一種新的監(jiān)控告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 當(dāng)前監(jiān)控告警系統(tǒng)大都是根據(jù)用戶具體某一種應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)的，這限制了系統(tǒng)應(yīng)用擴(kuò)展性。針對這一問題，設(shè)計(jì)一種新的系統(tǒng)。系統(tǒng)中相應(yīng)的傳感器對監(jiān)控區(qū)域的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，然后發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)首先根據(jù)收到的各傳感器數(shù)據(jù)對當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行判斷并向告警裝置發(fā)送相應(yīng)工作指令，然后將接收到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給后臺計(jì)算機(jī)的應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域各項(xiàng)數(shù)據(jù)的可視化以及告警狀態(tài)的可視化。系統(tǒng)的特點(diǎn)是能夠根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境組合搭配啟用系統(tǒng)傳感器，因此應(yīng)用范圍得到極大擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞： 傳感器； 串行數(shù)據(jù)； 監(jiān)控告警系統(tǒng)； 門限值

中圖分類號： TN948.64?34； TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）10?0124?05

Design of a new monitoring and alarm system

YANG Yujie1，2， WANG Yali1，2， TAO You3

（1. College of Computer and Information Engineering， Henan Normal University， Xinxiang 453007， China；

2. Henan Engineering Lab of Intelligence Business Internet of Things Technology， Xinxiang 453007， China；

3. China North Communication Technology Co.， Ltd.， Xinxiang 453007， China）

Abstract： The current monitoring and alarm systems were mostly designed to meet the specific application requirement of the user， which limited the application scalability of the system. To solve this problem， a new system was designed. The corresponding sensor in the system is used to collect the information data of the monitoring area in real time， and sent the data to the single chip microcomputer （SCM） for processing. The SCM firstly judges the current environmental status according to the collected sensor data and sends the corresponding work instructions to the warning device， and then packs the received data and sends them to the application software of background computer to realize the visualization of the various data in monitored area and alarm status. The feature of the system is to combine and enable the sensor in the system according to the specific application environment， so its application range is expanded widely.

Keywords： sensor； serial data； monitoring and alarm system； threshold value

0 引 言

近年來，隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展以及人們生活中對監(jiān)控告警的應(yīng)用需求，促使監(jiān)控告警系統(tǒng)不斷朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。然而現(xiàn)有的監(jiān)控告警系統(tǒng)的監(jiān)控變量單一，無法同時(shí)監(jiān)控多種環(huán)境變量，而且系統(tǒng)往往是根據(jù)不同的監(jiān)控環(huán)境而設(shè)計(jì)的，因此會受到監(jiān)控環(huán)境的約束，從而影響整個系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。同時(shí)隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠進(jìn)行協(xié)同感知。在入侵活動發(fā)生時(shí)，前端傳感器節(jié)點(diǎn)能通過數(shù)據(jù)處理中心將報(bào)警信息傳輸至后臺監(jiān)控中心，后臺監(jiān)控中心對入侵行為進(jìn)行識別并執(zhí)行與之對應(yīng)的預(yù)警動作，實(shí)現(xiàn)全天候、全天時(shí)、實(shí)時(shí)主動地防護(hù)，這樣的系統(tǒng)將成為下一代監(jiān)控告警系統(tǒng)的發(fā)展方向。

為改善當(dāng)前監(jiān)控告警系統(tǒng)的應(yīng)用不足，以及適應(yīng)下一代監(jiān)控告警的發(fā)展方向，本文提出一種監(jiān)控告警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)是以多種傳感器為前端的信息采集裝置，以單片機(jī)為數(shù)據(jù)處理和控制中心，同時(shí)配有一套自主開發(fā)的后臺應(yīng)用軟件。前端的傳感器實(shí)時(shí)采集監(jiān)控環(huán)境的信息并將這些信息數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理分析，單片機(jī)將處理分析完畢后的數(shù)據(jù)打包轉(zhuǎn)發(fā)至后臺應(yīng)用軟件，后臺應(yīng)用軟件根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息對監(jiān)控區(qū)域狀態(tài)進(jìn)行識別并實(shí)現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域狀態(tài)可視化和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可視化。系統(tǒng)目前可同時(shí)接入7種不同的傳感器分別監(jiān)控7種不同的環(huán)境變量。這7種傳感器在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)不同的監(jiān)控需求而啟用，使得系統(tǒng)的應(yīng)用范圍得到極大的擴(kuò)展。開發(fā)的后臺應(yīng)用軟件能夠在后臺實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控區(qū)域的各項(xiàng)監(jiān)控信息，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信息數(shù)據(jù)和告警信息可視化以及對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)組成

圖1為該系統(tǒng)的組成圖。系統(tǒng)由傳感器、單片機(jī)、告警裝置和兩臺安裝有監(jiān)控告警系統(tǒng)應(yīng)用軟件的PC（Personal Computer）機(jī)組成。其中傳感器主要包含能夠采集溫度、濕度、煙霧濃度、人體紅外、聲音、振動、觸摸等信息的7種傳感器。告警裝置主要由正常狀態(tài)指示燈、告警狀態(tài)指示燈和一個蜂鳴器組成。單片機(jī)與7種不同的傳感器直接相連接以便于控制傳感器工作，PC機(jī)對單片機(jī)控制，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理控制，安裝后臺軟件的PC機(jī)可通過接入互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)端的安裝相同后臺軟件PC機(jī)的互聯(lián)互通，以此達(dá)到遠(yuǎn)程化控制的目的。

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)通過各傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)境信息數(shù)據(jù)并發(fā)送給單片機(jī)[1]。單片機(jī)首先根據(jù)收到的數(shù)據(jù)對監(jiān)控區(qū)域的環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行判定，當(dāng)某一個或幾個傳感器采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常或達(dá)到預(yù)先設(shè)定的門限值，單片機(jī)就向告警裝置發(fā)出告警指令，相應(yīng)的告警指示燈會發(fā)出告警信號。完成上述工作后，單片機(jī)將收到的各傳感器采集的環(huán)境信息數(shù)據(jù)統(tǒng)一打包并采用串行方式發(fā)送給PC機(jī)，PC機(jī)中的后臺應(yīng)用軟件根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷，同時(shí)控制工作界面會顯示當(dāng)前監(jiān)控環(huán)境的狀態(tài)信息。聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)會將環(huán)境狀態(tài)信息發(fā)送上網(wǎng)，便于進(jìn)一步的分析和使用。當(dāng)警報(bào)解除后，按動圖1中的控制按鍵可以關(guān)閉告警，并對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)首先要通過各種傳感器獲得環(huán)境信息數(shù)據(jù)，因此傳感器的靈敏度和準(zhǔn)確度直接影響整個系統(tǒng)的工作性能。為避免各傳感器之間的相互干擾及保證系統(tǒng)的靈活性，除了溫度和濕度集成在一個模塊中，其他各傳感器均為獨(dú)立模塊。為了方便系統(tǒng)的供電，各傳感器均采用5 V直流電源供電[2]。

2.1.1 溫濕度傳感器

系統(tǒng)中采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器[3]采集監(jiān)控區(qū)域的溫度及濕度信號。DHT11內(nèi)部由感濕器件、NTC（Negative Temperature Coefficient）測溫器件、集成單片機(jī)等原件組成，以串行方式輸出具有較高精準(zhǔn)度的信號數(shù)據(jù)。該傳感器的溫度量程范圍為：0～50 ℃，濕度量程范圍為：20%RH～90%RH，溫度分辨率為1 ℃，濕度分辨率為1%RH。溫度精度為±1 ℃，濕度精度為±4%RH。輸出的數(shù)據(jù)采用串行格式，在一個大約4 ms的通信周期內(nèi)傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)為40 b。數(shù)據(jù)具體格式如圖2所示，其中校驗(yàn)和數(shù)據(jù)為前4 B數(shù)據(jù)和的低8位。

DHT11只有在接收到單片機(jī)的使能信號并返回響應(yīng)信號建立通信鏈路連接后才進(jìn)行一次溫濕度采集， 并向單片機(jī)發(fā)送采集到的40 b的溫濕度數(shù)據(jù)。在未建立連接前，該傳感器不會工作[4]。當(dāng)單片機(jī)發(fā)出時(shí)間大于18 ms的低電平使能信號后表示一個通信周期的開始。使能信號結(jié)束后，DHT11發(fā)送80 μs低電平響應(yīng)信號，雙方正確讀取相應(yīng)信號后成功建立通信連接，單片機(jī)切換到輸入模式準(zhǔn)備讀取傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)。該過程相當(dāng)于外部處理器和傳感器之間的握手過程，如圖3所示。

2.1.2 人體紅外傳感器

人體紅外傳感器采用一種探測性能好、價(jià)格低廉的被動式紅外探測器PIR（Passive Infrared Sensor）[5]。工作原理是：凡是溫度在絕對0 ℃（-273 ℃）以上的物體都能夠產(chǎn)生熱輻射，而溫度在-273～1 725 ℃之間的物體產(chǎn)生的熱輻射光譜則在紅外光譜區(qū)，同時(shí)物體在不同溫度時(shí)的熱輻射波長也是不一樣的。一般人體的熱輻射紅外波長為3～50 μm，其中一般的波長分布在8～14 μm，而PIR恰好能夠感應(yīng)8～12 μm的紅外變化。PIR作為一種被動式紅外探測器，本身不發(fā)射任何信號只是被動接受來自環(huán)境的紅外輻射，通電后經(jīng)幾秒適應(yīng)環(huán)境輻射后，環(huán)境無人或動物移動時(shí)，PIR受到的紅外輻射是穩(wěn)定的，其輸出電信號也將保持穩(wěn)定。一旦有人或動物進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域，將會引起PIR輸出電信號發(fā)生突變。PIR的探測距離大約為10 m，能夠有效滿足整個系統(tǒng)的工作需求。

雖然PIR能夠在監(jiān)控環(huán)境中出現(xiàn)人體移動時(shí)輸出突變的電信號，但是由于該信號十分微弱，同時(shí)攜帶的噪聲較多，不能直接被識別。因此采用BISS0001芯片[6]對PIR輸出信號進(jìn)行濾波放大處理。當(dāng)探測到有人體進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域時(shí)，傳感器輸出高電平，觸發(fā)報(bào)警器工作。

2.1.3 振動傳感器電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的振動傳感器在感應(yīng)到監(jiān)控環(huán)境出現(xiàn)振動時(shí)輸出高電平，在未感應(yīng)到振動時(shí)持續(xù)輸出低電平。電路如圖6所示。

振動開關(guān)在無振動時(shí)處于斷開狀態(tài)，當(dāng)感應(yīng)到振動時(shí)將處于閉合狀態(tài)。所以當(dāng)監(jiān)控環(huán)境無振動時(shí)，振動傳感器斷路，電壓比較器U1A的反向輸入電壓[7]等于VCC。由于受到可調(diào)電位器R5的分壓，電壓比較器U1A的正向輸入電壓將小于VCC，即小于其反向輸入電壓。電壓比較器輸出為低電平0，發(fā)光二極管D2導(dǎo)通發(fā)光。二極管在此用來指示振動傳感器的工作狀態(tài)，亮表示振動傳感器未感應(yīng)到振動。當(dāng)監(jiān)控環(huán)境中出現(xiàn)振動時(shí)，振動傳感器導(dǎo)通，電壓比較器U1A的反向輸入端被斷路到地，正向輸入端電壓不變，所以此時(shí)電壓比較器U1A輸出為高電平，此時(shí)振動報(bào)警器報(bào)警。

2.1.4 聲音傳感器、煙霧傳感器

聲音傳感器和煙霧傳感器的電路及工作原理與振動傳感器基本一致。聲音傳感器在檢測到超出門限值的聲音后輸出低電平，此時(shí)聲音報(bào)警器報(bào)警。平時(shí)沒有問題時(shí)聲音傳感器將保持高電平輸出。在監(jiān)控環(huán)境無煙霧時(shí)，煙霧探頭處于長閉狀態(tài)，傳感器輸出高電平，當(dāng)監(jiān)控環(huán)境的煙霧濃度達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)煙霧探頭斷開，傳感器電路輸出低電平，這時(shí)煙霧報(bào)警器被觸發(fā)將進(jìn)行報(bào)警。

2.1.5 觸摸壓力傳感器電路設(shè)計(jì)

該傳感器是一個基于觸摸檢測集成芯片（TTP223B）的電容式點(diǎn)動型觸摸檢測傳感器。當(dāng)用手指觸摸相應(yīng)位置時(shí)，會使得觸摸感應(yīng)區(qū)域的電容發(fā)生改變，使得觸摸檢測芯片的輸出發(fā)生改變，最終使得傳感器輸出高電平。

2.2 控制按鍵電路設(shè)計(jì)

為了降低系統(tǒng)誤告警的影響，同時(shí)也為了保證告警處理后該系統(tǒng)能夠恢復(fù)正常工作，設(shè)計(jì)了控制按鍵電路。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生告警后，通過觸發(fā)控制按鍵控制單片機(jī)解除告警，恢復(fù)正常監(jiān)控狀態(tài)?？刂瓢存I是一個簡單的與地相連的開關(guān)電路，按鍵按下電路接通到地，觸發(fā)低電平，解除警報(bào)。

2.3 告警裝置

系統(tǒng)中的告警電路主要發(fā)光二極管和蜂鳴器組成，其電路如圖7所示。

電路中的D1為綠色發(fā)光二極管，在整個監(jiān)控系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，電路工作正常且無任何告警產(chǎn)生時(shí)，該二極管導(dǎo)通，指示整個系統(tǒng)工作正常無告警產(chǎn)生。當(dāng)單片機(jī)根據(jù)接收的傳感器信號判定有告警產(chǎn)生時(shí)，單片機(jī)會發(fā)出告警控制指令，使得紅色發(fā)光二極管D2按照一定頻率閃爍，蜂鳴器發(fā)出告警聲音，同時(shí)D1截止。

2.4 單片機(jī)

系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和控制中心。時(shí)鐘晶振采用11.059 2 MHz的外部晶振。為了便于實(shí)際操作中的調(diào)試，為系統(tǒng)的單片機(jī)配置外部復(fù)位電路。復(fù)位電路既有高電平復(fù)位又有低電平復(fù)位，能夠與大部分芯片匹配，能夠有效提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性。單片機(jī)和計(jì)算機(jī)的通信以及自身供電均通過與計(jì)算機(jī)連接的USB（Universal Serial Bus）端口，通信標(biāo)準(zhǔn)采用RS 232串行通信標(biāo)準(zhǔn)[8]。

3 后臺應(yīng)用軟件開發(fā)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控區(qū)域各項(xiàng)數(shù)據(jù)的可視化以及后臺遠(yuǎn)程告警，系統(tǒng)配套自主開發(fā)的后臺應(yīng)用軟件。軟件是基于Microsoft Visual Basic 6.0開發(fā)環(huán)境所開發(fā)出的一個簡單應(yīng)用軟件[9]。該軟件主要由登錄界面和工作界面組成。登錄界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件登錄界面

工作界面如圖9所示。

工作界面可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)間、各監(jiān)控指標(biāo)的狀態(tài)、串口接收的數(shù)據(jù)、溫濕度的實(shí)時(shí)數(shù)值和趨勢圖[10]。當(dāng)出現(xiàn)告警時(shí)，應(yīng)用軟件通過分析收到的數(shù)據(jù)來判斷告警是由哪一種傳感器所觸發(fā)，對應(yīng)界面中的傳感器狀態(tài)會轉(zhuǎn)換為告警狀態(tài)。告警狀態(tài)下，傳感器指示燈會呈現(xiàn)紅色，狀態(tài)提示框也會出現(xiàn)“告警??！”字符。特別是溫濕度出現(xiàn)告警時(shí)，其數(shù)值顯示區(qū)域的背景顏色也將變?yōu)榧t色。為便于識別溫濕度的告警門限值，在溫濕度趨勢圖中特別標(biāo)出所設(shè)定的門限值的刻度線。

后臺的應(yīng)用軟件不僅能夠?qū)崿F(xiàn)后臺告警和各項(xiàng)數(shù)據(jù)可視化，也能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。安裝此后臺軟件的多臺計(jì)算機(jī)可通過現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的共享和對監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)同管理。在實(shí)際工作中可以根據(jù)監(jiān)控區(qū)域的實(shí)際需求來組合啟用傳感器，例如對于普通家庭的應(yīng)用需求可以組合選擇該系統(tǒng)中的溫濕度傳感器、煙霧傳感器和紅外傳感器，以達(dá)到防火、防盜的目的。應(yīng)用于博物館展臺時(shí)可以組合選擇該系統(tǒng)中的振動傳感器和觸摸傳感器，以保護(hù)展品。通過后臺應(yīng)用軟件，在上述應(yīng)用實(shí)例中均可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和信息共享。

后臺軟件登錄界面部分源代碼如下。這部分代碼主要實(shí)現(xiàn)登錄界面的搭建和對登錄用戶身份的驗(yàn)證。

Private Sub Form_QueryUnload（Cancel As Integer， UnloadMode As Integer）

If MsgBox（\"您確定要退出系統(tǒng)？\"， vbYesNo， \"警告！\"） = vbYes Then

unloadmod = True

Else

Cancel = True

End If

End Sub

Private Sub 登錄_Click（）

Dim ues As String

Dim psw As String

use = 用戶名.Text

psw = 密碼.Text

If （use = \"admin\" And psw = \"123456\"） Or （use = \"taoyou\" And psw = \"123456\"） Then

Load Form2

Form2.Show

Form1.Hide

Else

提示.Caption = \"登錄失?。≌堉匦螺斎牖蚵?lián)系管理員。\"

End If

End Sub

Private Sub 退出_Click（）

Unload Me

End Sub

后臺軟件工作界面部分源代碼，這部分代碼主要實(shí)現(xiàn)在工作界面實(shí)時(shí)更新顯示時(shí)間、各項(xiàng)監(jiān)控傳感器的工作狀態(tài)，接收監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、繪制溫濕度趨勢圖的功能：

Private Sub Timer1_Timer（）

Label14.Caption = Now ′實(shí)時(shí)顯示時(shí)間

End Sub

Private Sub 打開串口_Click（）

On Error GoTo uer

MSComm1.CommPort = Cb1.ListIndex + 1

MSComm1.PortOpen = True

Shape1.FillColor = vbGreen

Exit Sub

uer：

MsgBox \"端口無效\"， vbOKOnly， \"提示\"

End Sub

Private Sub 關(guān)閉監(jiān)控_Click（）

指示燈1.FillColor = H808080

指示燈2.FillColor = H808080

指示燈3.FillColor = H808080

指示燈4.FillColor = H808080

指示燈5.FillColor = H808080

指示燈6.FillColor = H808080

指示燈7.FillColor = H808080

Timer1.Enabled = False ′定時(shí)器關(guān)閉

MSComm1.RThreshold = 0 ′串口收關(guān)閉

Label14.Caption = \"系統(tǒng)已關(guān)閉\"

Text9.BackColor = H808080

Text8.BackColor = H808080

Text9.Text = \" \"

Text8.Text = \" \"

End Sub

Private Sub 關(guān)閉串口_Click（）

If MSComm1.PortOpen = True Then

MSComm1.PortOpen = False

Shape1.FillColor = HC0C0C0

End If

End Sub

Private Sub 開啟監(jiān)控_Click（）

指示燈1.FillColor = HFF00

指示燈2.FillColor = HFF00

指示燈3.FillColor = HFF00

指示燈4.FillColor = HFF00

指示燈5.FillColor = HFF00

指示燈6.FillColor = HFF00

指示燈7.FillColor = HFF00

Pic1.Cls ′溫度

Pic1.Line （0， 0）?（200， 0）， vbBlue ′畫中線

Pic1.Line （0， 50）?（200， 50）， vbRed ′畫告警線

Pic2.Cls ′濕度

Pic2.Line （0， 0）?（200， 0）， vbBlue ′畫中線

Pic2.Line （0， 70）?（200， 70）， vbRed ′畫告警線

Me.Timer1.Interval = 50 ′定時(shí)器間隔

Me.Timer1.Enabled = True ′定時(shí)器使能

MSComm1.InputLen = 1

MSComm1.RThreshold = 1 ′串口接收計(jì)算設(shè)置

End Sub

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種新型的監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)基于單片機(jī)，裝載各種不同的傳感器，并與計(jì)算機(jī)相連接。設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)軟件對環(huán)境條件進(jìn)行監(jiān)控同時(shí)控制系統(tǒng)，根據(jù)不同的環(huán)境需求啟用相應(yīng)的傳感器，以達(dá)到能在多種不同場景下使用的目的。同時(shí)，若將軟件安裝于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，更可以實(shí)現(xiàn)控制的遠(yuǎn)程化和網(wǎng)絡(luò)化，具有應(yīng)用范圍廣泛、監(jiān)控內(nèi)容多樣、數(shù)據(jù)可視、可遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)，符合新一代基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控告警的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

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