基于STC單片機與LabVIEW的教室智能無線安防報警系統(tǒng)

鐘志賢，劉 珺，包愛民，姜 維，繆 蕊

(昆明冶金高等?？茖W校網(wǎng)絡(luò)管理與信息化部，云南 昆明 650033)

0 引 言

隨著智慧校園的建設(shè)及教室智能化改造的發(fā)展，教室里的教學用電設(shè)備種類越來越多。教室教學設(shè)備被盜及電氣火災(zāi)時有發(fā)生，而目前教室的管理普遍還是人工粗放式管理，尤其是夜間教室無人的情況下,教室信息得不到及時反饋，安全管理存在隱患，故對教室環(huán)境信息、用電設(shè)備等進行實時監(jiān)控顯得極為重要。本文結(jié)合嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)及虛擬儀器等技術(shù)設(shè)計了一個簡單的教室智能無線安防報警系統(tǒng)，方便樓宇值班員對教室安防狀態(tài)進行監(jiān)控。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有靈活可變、動態(tài)節(jié)能等特性，在環(huán)境監(jiān)測及工業(yè)控制方面都得到了廣泛應(yīng)用。并且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與有線傳感網(wǎng)絡(luò)相比，具有安裝維護方便、成本低等優(yōu)勢[1]。通過在教學樓教室部署大量的無線傳感端節(jié)點(終端機)，以無線傳輸?shù)姆绞綐?gòu)建教室智能無線安防報警系統(tǒng)，是解決上述問題的較優(yōu)方案。CC1101是低成本的 1 GHz 以下的極低功耗無線收發(fā)器，普遍運用于家庭、樓宇自動化、工業(yè)監(jiān)視和控制、無線報警、安全系統(tǒng)等方面。CC1101模塊通過編程可在300～348 MHz、387～464 MHz、779～928 MHz 頻段工作，傳輸速率可在 1.2～500 k 之間，能很好地滿足系統(tǒng)的功能需求。CC1101是本身不帶MCU的純無線收發(fā)模塊，需要配合MCU使用，通過SPI接口進行控制。本文設(shè)計的主機、終端機MCU采用STC系列的單片機，通過SPI串行接口控制無線收發(fā)模塊CC1101進行無線通信。要實現(xiàn)對教室的統(tǒng)一監(jiān)控，還需要一個管理平臺對各教室終端機發(fā)來的信息進行集中分析處理和顯示，而LabVIEW是一種圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境。利用LabVIEW可以充分發(fā)揮計算機的功能，快速開發(fā)虛擬儀器。因此教室智能無線安防報警系統(tǒng)上位機程序利用LabVIEW開發(fā)是很好的選擇。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

教室智能無線安防報警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機為運行LabVIEW程序的PC機，主機負責與各教室終端機進行無線通信，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為“一主多從”式的星型結(jié)構(gòu)，終端機負責采集教室環(huán)境信息，并具備聲光報警功能。主機將采集到的各教室狀態(tài)信息通過RS232串行總線發(fā)送到上位機，上位機LabVIEW實現(xiàn)監(jiān)控顯示界面及相關(guān)報警信息的記錄。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主機硬件系統(tǒng)

主機硬件系統(tǒng)主要原理如圖2所示。系統(tǒng)主機MCU采用型號為STC12LE5A16S2的單片機(圖2，U6)，為增強型8051 CPU,1 T,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。工作電壓為2.2～3.6 V，F(xiàn)lash程序存儲器字節(jié) 16 k,1 280 字節(jié)片內(nèi)SRAM，44個通用I/O口，可設(shè)置成4種模式、共4個16位定時計數(shù)器，雙串口，8路10位精度ADC，2路PWM，外部中斷I/O口7路，能很好滿足系統(tǒng)需求[2]。

為方便報警信息的顯示及程序調(diào)試，主機設(shè)計了12232液晶接口(圖2，J2)。為節(jié)約成本，無線收發(fā)模塊采用以CC1101為核心本身不帶MCU的純粹的無線收發(fā)模塊，在 433 M 頻率下工作，與主機MCU通過SPI接口進行通信。CC1101功率可達 12 DBM，不需要PA也能傳輸約200～300 m，適合較遠距離的低速傳輸，若是靠得太近會因輸入飽和而收不到數(shù)據(jù)。單片機與CC1101無線收發(fā)模塊的接口電路如圖2，J3所示。電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX232ESE(圖2，U4),是將單片機串口輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換成PC機串口能接收的232電平。圖2，J9為主機與PC機串口連接的接口。

圖2 主機部分電路原理

2.2 終端機硬件系統(tǒng)

終端機硬件系統(tǒng)主要原理如圖3所示。系統(tǒng)終端機MCU采用成本較低的STC89C52RC單片機(圖3 ，IC1)，為增強型8051，指令代碼與傳統(tǒng)8051完全兼容，工作電壓為3.3～5.0 V，F(xiàn)lash程序存儲器字節(jié) 8 k, 512字節(jié)片內(nèi)SRAM，3個定時計數(shù)器，1個串口， 8個中斷源[2]。P0口為開漏輸出，作I/O口使用時需要加上拉電阻(圖3，R2)。

圖3 終端機部分電路原理

入侵信號開關(guān)采集電路如圖3,J5所示。J5為熱釋電紅外傳感器，工作電壓為 9 V，當有入侵時會輸出一個低電平，通過Data網(wǎng)絡(luò)標號與終端機單片機的 P 2.3 管腳相連。Bell為蜂鳴器，當報警發(fā)生時，通過終端機單片機P41管腳驅(qū)動發(fā)出報警聲音，同時報警狀態(tài)指示燈D1閃爍。教室溫度采集使用常用的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，電路如圖3,J2所示，其輸出的為數(shù)字信號，具有體積小、抗干擾強、精度高等特點，工作電壓為3.0～5.5 V(可數(shù)據(jù)線寄生電源供電)，測溫范圍-55～125 ℃，精度可達±0.5 ℃，適用于各種溫度測量系統(tǒng)[3]。圖3，J3為終端機單片機與CC1101無線收發(fā)模塊的接口電路，通過SPI進行控制。

3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方法，主要包括終端機程序設(shè)計、主機程序設(shè)計、上位機LabVIEW程序設(shè)計。

3.1 程序流程設(shè)計

系統(tǒng)采用星型無線組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，主機通過輪詢的方式向各教室終端機采集報警信息。各教室終端機單獨工作，互不影響。每個終端機均設(shè)置唯一標識地址碼，終端機通過自定義的通信協(xié)議接收主機下發(fā)的命令幀，若命令和自己的地址匹配則進行解析并執(zhí)行，完成與主機的數(shù)據(jù)交換任務(wù)。主機在輪詢完所有教室終端機報警信息后，通過串口向上位機LabVIEW發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)部分程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程

3.2 通信協(xié)議設(shè)計

由于設(shè)備數(shù)量較多，控制系統(tǒng)使用了上位機PC及不同系列的單片機處理器，且CC1101無線收發(fā)模塊不支持Zigbee協(xié)議棧，相對復(fù)雜；為更好地保證系統(tǒng)的擴展性，設(shè)備之間的通信協(xié)議需要進行設(shè)計，確保整個控制系統(tǒng)無差錯順暢運行。

協(xié)議設(shè)置固定幀頭2個字節(jié)、數(shù)據(jù)長度控制及校驗字段各1個字節(jié)，以確保數(shù)據(jù)完整準確地得到交換。協(xié)議幀使用0x55、0xaa作為字頭，目的是在進行和校驗時方便計算，同時也能更好和更有效地對數(shù)據(jù)進行區(qū)分。上位機、主機與終端機通信協(xié)議，接收和發(fā)送幀格式如表1所示[4]。

表1 接收和發(fā)送的幀格式

3.3 上位機LabVIEW程序設(shè)計

上位機監(jiān)控界面是在Windows系統(tǒng)下，使用基于圖形化編程語言的LabVIEW進行開發(fā)的，具有豐富的函數(shù)庫、編程快捷方便、人機界面良好、擴展維護方便、適用于各種控制領(lǐng)域等優(yōu)點[5]。軟件采用模塊化設(shè)計方法，主要包括：系統(tǒng)配置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等。系統(tǒng)配置模塊主要為串口參數(shù)及開關(guān)配置、報警房間數(shù)量、房號文件配置、文件存儲位置配置等。

上位機軟件的主要功能是從串口讀取主機發(fā)來的監(jiān)控數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行解析處理后顯示報警信息；若有報警信息將出現(xiàn)相應(yīng)界面聲光報警，同時自動生成.txt文本，保存在軟件安裝默認路徑下。管理人員可以通過監(jiān)控界面快速定位出現(xiàn)警情的教室，也可以手動撤防報警房間。軟件總體結(jié)構(gòu)及VI層次結(jié)構(gòu)框如圖5所示。

圖5 軟件總體結(jié)構(gòu)及VI層次結(jié)構(gòu)框

第1號房間報警子VI的前面板及程序框圖如圖6所示。程序通過接收主機發(fā)來的字符串信息，分析處理后提取火災(zāi)或者入侵的時間，顯示到相應(yīng)的文本框中。

圖6 房間報警子VI前面板及程序框

上位機LabVIEW前面板系統(tǒng)配置監(jiān)控界面設(shè)計如圖7所示。系統(tǒng)設(shè)計了18個房間的監(jiān)控顯示界面，若對應(yīng)教室出現(xiàn)警情，相應(yīng)房間監(jiān)控界面會出現(xiàn)報警指示信息，文本顯示框會顯示具體的房間號、具體的報警時間，報警界面的指示燈會閃爍，撤防按鈕變?yōu)榧t色，同時上位機PC發(fā)出報警聲音。若需要手動取消報警只需單擊撤防按鈕即可。

圖7 LabVIEW前面板界面設(shè)計

4 結(jié) 語

合理選用STC系列單片機、CC1101無線收發(fā)模塊和LabVIEW作為開發(fā)平臺進行教室智能無線安防報警系統(tǒng)的開發(fā)，能有效節(jié)約時間，節(jié)約成本。通過試驗測試，本教室智能無線安防報警系統(tǒng)性能穩(wěn)定，主機能快速完成一次輪詢測量，無線傳輸效率能完全滿足監(jiān)控需要，能及時向樓宇值班員提供監(jiān)控報警服務(wù)。目前系統(tǒng)只能實現(xiàn)對教室火警和有無人員入侵進行監(jiān)控報警，后續(xù)可在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加終端機其他傳感器，采集更多教室環(huán)境信息，進一步提升對教室的智能監(jiān)控管理。本系統(tǒng)的使用能有效減少教室管理人工巡查的時間成本，同時對智慧教室的建設(shè)起到積極作用，也能為類似系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。