校園事故定位報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐瑞華

（浙江郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院，浙江紹興312016）

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校園事故定位報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐瑞華

（浙江郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院，浙江紹興312016）

摘要：設(shè)計(jì)一種能夠讓學(xué)生在第一時(shí)間方便快捷地完成報(bào)警過程，并配合視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄事故過程的校園報(bào)警系統(tǒng)。闡述了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)所要完成的功能，提出了整體設(shè)計(jì)方案，對(duì)涉及的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了分析，并對(duì)定位報(bào)警系統(tǒng)的主機(jī)電路和子機(jī)電路進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：校園事故；報(bào)警；遠(yuǎn)距離傳輸；單片機(jī)

隨著教育事業(yè)的不斷發(fā)展，校園面積擴(kuò)大、布局分散、學(xué)生眾多、周邊環(huán)境復(fù)雜等已經(jīng)成為各級(jí)各類學(xué)校普遍存在的現(xiàn)象，傳統(tǒng)的人力巡查已經(jīng)不能滿足校園安全管理的需求，已有越來越多的學(xué)校開始引入校園安防系統(tǒng)來建設(shè)平安校園。

雖然安防系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控管理功能，對(duì)事件經(jīng)過的記錄也大大提高了事件處理的效率［1］，但目前絕大部分的安防系統(tǒng)無實(shí)時(shí)報(bào)警功能，惡性事件一旦發(fā)生，安防人員不能在第一時(shí)間趕到現(xiàn)場處理或控制事態(tài)發(fā)展，導(dǎo)致事件更加惡化。因此，要進(jìn)一步提高校園安全，必須完善現(xiàn)有安防系統(tǒng)，使之真正體現(xiàn)“防”的功能。本文設(shè)計(jì)了一種能在第一時(shí)間方便快捷地完成報(bào)警過程，并配合視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄事件過程的校園報(bào)警系統(tǒng)。

1系統(tǒng)技術(shù)要點(diǎn)分析

為體現(xiàn)“防”的功能，系統(tǒng)按如下要求設(shè)計(jì)：必須具備方便快捷的實(shí)時(shí)報(bào)警功能，惡性事件一旦發(fā)生，在場所有人員都能在第一時(shí)間發(fā)出報(bào)警信號(hào)；必須具有詳細(xì)報(bào)警地點(diǎn)顯示功能，安保室收到報(bào)警信號(hào)后，能立刻明確報(bào)警地點(diǎn)；具有語音通信功能，報(bào)警點(diǎn)和安保室之間能夠及時(shí)交換信息，方便安保室制定正確的處理方案；實(shí)時(shí)配合已有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，記錄事件發(fā)生整個(gè)過程，使安保室第一時(shí)間了解現(xiàn)場情況。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的技術(shù)方案可以確定如下：

（1）用單片機(jī)作為主控元件設(shè)計(jì)一個(gè)報(bào)警系統(tǒng)總機(jī)和若干報(bào)警系統(tǒng)分機(jī)。報(bào)警系統(tǒng)總機(jī)實(shí)時(shí)輪流監(jiān)測各分機(jī)的報(bào)警情況和工作情況，無報(bào)警信號(hào)時(shí)，總機(jī)顯示“NO PROBLEM”，一旦有報(bào)警信號(hào)傳來，總機(jī)立刻顯示詳細(xì)報(bào)警地點(diǎn)，如“1-201”，表示1號(hào)樓201室所在報(bào)警子機(jī)發(fā)出了報(bào)警信號(hào)，在顯示同時(shí)，拉響報(bào)警鈴聲，總機(jī)沒有作任何處理之前，報(bào)警鈴聲一直響，顯示也一直存在；當(dāng)按下總機(jī)的“應(yīng)答”按鈕后，報(bào)警鈴聲停止，但地址依然顯示，只有當(dāng)按下總機(jī)“復(fù)位”按鈕后，顯示器才回到初始狀態(tài)。

報(bào)警器分機(jī)分布在各個(gè)教室和宿舍，通過外露的按鈕接受報(bào)警，當(dāng)按鈕被按下的時(shí)候，向總機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并拉響本地警報(bào)鈴聲，在總機(jī)沒有回復(fù)“收到應(yīng)答”信號(hào)前，一直報(bào)警，一直發(fā)送報(bào)警信號(hào)。只有收到總機(jī)發(fā)來的“收到應(yīng)答”信號(hào)后，報(bào)警才停止。

（2）總機(jī)和子機(jī)之間實(shí)現(xiàn)語音通信。當(dāng)報(bào)警按鈕被按下，子機(jī)一方面向總機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)，還向總機(jī)發(fā)出語音通信請(qǐng)求。當(dāng)總機(jī)的“應(yīng)答”按鈕被按下后，本地報(bào)警鈴聲停止的同時(shí)語音通話打開。

（3）視頻監(jiān)控控制設(shè)計(jì)?？紤]到視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量比較大，且校園突發(fā)事件發(fā)生的概率相對(duì)較小，因此，視頻監(jiān)控在沒有報(bào)警的時(shí)候處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)分機(jī)接受報(bào)警后，相應(yīng)的視頻監(jiān)控被打開，視頻監(jiān)控的關(guān)閉功能在監(jiān)控室統(tǒng)一完成?？紤]到實(shí)際應(yīng)用時(shí)設(shè)備成本問題，在設(shè)計(jì)過程中采用臨近多個(gè)報(bào)警點(diǎn)共用一個(gè)視頻監(jiān)控的方法，即在視頻監(jiān)控范圍內(nèi)的幾個(gè)報(bào)警子機(jī)只要有任何一個(gè)報(bào)警，就會(huì)把視頻監(jiān)控打開。

（4）多子機(jī)同時(shí)段報(bào)警防干擾處理。在實(shí)際生活中，多子機(jī)被同時(shí)按下的幾率幾乎為0，但存在同一時(shí)段被按下的情況，因此系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中須考慮多子機(jī)同時(shí)段報(bào)警問題。為防止報(bào)警點(diǎn)之間相互干擾，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了優(yōu)先處理功能。當(dāng)有多個(gè)子機(jī)同時(shí)接收?qǐng)?bào)警信號(hào)的時(shí)候，主機(jī)只響應(yīng)最先報(bào)警的子機(jī)，只顯示最先報(bào)警的地點(diǎn)，只開啟最先報(bào)警點(diǎn)的語音通信及視頻監(jiān)控。只有當(dāng)主機(jī)復(fù)位按鈕被按下，才會(huì)接收其他子機(jī)的報(bào)警。

系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1報(bào)警系統(tǒng)框圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）主控器件選擇。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，控制器主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測各子機(jī)的報(bào)警信號(hào)；接收?qǐng)?bào)警信號(hào)；發(fā)出本地報(bào)警信號(hào)；控制報(bào)警子機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；接收?qǐng)?bào)警子機(jī)信息；顯示子機(jī)信息；查詢通話命令；關(guān)報(bào)警聲；等待復(fù)位及系統(tǒng)復(fù)位等功能。綜上，對(duì)于控制器的硬件資源要求不高，但系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)會(huì)比較復(fù)雜。因此，編程環(huán)境簡單，指令系統(tǒng)兼容性強(qiáng)是控制器選擇的首要條件。另外，由于系統(tǒng)需要長時(shí)間安裝在各個(gè)教室門口，且需要處于開啟狀態(tài)，因此，低功耗和低成本也是需要考慮的問題之一。綜合上述條件，選擇單片機(jī)作為系統(tǒng)主控元件。STC12C5608AD單片機(jī)是一款單時(shí)鐘/機(jī)器周期、高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代51系列單片機(jī)，其指令系統(tǒng)和51單片機(jī)完全兼容。與傳統(tǒng)51系列單片機(jī)相比，其速度快8至12倍，并且內(nèi)部集成了MAX810專用復(fù)位電路，4路PWM控制，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，符合設(shè)計(jì)要求，選定為本系統(tǒng)的主控元件。

（2）主機(jī)顯示電路設(shè)計(jì)。主機(jī)顯示電路主要完成報(bào)警子機(jī)地址的顯示功能，對(duì)于其最主要的要求為顯示穩(wěn)定、清晰、易于閱讀。本系統(tǒng)采用LED作為顯示器件，其驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2顯示電路

（3）主機(jī)報(bào)警電路設(shè)計(jì)。主機(jī)報(bào)警信號(hào)用于提示監(jiān)控人員或者主控室管理員及時(shí)發(fā)現(xiàn)報(bào)警，當(dāng)報(bào)警子機(jī)向主機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)后，主機(jī)接收到報(bào)警信號(hào)，在判斷報(bào)警無誤后一方面向子機(jī)發(fā)送“收到確認(rèn)信號(hào)”，另一方面啟動(dòng)主控室報(bào)警電路實(shí)施報(bào)警提示。考慮到主控資源問題，本系統(tǒng)選用WTV040典型電路作為報(bào)警電路，具體電路如圖3所示。

圖3報(bào)警電路

考慮到主子機(jī)之間報(bào)警信息傳送的可靠性問題，要求子機(jī)向主機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)后，主機(jī)必須有一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。如果子機(jī)沒有收到主機(jī)應(yīng)答，則子機(jī)要繼續(xù)發(fā)送報(bào)警數(shù)據(jù)。因此，為確認(rèn)主機(jī)已收到報(bào)警數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)有回應(yīng)系統(tǒng)，即子機(jī)的報(bào)警提示由主機(jī)發(fā)出。當(dāng)主機(jī)收到正確的報(bào)警數(shù)據(jù)后，立刻向?qū)?yīng)的報(bào)警子機(jī)發(fā)出“收到應(yīng)答信號(hào)”，并觸發(fā)本地報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警提示。子機(jī)收到主機(jī)傳回的“收到應(yīng)答信號(hào)”后，立刻啟動(dòng)子機(jī)報(bào)警電路，報(bào)警者聽到子機(jī)報(bào)警提示音就可以確認(rèn)報(bào)警已經(jīng)成功。圖3中，從AUDIO_L輸出分成了兩路，一路輸出到R20，經(jīng)過LM386音頻放大后直接送往本地?fù)P聲器，產(chǎn)生報(bào)警提示音；另一路輸出到R19，經(jīng)過LM386音頻放大后送往SP管腳，SP管腳和子機(jī)報(bào)警電路相連，當(dāng)子機(jī)報(bào)警電路接通后，主機(jī)的提示音就會(huì)在子機(jī)的揚(yáng)聲器中發(fā)出［2］。

另外，考慮到輸出信號(hào)的強(qiáng)度以及傳輸距離，系統(tǒng)做了提高增益的改動(dòng)，在1腳和8腳之間加了電容，其中電容C7為信號(hào)耦合電容，實(shí)現(xiàn)報(bào)警信號(hào)與后續(xù)電路的無縫對(duì)接。

（4）語音通信電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)考慮采用有線全雙工通信方式。語音通信的關(guān)鍵是濾波和放大。為提高通話質(zhì)量，選擇具有巴特沃斯響應(yīng)的二階RC有源濾波器作為設(shè)計(jì)方案。電壓控制電壓源電路是具有巴特沃斯響應(yīng)的二階RC有源濾波器的常用電路，其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于在報(bào)警通信電路中，已經(jīng)采用了LM386作為功率放大電路，因此，語音系統(tǒng)中同樣采用LM386作為功率放大電路。

另外，分機(jī)的語音通信電路設(shè)計(jì)有電子開關(guān)電路。當(dāng)主控室人員按下應(yīng)答按鈕后，向子機(jī)發(fā)出“應(yīng)答信號(hào)”，關(guān)閉本地報(bào)警。子機(jī)收到“應(yīng)答信號(hào)”后，開通子機(jī)語音通信電路，實(shí)現(xiàn)通話過程，開關(guān)電路如圖5所示。

圖4濾波電路

圖5電子開關(guān)電路

（5）主分機(jī)數(shù)據(jù)通信電路設(shè)計(jì)。主分機(jī)數(shù)據(jù)通信電路主要完成子機(jī)報(bào)警信號(hào)、主機(jī)“收到應(yīng)答信號(hào)”和主機(jī)“應(yīng)答信號(hào)”的發(fā)送，其中，子機(jī)報(bào)警信號(hào)包括樓層信息、具體房間地址和檢驗(yàn)碼等。

通信協(xié)議定義如下：當(dāng)子機(jī)接收?qǐng)?bào)警信號(hào)以后，打開視頻，同時(shí)通過數(shù)據(jù)線發(fā)出報(bào)警信號(hào)，進(jìn)入等待總機(jī)應(yīng)答信號(hào)階段；總機(jī)接收?qǐng)?bào)警信號(hào)后，向子機(jī)發(fā)送“收到應(yīng)答”信號(hào)，同時(shí)開啟控制室報(bào)警器，顯示地址；控制人員按下應(yīng)答信號(hào)，關(guān)閉控制室報(bào)警鈴聲，接通語音通信，子機(jī)收到應(yīng)答信號(hào)后關(guān)閉本地報(bào)警，開啟子機(jī)語音通信電路，并進(jìn)入接收總關(guān)閉信號(hào)。待事件處理結(jié)束以后，控制人員按下“復(fù)位”恢復(fù)原始狀態(tài)。

根據(jù)以上通信協(xié)議和要求，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信可采用無線和有線兩種形式。對(duì)于無線通信，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但其可靠性不是很好，抗干擾能力差，如果需要提高可靠性必定需要增加成本。對(duì)于有線通信，具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，但線路比較復(fù)雜等特點(diǎn)。綜合本系統(tǒng)的用途，側(cè)重考慮可靠性和抗干擾因素，因此選擇采用有線通信方式。

本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信主要是采用主從方式，且傳輸距離遠(yuǎn)近不一，考慮采用RS485傳輸數(shù)據(jù)，具體電路如圖6所示。

圖6數(shù)據(jù)通信電路

3系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)作為整個(gè)校園智能安保系統(tǒng)的補(bǔ)充設(shè)備，其分布方式與原智能安保系統(tǒng)（視頻監(jiān)控系統(tǒng)）一樣，采用主分機(jī)方式［3］。主機(jī)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主機(jī)一起安裝在主控室，分機(jī)安裝在教學(xué)樓的教室門口、辦公樓層、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心、體育館、圖書館、學(xué)生公寓樓的每個(gè)樓層、學(xué)生餐廳等，其中教學(xué)樓、實(shí)訓(xùn)中心和學(xué)生公寓樓安裝比較密集，每個(gè)或多個(gè)教室（教學(xué)單元）配備一個(gè)分機(jī)；體育館、餐廳、圖書館等以樓層為單位，根據(jù)實(shí)際情況分布。

在分布比較密集的教學(xué)樓、實(shí)訓(xùn)中心和公寓樓需要配備層主機(jī)和樓主機(jī)，工作時(shí)，報(bào)警分機(jī)向?qū)又鳈C(jī)報(bào)警，層主機(jī)將信號(hào)傳遞給樓主機(jī)，樓主機(jī)再將信息傳遞到監(jiān)控中心；在體育館、餐廳、圖書館等公共場所，需要配備樓主機(jī)，工作時(shí)，報(bào)警分機(jī)將信號(hào)傳遞給樓主機(jī)，樓主機(jī)再將報(bào)警信號(hào)傳遞給監(jiān)控中心。

在實(shí)際應(yīng)用中，雖然經(jīng)過了層主機(jī)和樓主機(jī)的中轉(zhuǎn)，但是信號(hào)傳送的協(xié)議和原理是一致的，在層主機(jī)將信號(hào)傳遞給樓主機(jī)時(shí)，層主機(jī)相當(dāng)于樓主機(jī)的分機(jī)，而樓主機(jī)向監(jiān)控中心傳遞信息的時(shí)候，樓主機(jī)相當(dāng)于監(jiān)控中心主機(jī)的分機(jī)。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的功能以及通信的要求，本系統(tǒng)自己定義了數(shù)據(jù)通信的相關(guān)協(xié)議，主要包括通信組網(wǎng)方式、通信接口方式、字符結(jié)構(gòu)和校驗(yàn)方式等。本系統(tǒng)采用在監(jiān)控室設(shè)主機(jī)，各樓層設(shè)立分機(jī)的多機(jī)聯(lián)動(dòng)組網(wǎng)方式。主機(jī)通過RS485接口連接各分機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送、控制等功能［4］。

在數(shù)據(jù)通信模塊，其主要包括子機(jī)報(bào)警信號(hào)傳遞給主機(jī)，主機(jī)查詢到報(bào)警信號(hào)后發(fā)送“收到應(yīng)答信號(hào)”，主機(jī)收到通話按鈕信號(hào)后向子機(jī)發(fā)送“通話開啟信號(hào)”，主機(jī)收到復(fù)位信號(hào)后向子機(jī)發(fā)送“復(fù)位信號(hào)”。根據(jù)信號(hào)特性，采用RS485接口，異步串行方式，為半雙工傳輸，傳輸速率設(shè)定為9 600 bps（此參數(shù)根據(jù)傳送距離可以調(diào)整）。

系統(tǒng)通信中主要涉及以下幾個(gè)信息：子機(jī)傳向主機(jī)的“報(bào)警信號(hào)”，主機(jī)傳向子機(jī)的“收到應(yīng)答信號(hào)”，主機(jī)傳向子機(jī)的“通話開啟信號(hào)”，主機(jī)傳向子機(jī)的“復(fù)位信號(hào)”。“報(bào)警信號(hào)”主要由起始位、報(bào)警點(diǎn)信息（分機(jī)編碼）、校驗(yàn)碼和結(jié)束位組成；“收到應(yīng)答信號(hào)”主要由起始位、報(bào)警點(diǎn)信息（分機(jī)編碼）、結(jié)束位組成；“通話開始信號(hào)”主要由起始位、開啟信息（分機(jī)編碼）、結(jié)束位組成；“復(fù)位信號(hào)”主要由起始位、復(fù)位信息（00H）、結(jié)束位組成。

在本通信協(xié)議中設(shè)定檢測到1個(gè)確認(rèn)的低電平則認(rèn)為有數(shù)據(jù)傳來，即起始位為“0”；設(shè)定檔信息和校驗(yàn)全部接受完成后收到1位高電平則認(rèn)為是停止接收，即停止位為“1”。分機(jī)編碼范圍從01H-FFH，總共可以表示255個(gè)分機(jī)，由于系統(tǒng)啟動(dòng)后，如果子機(jī)有報(bào)警，報(bào)警信號(hào)向主機(jī)發(fā)出后，子機(jī)就轉(zhuǎn)入等待“收到應(yīng)答信號(hào)”的程序，當(dāng)子機(jī)收到“收到應(yīng)答信號(hào)”后才轉(zhuǎn)入“等待通話信號(hào)”的子程序，因此報(bào)警點(diǎn)信息和開啟信息可以統(tǒng)一用分機(jī)編碼表示，而不會(huì)出現(xiàn)沖突。至于復(fù)位信號(hào)，由于系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，所有的子機(jī)同時(shí)在檢測或等待通信線路上的信號(hào)，只要檢測到00H，子機(jī)都會(huì)執(zhí)行一次復(fù)位程序，因此這里不需要提供分機(jī)編碼。

程序中校驗(yàn)信號(hào)是為防止信息出錯(cuò)設(shè)置的一種信息，通常有奇偶校驗(yàn)、CRC校驗(yàn)等［5］。為提高數(shù)據(jù)通信的可靠性，本系統(tǒng)采用CRC校驗(yàn)。

系統(tǒng)主機(jī)程序流程如圖7所示，子機(jī)程序流程如圖8所示。

圖7主機(jī)程序流程

圖8子機(jī)程序流程

5　結(jié)語

本文從當(dāng)前校園安保的現(xiàn)狀出發(fā)，分析了其優(yōu)點(diǎn)和存在的問題。針對(duì)存在問題，提出了在現(xiàn)有安保系統(tǒng)基礎(chǔ)上增設(shè)實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)的解決方案，可以使學(xué)生在突發(fā)事件發(fā)生過程中第一時(shí)間方便快捷地完成報(bào)警過程，校園報(bào)警系統(tǒng)能配合視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄事故過程，其優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)突發(fā)惡性事件發(fā)生時(shí)，每位在場人員都可以通過報(bào)警器向監(jiān)控中心發(fā)出報(bào)警信號(hào)和語音通信，監(jiān)控中心可以根據(jù)報(bào)警器所顯示的詳細(xì)事發(fā)地點(diǎn)，第一時(shí)間趕到現(xiàn)場，控制或消除惡性事件的發(fā)展。

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［5］拉帕波特.無線通信原理與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社, 1998.

【責(zé)任編輯：王桂珍foshanwgzh@163.com】

Design and implementation of the campus accident positioning alarm system

XURui- hua
（College of Continuous Education, Zhejiang Technical College of Posts &Telecom, Shaoxing312016, China）

Abstract:The main topic of design is to help students give the alarm conveniently for the first time, and record the accident process with the real- time video surveillance system. The paper first described the requirements and the functions of the system in detail, and then put forward the overall design process, analysized the technical key points. In the end, the specific design of the host positioning alarm system circuit and sub- circuit were given.

Keywords:campus accidents; alarm; long- distance transmission; microcontroller

文章編號(hào)：1008- 0171（2016）01- 0062- 06

作者簡介：徐瑞華（1982-），男，浙江諸暨人，浙江郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。

收稿日期：2015-01-14

中圖分類號(hào)：TP277.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A