基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的宿舍安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋耀華，王梅霞

（九江科技中專計(jì)算機(jī)系，江西 九江 332007）

0 引言

隨著工信部《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》的正式出臺(tái)，無疑物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)是目前國內(nèi)外各個(gè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于安防、電力、交通、物流、醫(yī)療和環(huán)保等領(lǐng)域[1]。

以ZigBee＋ARM9為核心的嵌入式校園安防系統(tǒng)，基于STM32單片機(jī)，利用熱釋電傳感器進(jìn)行人體檢測(cè)，煙霧檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)煙霧檢測(cè)，利用Zig-Bee技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。如有異常情況，可以馬上通知宿舍管理員或?qū)嬍页蓡T，實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生宿舍的安全監(jiān)控，縮短了對(duì)宿舍中突發(fā)事件的反應(yīng)時(shí)間，給平安校園增加保障。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的宿舍安防系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由宿舍管理員主監(jiān)控室與各個(gè)宿舍被監(jiān)控單元組成，通過ZigBee通信模塊組網(wǎng)通信?？紤]到主監(jiān)控室作為ZigBee主節(jié)點(diǎn)，CPU采用功能強(qiáng)大的S3C2440芯片，而從節(jié)點(diǎn)均采用價(jià)格低廉的STM32即可。通過STM32將各個(gè)信息的安防信息實(shí)時(shí)采集處理，經(jīng)過CC2430無線通信模塊與主節(jié)點(diǎn)通信，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控。當(dāng)有異常出現(xiàn)時(shí)，宿舍和監(jiān)控室的報(bào)警裝置會(huì)同時(shí)響起，只有管理員和本宿舍成員才可以解除報(bào)警狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[2]

宿舍安防系統(tǒng)硬件主要由2部分組成：主節(jié)點(diǎn)處理電路和從節(jié)點(diǎn)處理電路。包含以下電路：檢測(cè)模塊電路、ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件電路、通信模塊電路、顯示電路和報(bào)警模塊電路等。

2.1 從節(jié)點(diǎn)處理電路

從節(jié)點(diǎn)監(jiān)控子系統(tǒng)的硬件電路由單片機(jī)最小系統(tǒng)、各種傳感器檢查電路、聲光報(bào)警申路、CC2430收發(fā)模塊電路及電源電路等組成。

傳感器在此處主要起防火和防盜作用。防盜主要利用熱釋電紅外傳感器和對(duì)射光電傳感器組成。對(duì)射光電傳感器主要用來判斷人進(jìn)出宿舍情況，STM32利用對(duì)射光電傳感器的先后順序來判斷并計(jì)數(shù)；熱釋電紅外傳感器主要用來檢測(cè)人體，再通過物聯(lián)網(wǎng)上報(bào)監(jiān)控中心，并啟動(dòng)聲光報(bào)警器。

防火主要由煙霧傳感器組成，煙霧傳感器的內(nèi)部電阻是隨著煙霧濃度的變化而變化。在通電狀態(tài)下測(cè)得傳感器的內(nèi)阻為130kΩ左右，在煙霧較濃時(shí)內(nèi)阻為6kΩ左右。利用該特點(diǎn)將煙霧信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)再利用比較電路即可實(shí)現(xiàn)電平的翻轉(zhuǎn)，STM32利用該電平信號(hào)即可以判斷是否啟動(dòng)火警報(bào)警。

電流互感模塊，可將宿舍用電線路中的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)提供給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)宿舍用電量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于電流互感模塊輸出的電壓信號(hào)是模擬量，需要經(jīng)過STM32自帶的AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后才能輸入，當(dāng)STM32的監(jiān)測(cè)值超過設(shè)定的安全值時(shí)，先向相關(guān)宿舍發(fā)送告警提示信息，如無應(yīng)答，直接由監(jiān)控中心切斷該宿舍電源，從而避免更大的安全隱患。

2.2 CC2430節(jié)點(diǎn)電路

挪威半導(dǎo)體公司Chipcon推出的CC2430射頻芯片，是支持IEEE802.15.4／ZigBee協(xié)議并集成增強(qiáng)型8051內(nèi)核的芯片，適用于ZigBee或類似Zig-Bee的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)采用的收發(fā)頻率為2.4 GHz，其典型的硬件應(yīng)用電路如圖2所示[3]。

圖2 硬件應(yīng)用電路

在射頻電路部分使用了一個(gè)非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容C63和電感L1，L2，L3以及微波傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入、輸出匹配電阻（50 Ω）的要求。其內(nèi)部的T／R交換電路完成LNA和PA之間的交換。R221和R261為偏置電阻，電阻R221主要用來為32MHz的晶振提供一個(gè)合適的工作電流。32MHz的石英諧振器（X1）和2個(gè)電容（C191和C211）構(gòu)成高速時(shí)鐘電路。32.768kHz的石英晶體（Y5）與2個(gè)電容（C441和C431）構(gòu)成低速時(shí)鐘電路。同時(shí)S3C2440的SPI接口與CC2430模塊的P1.4，P1.5，P1.6相連，構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)通信接口。

2.3 GPRS模塊

GSM／GPRS模塊采用SIMCOM 公司的SIM300，SIM300提供了標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行接口，S 3C2440通過串口與之連接實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信，該模塊內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議棧，可以連接網(wǎng)絡(luò)。SIM300支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令集[3]，AT指令是專門用來控制調(diào)節(jié)調(diào)制器的指令集，當(dāng)S3C2440收到傳感器的信號(hào)判斷有異常時(shí)，通過SIM300向主人手機(jī)發(fā)送短消息[4-5]。S3C2440與SIM300的連接如圖3所示。

圖3 S3C2440與SIM300連接

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要有主節(jié)點(diǎn)程序控制和從節(jié)點(diǎn)程序控制。具體的程序流程圖如圖4、圖5所示。主節(jié)點(diǎn)移植了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μCOS-Ⅱ，系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、裁剪方便和源碼公開等優(yōu)點(diǎn)，且可實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的調(diào)度。

圖4 主節(jié)點(diǎn)程序流程

圖5 從節(jié)點(diǎn)程序流程

主節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)與各個(gè)宿舍之間的物聯(lián)網(wǎng)通信，采集各個(gè)宿舍的安全狀態(tài)信急，如出現(xiàn)各種預(yù)警，立即驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路提示管理員前去查詢維護(hù)。各種警情的采集與識(shí)別，則由從節(jié)點(diǎn)完成。

4 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的宿舍安防系統(tǒng)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將各個(gè)宿舍與管理員處組成一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，避免了煩瑣的布線，并利用多種傳感器及ARM技術(shù)，做到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，GPRS則為系統(tǒng)預(yù)防與報(bào)警提供了更為快捷的途徑?？梢灶A(yù)見，系統(tǒng)對(duì)于日趨提高的安防要求，對(duì)于校園安全建設(shè)具有重要意義。

[1]物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃[EB／OL].http：／／www.miit.gov.cn／.2012-02-14.

[2]Samsung Electronics S3C2440A32-bit RISC Microprocessor User’s Manual[Z].Revision 1Publication Number：21.2-S3-C2440-072004.2007.

[3]洗士明.ZigBee與GPRS融合組網(wǎng)技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2011.

[4]SIM300AT Commands Set，Version 1.03[EB／OL].http：／／www.sim.com，2005-11-08.

[5]SIM300Hardware Interface Description，Versin 1.05[EB／OL].http：／／www.sim.com，2005-11-22.