通信模块，确保了通信的流畅性和准确性。1.4 显示部分设计方案方案一：采用八位共阴极LED数码管进行显示，利用单片机串行口的移位寄存器工作方式，外接MAX7219串行输入共阴极显示驱动器，每片可驱动8个LED数码管。方案二：采用点阵字符型TS12864A-3LCD液晶显示，可以显示数字与阿拉伯字母等字符，随着半导体技术的发展，TS12864A-3LCD的液晶显示越来越广泛的应用于各种显示场合。比较这两种方案，数码管显示驱动简单，但显示信息量少，功耗大；利用液晶显示可以工作在低电压、低功耗下，显示界面友好、内容丰富，综合考虑，选用TS12864A-3LCD来实现显示功能。1.5 烟雾检测模块方案方案一：采用光敏传感器，该传感器是最常见的传感器之一，可以对许多烟雾浓度进行检测，但是在进行检测时要将烟雾信号转化为光信号才可以，经尝试，电路不稳定，不易控制。方案二：采用Q2烟雾传感器，它是一种离子是烟雾传感器，工作性能稳定可靠，低功耗，结构设计独特，防虫、防尘、抗外界光线干扰并且有特殊的防潮设计。可以广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器，并且价格适中。综合考虑我们选择方案二。1.6 人员监测模块的选择方案一：采用光电开关。它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通，从而检测物体有无的。物体不限于人、动物、金属等，所有能反射光线的物体均可被检测。因此，它不能起到只检测宿舍有无人员的作用，并且监测距离有限。方案二：利用图像识别的原理。先提前把宿舍人员信息存储起来，对宿舍的人员进行辨别，当非本宿舍人员进入时便提示并报警，直到宿舍人承认并消除报警后再停止报警，利用图像识别不仅能实现报警功能，而且还能实现记录进入人的面貌，但是其成本高，推广起来不方便，不适用于学校宿舍的推广。方案三：采用热释电人体红外传感器。菲涅尔滤光片能有效地让人体辐射的红外线通过，而阻止太阳光、灯光等可见光中的红外线通过，免除干扰。在电子防盗、人体探测器领域中，应用广泛，技术性能稳定。本身不发生任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。综合考虑以上情况我们选择方案三。1.7 提示锁门模块方案一：采用自制的蜂鸣器电路，实现声光报警。该方案实现比较容易，蜂鸣器的声音可以很好的提示锁门。并且所有报警电路都用蜂鸣器模块，节省了I/O口线资源。方案二：采用ARM1138内部自带的语音模块，以软件的形式实现。程序设计较为复杂，并且降低程序执行效率。综合考虑，选用方案一。1.8 贵重物品检测模块方案一:采用振动传感器。将振动的加速度转换成与之成比例的电压输出。可以检测环境振荡及低振荡，当物体移动时就报警，达到实时检测，但是其抗干扰能力低，而且麻烦，不利于一些经常移动的物体检测。方案二：根据超市等一些大型场合的防偷盗检测原理，采用贴条形码的形式，将贵重物品的表面贴上条形码，将检测装置放置在宿舍的门口，当物品被拿出时便报警。方案三：采用再昂贵物品上装信号发生器，在监测地点装信号接收器，当贵重物品被拿出超过一定范围之后，自动发生报警信号，以此来监测贵重物品。此物品小巧，便宜，使用简单并且监测效果较好。综合上述方案，考虑推广普及成本及监测效果，采用方案三。2 原理分析与硬件电路图2.1 稳压电源模块根据系统要求，我们使用直流信号源，为单片机提供一个稳定的输出电压，确保机内核、外设以及外接传感器工作准确性、稳定性。2.2 传输模块设计我们采用的有线传输模组以芯片集成UART模块为核心，使得设备之间即使晶振频率不同也可进行异步通信，完全可编程的串口接口特性，可有效降低误码率，使用简单可靠。实现宿舍情况数据的异地监控。2.3 键盘模块设计我们采用 28键盘实现输入密码解码解除报警功能，并且可以用键盘模拟锁门与未锁门，开启与关闭人体检测功能。电路图见附录图22.4 烟雾检测模块 我们采用Q2烟雾传感器，每个宿舍安装一个Q2烟雾传感器，它是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，当有烟雾时它产生一个高电平，并将此高电平输出给单片机，单片机得到高电平信号控制报警装置发出报警信号，并使LED灯发光。为遵循此次比赛低成本原则，我们未采用现有的烟雾传感器的模组。调试过程中我们尝试过多种方案，如利用反相器等设计的方案，最终确定用该模块实现烟雾检测。最终设计的烟雾传感器电路原理图如附录图32.5 人体检测模块题目要求我们检测出宿舍人员的进出情况并记录人数，若只用两个热释电人体红外传感器来检测并计数，由于它的反应速度较慢，当两人或两人以上同时进入宿舍时它无法识别，因此，我们额外用了两个红外传感器来计数。考虑到以上情况，我们采用热释电人体红外传感器来识别是否有温度变化（即是否进出物是人），用红外避障传感器来统计出入人数。人体检测功能可关闭，需要时用键盘开启。开启时如果检测到有人就开启声光报警。通过算法可使两个红外避障传感器分辨人员进、出两种状态。从而计算出宿舍人数。 当宿舍人数为零，并且门已锁时(可用键盘模拟)，开启人体检测，如果检测到有人进入，则进行报警。热释电红外传感器原理图如附录图4所示2.6 显示模块设计 在系统中，利用TS12864A-3LCD液晶显示模组作为显示模块，利用键盘相应按键显示时间、人数、人员的进出情况、烟雾检测情况以及输入密码解警情况。该模块具有计数、状态显示、时间显示等功能。 2.7 提示锁门模块设计 当单片机系统检测宿舍无人时，由内部程序控制麦克发出报警，提示锁门，锁门后即使宿舍无人也不会报警，键盘可模拟是否锁门。2.8 贵重物品检测模块设计 由一个无线发射器和一个无线接收报警器，发射器一直保持发射状态，将发射器放在贵重物品里，当发射器离开接收器一段距离后，发射器开始报警。3 软件设计 系统的软件设计采用C语言，对单片机进行编程实现各项功能。程序在windows 环境下采用ARM1138编程开发环境下编写，可实现宿舍内人员的进出情况检测以及人数记录、烟雾检测、声光报警、异地监控、输入密码解警、宿舍无人提示锁门、记录安防情况等功能。 从机程序流程图 中断程序流程图 主机程序流程图4 测试系统与误差分析4.1.1 烟雾传感器烟雾传感器内部有一个加热丝，加热一段时间后才会有反应，即需要预热，预热后，当有烟雾时就会输出高电平，烟雾散去则输出低电平。测量情况如表1：根据以上数据，由于我们采用的比较器基准电压由TL431提供，最小值为2.5V,我们将可变电阻调到了40K左右。4.1.2 热释电人体红外传感器测试热释电传感器模块上有两个电位器，一个可以调节延时时间，另一个可以调节测试距离。经过五次测量取平均值，我们测试的数据如表2： 表2热释电红外传感器测试热释电红外人体与正前方的夹角可检测的最大距离可检测的最小距离延时时间调节两个电位器0633cm180cm1.75s15583cm164cm1.83s30555cm142cm1.79s45486cm130cm1.81s60度以上检测不到4.1.3 光电传感器测试给红外接近开关加5V电压，适当拉近或远离反射物体，调整电位器的大小，使得红外接近开关在一定范围内能检测到反射物体。经调整，传感器测到反射物体的有效距离及传感器相应角度，如表3： 表3 红外接近传感器测试所加电压检测平均最小距离检测平均最大距离次数533cm45cm10731cm100cm10938cm110cm10总结，虽说规定该传感器工作电压为5v,但是经我们检测，符合安全标准的最佳工作电压在7v左右，因此我们采用7v电压供电。5 设计总结本设计实现了题目的基本要求，发挥部分也大部分实现了功能。通过不断的硬件试验和程序调试，宿舍防盗防火报警系统能较好的按照题目的要求运行。期间我们也遇到了很多问题。曾不断调试烟雾传感器的精确度，让其达到比较精确地目的。由于时间紧，工作量大，加之经验不足，水平有限，系统还存在很多需要改进的地方。本次竞赛极大地锻炼了我们各方面的能力，让我们懂得了合作的重要性与思维的无限性。虽然我们遇到了很多困难与障碍，但是总体上成功与挫折交织，困难与希望并存，今后我们将继续努力，争取更大进步。参考文献1 陈炳和.计算机控制系统基础.北京：北京航天航空大学出版社，2001.2 谢自美.电子线路设计实验测试（第二版）.武汉：华中理工出版社，2000.3 阎石数字电子技术基础高等教育出版社，2006.54 童诗白 模拟电子技术基础高等教育出版社，2006.55 曾兴雯高频电子线路高等教育出版社 2004.1附录图1 单片机最小系统图 图2 键盘电路图图3 烟雾传感器原理图 图4 热释电红外传感器原理图表1 烟雾传感器测试烟雾传感器的输出端与接地端之间的电阻检测气体种类输出电压变化范围1K普通烟雾0.05V-0.90V火机里的液化气0.O5V-4.86V10K普通烟雾0.73V-2.10V火机里的液化气0.73V-4.92V30K普通烟雾1.16V-2.72V火机里的液化气1.16V-4.97V40K普通烟雾1.72V-3.13V火机里的液化气1.72V-4.98V50K普通烟雾2.28V-3.13V火机里的液化气2.28V-4.96V70K普通烟雾3.39V-4.42V火机里的液化气3.39V-4.98V10低频数字式相位测量仪1