基于GSM和ZigBee的实验室安防系统的设计

摘要：文中介绍了一种基于GSM和ZigBee的实验室监控系统。该系统采用32位ARM单片机LPC2138作为控制器，通过各种传感器对实验室的环境参量进行采集，如有告警信息，通过ZigBee无线网络传送至监控中心，由值班人员处理，或者由GSM模块以短信息的形式通知实验室管理员前去处理，该系统能够实现对实验室安全的实时监控和无人值守。
关键词：GSM；ZigBee；实验室安防

0 引言
    文中介绍了一种基于GSM和ZigBee无线网络技术的高校实验室安防系统。该系统通过各种传感器采集实验室的环境信息，并通过室内的LCD显示出来。如有危害实验室安全的告警信息，可通过ZigBee无线传感网络传送至监控中心，提示监控中心值班员处理或通过GSM通信模块以短消息的形式通知实验室管理员处理，实现对高校实验室安全的实时监控和管理，也可实现实验室监控的无人值守。

1 系统总体设计
    系统由监控中心子系统和实验室子系统组成。系统总体结构如图1所示。

    监控中心子系统中，主控制器LPC2138通过各种传感器采集实验室的环境信息和安全信息，然后将采集到的信息进行处理和识别，温度、湿度等环境信息和危害实验室安全的警情信息在LCD上显示出来，如有警情根据实际情况开启声光报警器，然后将警情信息通过ZigBee模块送往监控中心的同时存储备案。用户可以通过键盘和LCD查询实验室的当前状态、历史报警信息，也可进行实验室的布防和撤防设置。
    监控中心子系统由ZigBee模块、键盘、LCD显示、GSM模块和声光报警电路组成。监控中心子系统可根据不同情况设为值班工作模式和无人值守工作模式两种工作模式，可以通过键盘电路和LCD选择设定。在值班工作模式下，ZigBee模块接收到来自实验室子系统发送来的警情信息后，启动声光报警电路提示值班员查询警情信息并前去处理和维护；而在无人值守工作模式下，ZigBee模块接收到来自实验室子系统发送来警情信息后，如在白天，系统通过GSM模块发送警情短消息给实验室管理员，通知其前去维护；如在晚上，系统则发送短消息给安保处夜间值班室，通知前去巡查。无论监控中心子系统工作在哪种工作模式下，接收到的警情信息会按照报警时间、实验室房间号和警情种类保存起来，以供日后查询，存储警情的存储器存满后，可以进行覆盖存储，也可以由值班人员通过键盘和LCD手动清空存储器。

2 系统硬件设计
2．1 实验室子系统硬件设计
    实验室子系统采用菲利普公司的ARM微处理器LPC2138作为主控芯片。LPC2138微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16／32位ARM7TDMI-S CPU，多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C总线(400 kbit／s)、SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP。多个32位定时器、2个10位8路的ADC、1个10位DAC、PWM通道、47个GPIO以及多达9个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于控制系统。
    环境信息和安全信息的采集主要通过各种传感器。其中，温度传感器和湿度传感器采用集成器件，直接读取相应数值即可。
    红外传感器用于探测实验室内部人员异常入侵，文中采用热释电红外传感器P2288，其输出信号处理电路如图(2)所示。BIS0001为红外信号处理芯片，如在监控区域有人员活动，P2288就会输出电信号，经BIS0001处理后产生相应电平变化，LPC2138通过检测D0端的电平变化就可以判断是否有人员异常入侵，这是防止实验室设备被盗的有效检测手段。

    烟雾传感器用于火灾的报警，文中采用QM-N5烟雾传感器，其输出信号处理电路如图3所示。没有发生火灾的情况下，周边环境温度下，热敏电阻NTC503D的阻值是比较大的，分压原理可知，可变电阻RP2分得的电压就比较小。对比之下，参考电压U2>U3，输出为低电平。一旦有火灾发生的情况下，周边环境温度相应地升高， 空气中充满一定浓度的烟雾，热敏电阻和烟雾传感器的阻值都快速降低，可变电阻RP1，RP2相应的电压都增大，结果导致U3>U2，输出为高电平。通过检测D1端电平变化可以实现检测火灾的目的。当入侵者破窗而入时，玻璃破碎传感器受到机械振动，会给出一个信号，这信号经放大、处理后可用于报警。此传感器可与门磁、窗磁一起作为盗警的参考报警信号。

    ZigBee模块采用Chipeon公司推出的首款符合2．4GHzIEEE 802．15．4标准的单片射频收发芯片CC2420，能够进行鲁棒的无线通信，能够确保在短距离通信中的有效性和可靠性。它内置一个数字直接序列扩频调制解调模块，提供扩频增益9dB。CC2420具有超低的电流消耗(RX-18．8mA；TX-17．4mA)，高接收灵敏度(-95dBm)，抗邻频道干扰能力强(39dB)，并且CC2420为包处理、数据缓冲、突发通信、数据加密、数据验证、空闲信道评估、链路质量指示和包定时信息等提供了强有力的硬件支持。这些硬件支持减轻了主控制器的负担，使得它能够使用低成本的微控制器。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网。LPC2138通过SPI总线接口和控制信号线与CC2420射频收发器进行通讯并控制射频芯片的运行状态。SPI总线支持全双工数据传输，可以同时发送和接收数据，其中微处理器充当SPI主设备而CC2420收发器充当从设备。
2．2 监控中心子系统硬件设计
    监控中心子系统也采用LPC2138作为主控制器，采用ZigBee模块与实验室子系统通信。
    键盘与LCD查看警情信息和选择工作模式，为了方便实现功能，键盘电路采用4×4矩阵键盘，其电路原理图如图4所示。键盘包括16个按键，即0～9十个数字键和六个功能键。系统采用扫描法，实现各按键的确认。通过软件消除抖动保证读键正确。

    LPC2138内部有一个512kB的Flash存储器，可定义一部分空间作为警情存储器，将各实验室子系统的报警信息存储起来备案，存满时自动从低地址开始覆盖。
    GSM通信模块采用西门子公司的TC35。TC35是Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块，可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务和传真。TC35通过异步串行口与LPC2138相连接。

3 系统软件设计
    系统软件设计时，采用模块化设计，在ADS1．2集成编译环境下，用C语言编写而成。
3．1 实验室子系统的软件设计
    实验室子系统的软件流程图如图5所示。

    程序分为主程序和声光报警、ZigBee发送数据、LCD显示、键盘操作四个子程序，前三个子程序被主程序主动调用，键盘操作则采用中断模式。主程序对红外传感器信号和烟雾传感器的处理也采用中断模式，中断优先级高于键盘操作中断，对于其他传感器信号采取轮询采集，并调用LCD显示子程序将环境信息在LCD屏上显示。键盘操作可进行系统查询和安防设置两部分的功能，查询模式主要查询系统的当前状态和历史告警信息；安防设置包括布防、撤防和安防等级等的设定，其中安防等级根据学校教学工作的需要设置了三种等级，正常教学日程为最低级别，周末与小假期为第二等级，寒暑假等较长假期可选择最高等级即第三级。
3．2 监控中心子系统软件设计
    监控中心子系统程序主要完成警情信息读取、存储和通知等工作，也可通过键盘与LCD查看系统状态与历史告警信息和设置系统工作模式。在无人值守工作模式下，需要GSM模块发送告警短消息。TC35支持PDU消息模式，根据系统的通信协议，信息的发送是以发送数据帧为主要方式，一个完整的数据帧包括起始标志单元、命令单元、CRC校验单元、结束标志单元等四部分。一个数据帧能够包含140个字节(70个汉字)的数据量，中文字符按照UNICODE进行编码。发送数据时其格式为：服务中心地址／PDU类型／接收主地址／协议识别码／数据译码方案／有效周期／用户数据长度／用户数据；在软件设计时根据PDU据格式编写相应的AT命令，即可实现短信息的收发。

4 总结
    本系统通过各种传感器实现了对实验室环境信息和安全信息的采集与处理，能及时发现警情以便于快速排除，对实验室进行维护。本系统由于利用ZigBee无线通信模块，实现了各实验室子系统与监控中心子系统的无线组网，不仅避免了有线组网重新布线的麻烦，而且易于实现系统的模块化，安装维护方便。本系统实现了高校实验室集成化、智能化、网络化监控，节约人力资源，提高了高校实验室安全运转的可靠性，使实验室平稳发挥自身职能。