文中介紹了一種基于GSM和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高校實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng),。該系統(tǒng)通過各種傳感器采集實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境信息,，并通過室內(nèi)的LCD顯示出來。如有危害實(shí)驗(yàn)室安全的告警信息,，可通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)控中心,，提示監(jiān)控中心值班員處理或通過GSM通信模塊以短消息的形式通知實(shí)驗(yàn)室管理員處理，實(shí)現(xiàn)對高校實(shí)驗(yàn)室安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理,，也可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控的無人值守,。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)由監(jiān)控中心子系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
監(jiān)控中心子系統(tǒng)中,，主控制器LPC2138通過各種傳感器采集實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境信息和安全信息,，然后將采集到的信息進(jìn)行處理和識別，溫度,、濕度等環(huán)境信息和危害實(shí)驗(yàn)室安全的警情信息在LCD上顯示出來,，如有警情根據(jù)實(shí)際情況開啟聲光報(bào)警器，然后將警情信息通過ZigBee模塊送往監(jiān)控中心的同時(shí)存儲備案,。用戶可以通過鍵盤和LCD查詢實(shí)驗(yàn)室的當(dāng)前狀態(tài),、歷史報(bào)警信息，也可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的布防和撤防設(shè)置,。
監(jiān)控中心子系統(tǒng)由ZigBee模塊,、鍵盤、LCD顯示,、GSM模塊和聲光報(bào)警電路組成。監(jiān)控中心子系統(tǒng)可根據(jù)不同情況設(shè)為值班工作模式和無人值守工作模式兩種工作模式,，可以通過鍵盤電路和LCD選擇設(shè)定,。在值班工作模式下，ZigBee模塊接收到來自實(shí)驗(yàn)室子系統(tǒng)發(fā)送來的警情信息后,，啟動(dòng)聲光報(bào)警電路提示值班員查詢警情信息并前去處理和維護(hù);而在無人值守工作模式下,，ZigBee模塊接收到來自實(shí)驗(yàn)室子系統(tǒng)發(fā)送來警情信息后，如在白天,，系統(tǒng)通過GSM模塊發(fā)送警情短消息給實(shí)驗(yàn)室管理員,，通知其前去維護(hù);如在晚上，系統(tǒng)則發(fā)送短消息給安保處夜間值班室,，通知前去巡查,。無論監(jiān)控中心子系統(tǒng)工作在哪種工作模式下，接收到的警情信息會按照報(bào)警時(shí)間,、實(shí)驗(yàn)室房間號和警情種類保存起來,，以供日后查詢，存儲警情的存儲器存滿后,，可以進(jìn)行覆蓋存儲,，也可以由值班人員通過鍵盤和LCD手動(dòng)清空存儲器。
2.1 實(shí)驗(yàn)室子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)室子系統(tǒng)采用菲利普公司的ARM微處理器LPC2138作為主控芯片,。LPC2138微控制器是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU,，多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART,、2個(gè)高速I2C總線(400 kbit/s),、SPI和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長度可變功能的SSP。多個(gè)32位定時(shí)器,、2個(gè)10位8路的ADC,、1個(gè)10位DAC,、PWM通道、47個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它們特別適用于控制系統(tǒng),。
環(huán)境信息和安全信息的采集主要通過各種傳感器,。其中，溫度傳感器和濕度傳感器采用集成器件,，直接讀取相應(yīng)數(shù)值即可,。
紅外傳感器用于探測實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部人員異常入侵，文中采用熱釋電紅外傳感器P2288,，其輸出信號處理電路如圖(2)所示,。BIS0001為紅外信號處理芯片，如在監(jiān)控區(qū)域有人員活動(dòng),，P2288就會輸出電信號,，經(jīng)BIS0001處理后產(chǎn)生相應(yīng)電平變化，LPC2138通過檢測D0端的電平變化就可以判斷是否有人員異常入侵,，這是防止實(shí)驗(yàn)室設(shè)備被盜的有效檢測手段,。
煙霧傳感器用于火災(zāi)的報(bào)警，文中采用QM-N5煙霧傳感器,，其輸出信號處理電路如圖3所示,。沒有發(fā)生火災(zāi)的情況下，周邊環(huán)境溫度下,，熱敏電阻NTC503D的阻值是比較大的,，分壓原理可知，可變電阻RP2分得的電壓就比較小,。對比之下,，參考電壓U2>U3，輸出為低電平,。一旦有火災(zāi)發(fā)生的情況下,，周邊環(huán)境溫度相應(yīng)地升高， 空氣中充滿一定濃度的煙霧,，熱敏電阻和煙霧傳感器的阻值都快速降低,，可變電阻RP1，RP2相應(yīng)的電壓都增大,，結(jié)果導(dǎo)致U3>U2,，輸出為高電平。通過檢測D1端電平變化可以實(shí)現(xiàn)檢測火災(zāi)的目的,。當(dāng)入侵者破窗而入時(shí),，玻璃破碎傳感器受到機(jī)械振動(dòng)，會給出一個(gè)信號，這信號經(jīng)放大,、處理后可用于報(bào)警,。此傳感器可與門磁、窗磁一起作為盜警的參考報(bào)警信號,。
ZigBee模塊采用Chipeon公司推出的首款符合2.4GHzIEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的單片射頻收發(fā)芯片CC2420,，能夠進(jìn)行魯棒的無線通信，能夠確保在短距離通信中的有效性和可靠性,。它內(nèi)置一個(gè)數(shù)字直接序列擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)模塊,，提供擴(kuò)頻增益9dB。CC2420具有超低的電流消耗(RX-18.8mA;TX-17.4mA),，高接收靈敏度(-95dBm),，抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)(39dB)，并且CC2420為包處理,、數(shù)據(jù)緩沖,、突發(fā)通信、數(shù)據(jù)加密,、數(shù)據(jù)驗(yàn)證,、空閑信道評估、鏈路質(zhì)量指示和包定時(shí)信息等提供了強(qiáng)有力的硬件支持,。這些硬件支持減輕了主控制器的負(fù)擔(dān)，使得它能夠使用低成本的微控制器,。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps,，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。LPC2138通過SPI總線接口和控制信號線與CC2420射頻收發(fā)器進(jìn)行通訊并控制射頻芯片的運(yùn)行狀態(tài),。SPI總線支持全雙工數(shù)據(jù)傳輸,，可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，其中微處理器充當(dāng)SPI主設(shè)備而CC2420收發(fā)器充當(dāng)從設(shè)備,。
2.2 監(jiān)控中心子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
監(jiān)控中心子系統(tǒng)也采用LPC2138作為主控制器,，采用ZigBee模塊與實(shí)驗(yàn)室子系統(tǒng)通信。
鍵盤與LCD查看警情信息和選擇工作模式,，為了方便實(shí)現(xiàn)功能,，鍵盤電路采用4×4矩陣鍵盤，其電路原理圖如圖4所示,。鍵盤包括16個(gè)按鍵,，即0～9十個(gè)數(shù)字鍵和六個(gè)功能鍵。系統(tǒng)采用掃描法,，實(shí)現(xiàn)各按鍵的確認(rèn),。通過軟件消除抖動(dòng)保證讀鍵正確。
LPC2138內(nèi)部有一個(gè)512kB的Flash存儲器，可定義一部分空間作為警情存儲器,，將各實(shí)驗(yàn)室子系統(tǒng)的報(bào)警信息存儲起來備案,，存滿時(shí)自動(dòng)從低地址開始覆蓋。
GSM通信模塊采用西門子公司的TC35,。TC35是Siemens公司推出的新一代無線通信GSM模塊,，可以快速安全可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸,、短消息服務(wù)和傳真,。TC35通過異步串行口與LPC2138相連接。
關(guān)鍵字：GSM ZigBee 實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí),，采用模塊化設(shè)計(jì),，在ADS1.2集成編譯環(huán)境下，用C語言編寫而成,。
3.1 實(shí)驗(yàn)室子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)室子系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5所示,。
程序分為主程序和聲光報(bào)警、ZigBee發(fā)送數(shù)據(jù),、LCD顯示,、鍵盤操作四個(gè)子程序，前三個(gè)子程序被主程序主動(dòng)調(diào)用,，鍵盤操作則采用中斷模式,。主程序?qū)t外傳感器信號和煙霧傳感器的處理也采用中斷模式，中斷優(yōu)先級高于鍵盤操作中斷,，對于其他傳感器信號采取輪詢采集,，并調(diào)用LCD顯示子程序?qū)h(huán)境信息在LCD屏上顯示。鍵盤操作可進(jìn)行系統(tǒng)查詢和安防設(shè)置兩部分的功能,，查詢模式主要查詢系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)和歷史告警信息;安防設(shè)置包括布防,、撤防和安防等級等的設(shè)定，其中安防等級根據(jù)學(xué)校教學(xué)工作的需要設(shè)置了三種等級,，正常教學(xué)日程為最低級別,，周末與小假期為第二等級，寒暑假等較長假期可選擇最高等級即第三級,。
3.2 監(jiān)控中心子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
監(jiān)控中心子系統(tǒng)程序主要完成警情信息讀取,、存儲和通知等工作，也可通過鍵盤與LCD查看系統(tǒng)狀態(tài)與歷史告警信息和設(shè)置系統(tǒng)工作模式,。在無人值守工作模式下,，需要GSM模塊發(fā)送告警短消息。TC35支持PDU消息模式,，根據(jù)系統(tǒng)的通信協(xié)議,，信息的發(fā)送是以發(fā)送數(shù)據(jù)幀為主要方式,，一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀包括起始標(biāo)志單元、命令單元,、CRC校驗(yàn)單元,、結(jié)束標(biāo)志單元等四部分。一個(gè)數(shù)據(jù)幀能夠包含140個(gè)字節(jié)(70個(gè)漢字)的數(shù)據(jù)量,，中文字符按照UNICODE進(jìn)行編碼,。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)其格式為：服務(wù)中心地址/PDU類型/接收主地址/協(xié)議識別碼/數(shù)據(jù)譯碼方案/有效周期/用戶數(shù)據(jù)長度/用戶數(shù)據(jù);在軟件設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)PDU據(jù)格式編寫相應(yīng)的AT命令，即可實(shí)現(xiàn)短信息的收發(fā),。
4 總結(jié)
本系統(tǒng)通過各種傳感器實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境信息和安全信息的采集與處理,，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)警情以便于快速排除，對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行維護(hù),。本系統(tǒng)由于利用ZigBee無線通信模塊,，實(shí)現(xiàn)了各實(shí)驗(yàn)室子系統(tǒng)與監(jiān)控中心子系統(tǒng)的無線組網(wǎng)，不僅避免了有線組網(wǎng)重新布線的麻煩,，而且易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化,，安裝維護(hù)方便。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高校實(shí)驗(yàn)室集成化,、智能化,、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，節(jié)約人力資源,，提高了高校實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性,，使實(shí)驗(yàn)室平穩(wěn)發(fā)揮自身職能。