宿舍智能防火防盗报警系统

摘要：文中提出了一种宿舍智能防火防盗报警系统的设计。系统中，监测点子系统以AT89S52为控制核心，辅以各种传感器，对学生宿舍的安全信息进行采集，如有警情通过无线通信模块传送至监控中心，自动提示值班人员前去处理，实现了对学生宿舍的安全管理。
关键词：学生宿舍；报警系统；无线通信模块

0 引言
    近年来，随着各高校规模的扩大，在校生的数目飞速增长，学生宿舍的不安定因素也越来越多。由于同学们安全意识不强，盗窃、火灾等危害学生财产和生命安全事件的发生概率也在增长，给各高校的平安校园建设带来一定困难。为此，在计算机技术、电子信息技术和无线通信技术的基础上，文中提出了宿舍智能防火防盗报警系统的设计。该系统可以对学生宿舍内部中的盗窃、火灾和违章用电等不安全因素进行监控，如有警情可迅速告知宿舍管理人员前去处理，实现了对学生宿舍的安全监控，缩短了对宿舍中突发事件的反应时间，给高校学生的平安求学带来了保障。

1 系统总体设计
    系统总体结构框图如图1所示。

    由图1可见，系统由监测点子系统和监控中心系统组成，监控点通过各种传感器采集宿舍安全信息，并通过无线通信模块传送到监控中心的上位机。如有危害宿舍安全的信息，上位机会驱动声光报警电路提醒值班员前去处理。
    监测点的结构框图如图2所示。监测点处以AT89S52为控制核心，红外传感器检测宿舍内异常人员的入侵信息，即盗警；烟雾传感器采集烟雾信息，即火警；光电开关可以检测宿舍内部的人数，当宿舍无人时，提示锁门；电流互感模块实现对宿舍用电情况的检测，一旦用电超出安全标准自动断电；紧急报警用于宿舍发生紧急情况时，做紧急呼救使用；监测点子系统可通过键盘电路和LCD屏实现宿舍状态信息查询和布防、撤防操作；声光报警电路在宿舍出现警情时被用作提示信息。

2 系统的硬件设计
2．1 监测点子系统硬件设计
    监测点子系统的硬件电路可由单片机最小系统、各种传感器及其信号处理电路、键盘及显示电路、声光报警电路、无线通信模块电路及电源电路等组成。
    为了防止断电情况，影响系统工作，监测点子系统的电源除采用交流供电外，还添加了蓄电池供电的方式。市电供电时，将220V的交流电经过220V～9V的变压，再将输出的电压经过直流整流与滤波处理，最终通过7805稳压模块获得5V的电压。市电断电时，由蓄电池供电，可直接将9V的蓄电池经7805稳压便可得到5V的电压。
    人体的检测是利用了红外传感器对于人体所发射的红外线具有感应的特性。文中在宿舍的顶部、门内分别装有一红外传感器。适当调节其测量距离和感应角度，保证顶部的传感器监测范围能够覆盖整个宿舍。一旦人的活动进入其测量范围，红外传感器接收到红外信号，就会自动将输出端信号的电平变高，AT89S52可以通过检测红外传感器电平的变化来识别宿舍内是否有人员入侵，如有，上报监控中心的通知，启动宿舍内部的声光报警器。
    烟雾传感器是用来探测室内气体中的烟雾的，在系统中，用于火灾报警。火灾的起火过程一般情况下伴有烟、热、光三种燃烧产物。在火灾初期，由于温度较低，物质多处于阴燃阶段，所以产生大量烟雾。烟雾是早期火灾的重要特征之一，感烟式火灾探测器就是利用这种特征而开发的，能够对可见的或不可见的烟雾粒子响应的火灾探测器。文中将烟雾传感器置于宿舍顶部，如有烟雾可以引发传感器输出电流、电压的变化，经处理电路转变为电平信号输入单片机实现火灾的检测与报警。
    为了实现对宿舍内人员的统计，在门框的内外两侧安装了两个光电开关，外侧的为光电开关1，内侧的为光电开关2。若先经过光电开关1再经过光电开关2，则定义为进门；反之，则定义为出门，进门次数与出门次数之差即为宿舍内的实际人数。当人数值为零时，蜂鸣器提示锁门。
    电流互感模块，可将宿舍用电线路中的电流信号转变成电压信号提供给单片机，实现对宿舍用电量的实时监测。文中采用LEM公司的LTS  25-NP，可将宿舍的用电线路中的电流信号转变为0-5V的电压，LTS25-NP电流互感模块输出的电压信号不能直接输入单片机，需经ADC0832转换成数字信号后才能输入，当单片机的监测值超过设定的安全值时，先向相关宿舍发送告警提示信息，如无应答，直接切断该宿舍电源。
    如果宿舍内发生紧急事件，宿舍人员无法及时处理，可以通过紧急报警模块实现向友邻宿舍或者监控中心呼叫求助，安全方便。
    键盘电路采用4×4键盘，可以实现查询信息、密码输入与验证、宿舍安全的设防与撤防。为了节省资源，LCD显示采用1 602液晶显示器。
    无线通信模块采用Nordic公司的无线数字传输芯片nRF2401。nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2．4GHz ISM频段，支持多点间通信，最高传输速率超过1Mbps。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置，芯片能耗非常低，以-5dB的功率发射时，工作电流只有10．5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便，Duo Ceiver TM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频的数据，只需少量外围元件便可组成射频收发电路，nRF2401没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。
    nRF2401有四种工作模式，即收发模式、配置模式、待机模式、关机模式。其模式的选择由nRF2401的PWR UP、CE和CS三个引脚控制。三个引脚与工作模式之间的关系如表1所示。

    主控芯片AT89S52与nRF2401的信号连接图如图3所示。AT89S52通过改变PWR UP、CE和CS三个引脚的状态选择合适的工作方式，通过CLK1和DATA发送或者读取数据，DR1引脚是一个状态引脚，它的状态表示nRF2401是否已经接收到数据。当nRF2401没有接收到数据时，DR1引脚输出低电平，收到数据时跳变为高电平，直到单片机将其接收缓存中的数据读走后，才会恢复为低电平。此引脚信号可以作为通知单片机取数据或者发送数据的信号。

2．2 监控中心电路设计
    监控中心主要由上位机(PC机)、单片机、无线通信模块和声光报警电路组成。其电路连接图如图4所示。由图可见，无线通信模块nRF2401由单片机AT89S52控制，通过串行口与上位机的串口连接。由于AT89S52采用的TTL／CMOS电平，而PC机串口采用的是RS-232C标准的EIA电平，两者不兼容，因此在AT89S52与上位机串口间需加MAX232实现电平转换，才能正常通信。

3 系统的软件设计
    系统中，上位机中通过VB语言编写程序，负责与通信处理模块中的AT89S52单片机通信，采集各个宿舍的安全状态信息，如出现危害宿舍人员安全的信息出现，立即驱动报警电路提示值班员前去查询维护。各种警情的采集与识别，交由监测点子系统完成。其中，宿舍用电量的监测与控制也交与监测点子系统完成。这里，主要介绍一下无线通信模块的软件设计。
    nRF2401具有四种工作模式，其收发模式中有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种，由配置字选择。系统中，选择ShockBurstTM收发模式，在这种模式下，nRF2401自动处理字头和CRC校验码。发送数据时，自动加上字头和CRC校验码，数据发送完成后数据准备好引脚通知单片机数据已发送完毕；接收数据时，先监测地址，地址不正确不接收数据，并自动将接收到数据的字头和CRC校验码去掉。监测点子系统中，有数据需要发送时，将nRF2401置为发送状态，监控中心的nRF2401接收数据前置为接收模式。监测点子系统的数据发送程序流程图如图5所示，监控中心数据接收程序流程如图6所示。

4 总结
    本系统结构简单，可靠性高，由于采用nRF2401传输数据，将多个分散的宿舍信息集中到监控中心统一处理，实现了对学生宿舍监控的无线组网，免除了有线组网重新布线的问题，使整个系统安装方便，便于维护。宿舍智能防火防盗系统的实现，加强了学生宿舍生活的安全性，给广大在校学生平安接受教育提供了保障。