校園電子巡更系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 坤，孫運(yùn)強(qiáng)，姚愛(ài)琴

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051;2.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原030051)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)安全防范的要求也越來(lái)越高。安防行業(yè)迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，在智能化樓宇和智能化小區(qū)相繼熱潮之后，又一個(gè)新興的領(lǐng)域—校園的智能安全管理系統(tǒng)的建設(shè)在各地也相繼掀起了熱潮［1］。學(xué)校是人口密集區(qū)，場(chǎng)地分散、管理人員少，而且學(xué)生生性好動(dòng)、防范意識(shí)差。不法分子潛入校園進(jìn)行盜竊、搶劫、以及校園暴力事件時(shí)有發(fā)生，而保安在校園安全維護(hù)方面起著舉足輕重的作用，巡更保安必須盡職盡責(zé)，以減少校園犯罪事件的發(fā)生，對(duì)保安系統(tǒng)的規(guī)范化管理則顯得意義重大，在這種情況下，校園電子巡更系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

校園電子巡更系統(tǒng)應(yīng)用美國(guó)的GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)代通信技術(shù)，存儲(chǔ)保安的巡更時(shí)間、巡更路線的地理數(shù)據(jù)，能夠在控制終端重現(xiàn)巡更軌跡，并能夠在遇到突發(fā)事件的時(shí)候及時(shí)向控制中心發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

1 總體設(shè)計(jì)

校園電子巡更系統(tǒng)主要包括兩部分:手持巡更儀部分利用GPS衛(wèi)星定位模塊接收GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過(guò)單片機(jī)提取時(shí)間、經(jīng)度、緯度等有用數(shù)據(jù)并對(duì)得到的有用數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和控制，而且在出現(xiàn)緊急突發(fā)事件的時(shí)候，巡更人員能夠通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊向控制終端發(fā)送攜帶巡更人員地理位置數(shù)據(jù)的警報(bào)信息?？刂平K端部分主要由控制界面和具體的校園電子地圖組成，巡更人員需要把每天的巡更數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送給上位PC機(jī)，以便重現(xiàn)巡更人員的巡更軌跡。系統(tǒng)總體框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 巡更儀電路設(shè)計(jì)

電路主要包括:Atmega16L單片機(jī)控制電路、GPS接收電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、無(wú)線傳輸電路、電源管理電路。電路結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 電路結(jié)構(gòu)

2.1 核心控制部分

處理核心選用8位低功耗微控制器ATmega16L，具有片內(nèi)16 K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，1 K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和512字節(jié)的E2PROM。它具有32個(gè)通用I/O口線、32個(gè)通用工作寄存器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、1個(gè)USART、8通道10位ADC、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器、SPI串行端口、與IEEE 1149.1規(guī)范兼容的JTAG測(cè)試接口，此接口同時(shí)還可以用于片上調(diào)試，以及六種可以通過(guò)軟件選擇的省電模式［8］。其中使用了PD0(RXD)引腳接受Leadtek 9548GPS傳送的GPS數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，考慮到單片機(jī)內(nèi)部的flash存儲(chǔ)空間較小，可利用ATmega16L的PA組口進(jìn)行存儲(chǔ)擴(kuò)展，這里使用的是K9F3208并口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片?？梢酝ㄟ^(guò)兩種方式向上位PC機(jī)傳送數(shù)據(jù)，一是通過(guò)ATmega16L的串口外接MAX232芯片，輔助外圍電路，通過(guò)PC機(jī)的RS232通用串行接口傳輸，二是通過(guò)ATmega16L的SPI接口外接NRF905無(wú)線收發(fā)模塊向控制中心傳輸數(shù)據(jù)，這種傳輸功耗較大，只在出現(xiàn)突發(fā)情況的時(shí)候采用這種傳輸方式。ATmega16L模塊控制電路如圖3。

圖3 ATmega16L模塊控制電路

2.2 GPS定位部分

GPS衛(wèi)星定位部分由Leadtek 9548GPS核心模塊，輔助以外圍電路組成。Leadtek 9548GPS模塊核心采用美國(guó)瑟孚公司設(shè)計(jì)的SIRFStarIII低耗電量衛(wèi)星定位接收晶片，有20個(gè)通道，能夠確保最高的接收靈敏度;內(nèi)部有可充電電池，可以保存星歷數(shù)據(jù)，便于快速定位;標(biāo)準(zhǔn)的MMCX天線接口，便于連接GPS天線;標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183信號(hào)輸出;工作電壓低(3.3～5.0 V直流)，工作電流小(49 mA)，接收靈敏度為－159 dBm;TTL電平數(shù)據(jù)輸出，每秒一次GPS全數(shù)據(jù);支持多種串口通訊波特率，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為 4 800 bps。Leadtek 9548GPS電路圖如圖4。

圖4 Leadtek9548GPS電路圖

2.3 無(wú)線部分

無(wú)線傳輸部分以無(wú)線收發(fā)模塊NRF905為核心。該模塊使用433 M開放ISM頻段，最高工作速率50 kbps，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)，最大發(fā)射功率:+33 dBm，模塊在以最大功率發(fā)射信號(hào)時(shí)瞬間電流<=500 mA，TX Mode:在+33 dBm情況下，平均工作電流小于300 mA;RX Mode:12.5 mA。模塊在收發(fā)模式切換時(shí)間<1 ms，模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)，可直接接各種單片機(jī)使用，軟件編程非常方便。放置在開闊地?zé)o線通信距離可達(dá)2 000 m，如果配置高增益天線，則通信距離可以達(dá)到更遠(yuǎn)。由于該模塊發(fā)射功率較大，在不需要發(fā)送數(shù)據(jù)的情況下要切換到接收模式或者睡眠模式。

NRF905利用SPI接口與ATmega16L進(jìn)行通信，該模塊提供了9×2標(biāo)準(zhǔn)DIP間距接口，方便我們與單片機(jī)的連接，接口電路如圖5。

圖5 接口電路

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用三星公司的K9F3208存儲(chǔ)芯片，存儲(chǔ)容量4 MB，工作電壓(2.7～5.5 V)數(shù)據(jù)地址共用內(nèi)部總線，接口簡(jiǎn)單。

3 上位機(jī)PC端

上位機(jī)PC端接收數(shù)據(jù)有兩種方式，一是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS232串口，二是通過(guò)帶串口擴(kuò)展的NRF905收發(fā)模塊，只需要把該模塊的串口插頭直接插在PC機(jī)上供電，通過(guò)軟件設(shè)定收發(fā)模塊地址相匹配即可正常使用。軟件主要包括兩部分:一是校園電子地圖的制作，針對(duì)不同的學(xué)校需要制作不同的電子地圖。本設(shè)計(jì)在MapInfo軟件平臺(tái)上載入中北大學(xué)jpg格式的校園圖，并把實(shí)地采集的經(jīng)緯度信息錄入校園圖中從而完成電子圖的配準(zhǔn)。按照高校特點(diǎn)將電子地圖分為道路層、教學(xué)實(shí)驗(yàn)樓、學(xué)生公寓樓、教師公寓樓、商業(yè)服務(wù)建筑、文娛體育設(shè)施等圖層。運(yùn)行MapX下的Geoset Manager應(yīng)用程序，新建一個(gè)名為NUC的Geoset文件，將上述圖層添加進(jìn)去，組成一個(gè)后綴為gst的地圖文件:NUC.gst，通過(guò)MapX控件將校園地圖圖嵌入到系統(tǒng)界面中，從而完成電子地圖的繪制和顯示。上位機(jī)PC端用VB6.0編程［7，4］。

4 PC機(jī)通過(guò)串口提取數(shù)據(jù)流程圖

本設(shè)計(jì)中，巡更儀FLASH中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)主要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)RS232串行通信口向PC機(jī)傳送。PC機(jī)通過(guò)串口向巡更儀發(fā)送獲取數(shù)據(jù)請(qǐng)求，巡更儀CPU檢測(cè)到該請(qǐng)求后開始向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，流程圖如圖6。

圖6 PC機(jī)提取數(shù)據(jù)流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電子地圖的制作與控制、巡更儀對(duì)巡更人員位置數(shù)據(jù)的提取與處理。系統(tǒng)運(yùn)行后的界面如圖7。

圖7 系統(tǒng)運(yùn)行后的界面

6 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合現(xiàn)在電子巡更技術(shù)的發(fā)展，本文采用ATmega16L、Leadtek 9548GPS、NRF905、K9F3208，在VB 環(huán)境下結(jié)合MapInfo軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)了校園電子巡更系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，通信效率高，功耗低，適合應(yīng)用于小區(qū)電子巡更領(lǐng)域。

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