摘要：文中介紹了一種基于GSM和ZigBee的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用32位ARM單片機(jī)LPC2138作為控制器，通過(guò)各種傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境參量進(jìn)行采集，如有告警信息，通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)控中心，由值班人員處理，或者由GSM模塊以短信息的形式通知實(shí)驗(yàn)室管理員前去處理，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控和無(wú)人值守。
0 引言
文中介紹了一種基于GSM和ZigBee無(wú)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(guò)各種傳感器采集實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境信息，并通過(guò)室內(nèi)的LCD顯示出來(lái)。如有危害實(shí)驗(yàn)室安全的告警信息，可通過(guò)ZigBee無(wú)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(guò)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(duì)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(wú)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(guò)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(shí)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(lái)，如有警情根據(jù)實(shí)際情況開(kāi)啟聲光報(bào)警器，然后將警情信息通過(guò)ZigBee模塊送往監(jiān)控中心的同時(shí)存儲(chǔ)備案。用戶(hù)可以通過(guò)鍵盤(pán)和LCD查詢(xún)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(pán)、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(wú)人值守工作模式兩種工作模式，可以通過(guò)鍵盤(pán)電路和LCD選擇設(shè)定。在值班工作模式下，ZigBee模塊接收到來(lái)自實(shí)驗(yàn)室子系統(tǒng)發(fā)送來(lái)的警情信息后，啟動(dòng)聲光報(bào)警電路提示值班員查詢(xún)警情信息并前去處理和維護(hù)；而在無(wú)人值守工作模式下，ZigBee模塊接收到來(lái)自實(shí)驗(yàn)室子系統(tǒng)發(fā)送來(lái)警情信息后，如在白天，系統(tǒng)通過(guò)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(wú)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(huì)按照?qǐng)?bào)警時(shí)間、實(shí)驗(yàn)室房間號(hào)和警情種類(lèi)保存起來(lái)，以供日后查詢(xún)，存儲(chǔ)警情的存儲(chǔ)器存滿(mǎn)后，可以進(jìn)行覆蓋存儲(chǔ)，也可以由值班人員通過(guò)鍵盤(pán)和LCD手動(dòng)清空存儲(chǔ)器。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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I(mǎi)2C總線(400kbit/s)、SPI和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(guò)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(cè)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(hào)處理電路如圖2所示。BIS0001為紅外信號(hào)處理芯片，如在監(jiān)控區(qū)域有人員活動(dòng)，P2288就會(huì)輸出電信號(hào)，經(jīng)BIS0001處理后產(chǎn)生相應(yīng)電平變化，LPC2138通過(guò)檢測(cè)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(cè)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(hào)處理電路如圖3所示。沒(méi)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(duì)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(mǎn)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(guò)檢測(cè)D1端電平變化可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)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(huì)給出一個(gè)信號(hào)，這信號(hào)經(jīng)放大、處理后可用于報(bào)警。此傳感器可與門(mén)磁、窗磁一起作為盜警的參考報(bào)警信號(hào)。
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(wú)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(píng)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(kāi)發(fā)的無(wú)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(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。LPC2138通過(guò)SPI總線接口和控制信號(hào)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(pán)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(pán)電路采用4×4矩陣鍵盤(pán)，其電路原理圖如圖4所示。鍵盤(pán)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(guò)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(chǔ)器，可定義一部分空間作為警情存儲(chǔ)器，將各實(shí)驗(yàn)室子系統(tǒng)的報(bào)警信息存儲(chǔ)起來(lái)備案，存滿(mǎn)時(shí)自動(dòng)從低地址開(kāi)始覆蓋。
GSM通信模塊采用西門(mén)子公司的TC35。TC35是Siemens公司推出的新一代無(wú)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(yǔ)音傳輸、短消息服務(wù)和傳真。TC35通過(guò)異步串行口與LPC2138相連接。
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(yǔ)言編寫(xiě)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(pán)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(pán)操作則采用中斷模式。主程序?qū)t外傳感器信號(hào)和煙霧傳感器的處理也采用中斷模式，中斷優(yōu)先級(jí)高于鍵盤(pán)操作中斷，對(duì)于其他傳感器信號(hào)采取輪詢(xún)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(pán)操作可進(jìn)行系統(tǒng)查詢(xún)和安防設(shè)置兩部分的功能，查詢(xún)模式主要查詢(xún)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(jí)等的設(shè)定，其中安防等級(jí)根據(jù)學(xué)校教學(xué)工作的需要設(shè)置了三種等級(jí)，正常教學(xué)日程為最低級(jí)別，周末與小假期為第二等級(jí)，寒暑假等較長(zhǎng)假期可選擇最高等級(jí)即第三級(jí)。
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(chǔ)和通知等工作，也可通過(guò)鍵盤(pán)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(wú)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(lèi)型/接收主地址/協(xié)議識(shí)別碼/數(shù)據(jù)譯碼方案/有效周期/用戶(hù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度/用戶(hù)數(shù)據(jù)；在軟件設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)PDU據(jù)格式編寫(xiě)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(guò)各種傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行維護(hù)。本系統(tǒng)由于利用ZigBee無(wú)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(wú)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。
