一种新的监控告警系统设计

一种新的监控告警系统设计 摘 要： 当前监控告警系统大都是根据用户具体某一种应用需求而设计的，这限制了系统应用扩展性。针对这一问题，设计一种新的系统。系统中相应的传感器对监控区域的信息数据进行实时采集，然后发送给单片机进行处理。单片机首先根据收到的各传感器数据对当前环境状态进行判断并向告警装置发送相应工作指令，然后将接收到的数据打包发送给后台计算机的应用软件，实现监控区域各项数据的可视化以及告警状态的可视化。系统的特点是能够根据具体应用环境组合搭配启用系统传感器，因此应用范围得到极大扩展。 关键词： 传感器； 串行数据； 监控告警系统； 门限值 中图分类号： TN948.64?34； TP368 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）10?0124?05 Design of a new monitoring and alarm system YANG Yujie1，2， WANG Yali1，2， TAO You3 （1. College of Computer and Information Engineering， Henan Normal University， Xinxiang 453007， China； 2. Henan Engineering Lab of Intelligence Business & Internet of Things Technology， Xinxiang 453007， China； 3. China North Communication Technology Co.， Ltd.， Xinxiang 453007， China） Abstract： The current monitoring and alarm systems were mostly designed to meet the specific application requirement of the user， which limited the application scalability of the system. To solve this problem， a new system was designed. The corresponding sensor in the system is used to collect the information data of the monitoring area in real time， and sent the data to the single chip microcomputer （SCM） for processing. The SCM firstly judges the current environmental status according to the collected sensor data and sends the corresponding work instructions to the warning device， and then packs the received data and sends them to the application software of background computer to realize the visualization of the various data in monitored area and alarm status. The feature of the system is to combine and enable the sensor in the system according to the specific application environment， so its application range is expanded widely. Keywords： sensor； serial data； monitoring and alarm system； threshold value 0 引 言 近年来，随着电子信息技术的发展以及人们生活中对监控告警的应用需求，促使监控告警系统不断朝着智能化、网络化的方向发展。然而现有的监控告警系统的监控变量单一，无法同时监控多种环境变量，而且系统往往是根据不同的监控环境而设计的，因此会受到监控环境的约束，从而影响整个系统的应用范围。同时随着物联网技术的发展，基于物联网技术能够进行协同感知。在入侵活动发生时，前端传感器节点能通过数据处理中心将报警信息传输至后台监控中心，后台监控中心对入侵行为进行识别并执行与之对应的预警动作，实现全天候、全天时、实时主动地防护，这样的系统将成为下一代监控告警系统的发展方向。 为改善当前监控告警系统的应用不足，以及适应下一代监控告警的发展方向，本文提出一种监控告警系统的设计方法。该系统是以多种传感器为前端的信息采集装置，以单片机为数据处理和控制中心，同时配有一套自主开发的后台应用软件。前端的传感器实时采集监控环境的信息并将这些信息数据发送给单片机进行处理分析，单片机将处理分析完毕后的数据打包转发至后台应用软件，后台应用软件根据这些数据信息对监控区域状态进行识别并实现监控区域状态可视化和监控数据可视化。系统目前可同时接入7种不同的传感器分别监控7种不同的环境变量。这7种传感器在实际应用中可根据不同的监控需求而启用，使得系统的应用范围得到极大的扩展。开发的后台应用软件能够在后台实时显示监控区域的各项监控信息，实现监控信息数据和告警信息可视化以及对系统的远程控制。 1 系统简介 1.1 系统组成 图1为该系统的组成图。系统由传感器、单片机、告警装置和两台安装有监控告警系统应用软件的PC（Personal Computer）机组成。其中传感器主要包含能够采集温度、湿度、烟雾浓度、人体红外、声音、振动、触摸等信息的7种传感器。告警装置主要由正常状态指示灯、告警状态指示灯和一个蜂鸣器组成。单片机与7种不同的传感器直接相连接以便于控制传感器工作，PC机对单片机控制，同时为实现远程管理控制，安装后台软件的PC机可通过接入互联网实现与远端的安装相同后台软件PC机的互联互通，以此达到远程化控制的目的。 1.2 系统工作原理 系统通过各传感器实时采集环境信息数据并发送给单片机1。单片机首先根据收到的数据对监控区域的环境状态进行判定，当某一个或几个传感器采集的数据出现异常或达到预先设定的门限值，单片机就向告警装置发出告警指令，相应的告警指示灯会发出告警信号。完成上述工作后，单片机将收到的各传感器采集的环境信息数据统一打包并采用串行方式发送给PC机，PC机中的后台应用软件根据接收到的数据进行分析、判断，同时控制工作界面会显示当前监控环境的状态信息。联网的计算机会将环境状态信息发送上网，便于进一步的分析和使用。当警报解除后，按动图1中的控制按键可以关闭告警，并对系统进行初始化。 2 系统硬件设计 2.1 传感器模块设计 系统首先要通过各种传感器获得环境信息数据，因此传感器的灵敏度和准确度直接影响整个系统的工作性能。为避免各传感器之间的相互干扰及保证系统的灵活性，除了温度和湿度集成在一个模块中，其他各传感器均为独立模块。为了方便系统的供电，各传感器均采用5 V直流电源供电2。 2.1.1 温湿度传感器 系统中采用DHT11数字温湿度传感器3采集监控区域的温度及湿度信号。DHT11内部由感湿器件、NTC（Negative Temperature Coefficient）测温器件、集成单片机等原件组成，以串行方式输出具有较高精准度的信号数据。该传感器的温度量程范围为：050 ，湿度量程范围为：20%RH90%RH，温度分辨率为1 ，湿度分辨率为1%RH。温度精度为1 ，湿度精度为4%RH。输出的数据采用串行格式，在一个大约4 ms的通信周期内传输的有效数据为40 b。数据具体格式如图2所示，其中校验和数据为前4 B数据和的低8位。 DHT11只有在接收到单片机的使能信号并返回响应信号建立通信链路连接后才进行一次温湿度采集， 并向单片机发送采集到的40 b的温湿度数据。在未建立连接前，该传感器不会工作4。当单片机发出时间大于18 ms的低电平使能信号后表示一个通信周期的开始。使能信号结束后，DHT11发送80 s低电平响应信号，双方正确读取相应信号后成功建立通信连接，单片机切换到输入模式准备读取传感器发送的数据。该过程相当于外部处理器和传感器之间的握手过程，如图3所示。 2.1.2 人体红外传感器 人体红外传感器采用一种探测性能好、价格低廉的被动式红外探测器PIR（Passive Infrared Sensor）5。工作原理是：凡是温度在绝对0 （-273 ）以上的物体都能够产生热辐射，而温度在-2731 725 之间的物体产生的热辐射光谱则在红外光谱区，同时物体在不同温度时的热辐射波长也是不一样的。一般人体的热辐射红外波长为350 m，其中一般的波长分布在814 m，而PIR恰好能够感应812 m的红外变化。PIR作为一种被动式红外探测器，本身不发射任何信号只是被动接受来自环境的红外辐射，通电后经几秒适应环境辐射后，环境无人或动物移动时，PIR受到的红外辐射是稳定的，其输出电信号也将保持稳定。一旦有人或动物进入监控区域，将会引起PIR输出电信号发生突变。PIR的探测距离大约为10 m，能够有效满足整个系统的工作需求。 虽然PIR能够在监控环境中出现人体移动时输出突变的电信号，但是由于该信号十分微弱，同时携带的噪声较多，不能直接被识别。因此采用BISS0001芯片6对PIR输出信号进行滤波放大处理。当探测到有人体进入监控区域时，传感器输出高电平，触发报警器工作。 2.1.3 振动传感器电路设计 系统中的振动传感器在感应到监控环境出现振动时输出高电平，在未感应到振动时持续输出低电平。电路如图6所示。 振动开关在无振动时处于断开状态，当感应到振动时将处于闭合状态。所以当监控环境无振动时，振动传感器断路，电压比较器U1A的反向输入电压7等于VCC。由于受到可调电位器R5的分压，电压比较器U1A的正向输入电压将小于VCC，即小于其反向输入电压。电压比较器输出为低电平0，发光二极管D2导通发光。二极管在此用来指示振动传感器的工作状态，亮表示振动传感器未感应到振动。当监控环境中出现振动时，振动传感器导通，电压比较器U1A的反向输入端被断路到地，正向输入端电压不变，所以此时电压比较器U1A输出为高电平，此时振动报警器报警。 2.1.4 声音传感器、烟雾传感器 声音传感器和烟雾传感器的电路及工作原理与振动传感器基本一致。声音传感器在检测到超出门限值的声音后输出低电平，此时声音报警器报警。平时没有问题时声音传感器将保持高电平输出。在监控环境无烟雾时，烟雾探头处于长闭状态，传感器输出高电平，当监控环境的烟雾浓度达到设定的阈值时烟雾探头断开，传感器电路输出低电平，这时烟雾报警器被触发将进行报警。 2.1.5 触摸压力传感器电路设计 该传感器是一个基于触摸检测集成芯片（TTP223B）的电容式点动型触摸检测传感器。当用手指触摸相应位置时，会使得触摸感应区域的电容发生改变，使得触摸检测芯片的输出发生改变，最终使得传感器输出高电平。 2.2 控制按键电路设计 为了降低系统误告警的影响，同时也为了保证告警处理后该系统能够恢复正常工作，设计了控制按键电路。当系统产生告警后，通过触发控制按键控制单片机解除告警，恢复正常监控状态。控制按键是一个简单的与地相连的开关电路，按键按下电路接通到地，触发低电平，解除警报。 2.3 告警装置 系统中的告警电路主要发光二极管和蜂鸣器组成，其电路如图7所示。 电路中的D1为绿色发光二极管，在整个监控系统处于正常状态，电路工作正常且无任何告警产生时，该二极管导通，指示整个系统工作正常无告警产生。当单片机根据接收的传感器信号判定有告警产生时，单片机会发出告警控制指令，使得红色发光二极管D2按照一定频率闪烁，蜂鸣器发出告警声音，同时D1截止。 2.4 单片机 系统采用STC89C52RC单片机作为系统的数据处理和控制中心。时钟晶振采用11.059 2 MHz的外部晶振。为了便于实际操作中的调试，为系统的单片机配置外部复位电路。复位电路既有高电平复位又有低电平复位，能够与大部分芯片匹配，能够有效提高系统的扩展性。单片机和计算机的通信以及自身供电均通过与计算机连接的USB（Universal Serial Bus）端口，通信标准采用RS 232串行通信标准8。 3 后台应用软件开发 为了能够实现监控区域各项数据的可视化以及后台远程告警，系统配套自主开发的后台应用软件。软件是基于Microsoft Visual Basic 6.0开发环境所开发出的一个简单应用软件9。该软件主要由登录界面和工作界面组成。登录界面如图8所示。 图8 系统软件登录界面 工作界面如图9所示。 工作界面可实时显示系统当前的时间、各监控指标的状态、串口接收的数据、温湿度的实时数值和趋势图10。当出现告警时，应用软件通过分析收到的数据来判断告警是由哪一种传感器所触发，对应界面中的传感器状态会转换为告警状态。告警状态下，传感器指示灯会呈现红色，状态提示框也会出现“告警！”字符。特别是温湿度出现告警时，其数值显示区域的背景颜色也将变为红色。为便于识别温湿度的告警门限值，在温湿度趋势图中特别标出所设定的门限值的刻度线。 后台的应用软件不仅能够实现后台告警和各项数据可视化，也能够实现对系统的远程控制。安装此后台软件的多台计算机可通过现有互联网实现互联互通，实现监控数据的共享和对监控系统的协同管理。在实际工作中可以根据监控区域的实际需求来组合启用传感器，例如对于普通家庭的应用需求可以组合选择该系统中的温湿度传感器、烟雾传感器和红外传感器，以达到防火、防盗的目的。应用于博物馆展台时可以组合选择该系统中的振动传感器和触摸传感器，以保护展品。通过后台应用软件，在上述应用实例中均可实现对系统的远程控制和信息共享。 后台软件登录界面部分源代码如下。这部分代码主要实现登录界面的搭建和对登录用户身份的验证。 Private Sub Form_QueryUnload（Cancel As Integer， UnloadMode As Integer） If MsgBox（您确定要退出系统？， vbYesNo， 警告！） = vbYes Then unloadmod = True Else Cancel = True End If End Sub Private Sub 登录_Click（） Dim ues As String Dim psw As String use = 用户名.Text psw = 密码.Text If （use = admin And psw = 123456） Or （use = taoyou And psw = 123456） Then Load Form2 Form2.Show Form1.Hide Else 提示.Caption = 登录失败！请重新输入或联系管理员。 End If End Sub Private Sub 退出_Click（） Unload Me End Sub 后台软件工作界面部分源代码，这部分代码主要实现在工作界面实时更新显示时间、各项监控传感器的工作状态，接收监控数据、显示监控数据、绘制温湿度趋势图的功能： Private Sub Timer1_Timer（） Label14.Caption = Now 实时显示时间 End Sub Private Sub 打开串口_Click（） On Error GoTo uer MSComm1.CommPort = Cb1.ListIndex + 1 MSComm1.PortOpen = True Shape1.FillColor = vbGreen Exit Sub uer： MsgBox 端口无效， vbOKOnly， 提示 End Sub Private Sub 关闭监控_Click（） 指示灯1.FillColor = &H808080 指示灯2.FillColor = &H808080 指示灯3.FillColor = &H808080 指示灯4.FillColor = &H808080 指示灯5.FillColor = &H808080 指示灯6.FillColor = &H808080 指示灯7.FillColor = &H808080 Timer1.Enabled = False 定时器关闭 MSComm1.RThreshold = 0 串口收关闭 Label14.Caption = 系统已关闭 Text9.BackColor = &H808080 Text8.BackColor = &H808080 Text9.Text = Text8.Text = End Sub Private Sub 关闭串口_Click（） If MSComm1.PortOpen = True Then MSComm1.PortOpen = False Shape1.FillColor = &HC0C0C0 End If End Sub Private Sub 开启监控_Click（） 指示灯1.FillColor = &HFF00& 指示灯2.FillColor = &HFF00& 指示灯3.FillColor = &HFF00& 指示灯4.FillColor = &HFF00& 指示灯5.FillColor = &HFF00& 指示灯6.FillColor = &HFF00& 指示灯7.FillColor = &HFF00& Pic1.Cls 温度 Pic1.Line （0， 0）?（200， 0）， vbBlue 画中线 Pic1.Line （0， 50）?（200， 50）， vbRed 画告警线 Pic2.Cls 湿度 Pic2.Line （0， 0）?（200， 0）， vbBlue 画中线 Pic2.Line （0， 70）?（200， 70）， vbRed 画告警线 Me.Timer1.Interval = 50 定时器间隔 Me.Timer1.Enabled = True 定时器使能 MSComm1.InputLen = 1 MSComm1.RThreshold = 1 串口接收计算设置 End Sub 4 结 语 本文设计了一种新型的监控报警系统。系统基于单片机，装载各种不同的传感器，并与计算机相连接。设计的计算机软件对环境条件进行监控同时控制系统，根据不同的环境需求启用相应的传感器，以达到能在多种不同场景下使用的目的。同时，若将软件安装于计算机网络中，更可以实现控制的远程化和网络化，具有应用范围广泛、监控内容多样、数据可视、可远程控制等优点，符合新一代基于物联网技术的监控告警的发展方向。 参考文献 1 汤诗宇.单片机自动控制应用系统的设计探讨J.电子制作，2015（6）：14. 2 JIANG Zhuangde. MEMS sensor technology J. Engineering sciences， 2012， 10（5）： 16?2