大学生创新研究项目验收学生公寓安防测控系统研究与设计

大学生创新研究项目验收表项目名称学生公寓安防装置的设计与制作项目负责人牛霞所在学院专业入学时间电气与电子工程学院电子信息电气与电子工程学院电子信息参加成员项目性质本科生创新研究立项经费10000编号2012046结项总结（是否按立项要求完成，成果目录，其它需说明的问题）本项目已按立项要求完成任务，提交成果如下123参与项目学生签字年月日经费核算项目负责人签字年月日指导教师意见签字年月日验收结论学院验收组长签字（学院盖章）年月日教务处审核意见负责人签字（盖章）年月日本表用A4纸打印，附在提交成果材料的首页。学生公寓安防装置的设计与制作大学生第二课堂创新活动项目结题报告随着现代科学技术的发展和人民生活水平的提高，居民对住宅的功能、质量提出了更高的要求，智能化住宅以其安全舒适、信息通畅、服务完善而深受住户的喜爱，智能住宅成为现代化住宅的发展趋势。学生公寓是学生在学校的家。本课题研究智能住宅安全防范系统在学生公寓这个特殊的环境中的应用与设计。本项目针对学生公寓面临的问题，研究并设计了一种基于单片机的学生公寓安全防范测控系统。此系统以PIC16F877A单片机为核心，具有防火、防盗、节能的功能。本系统还配置了备用电源以及具有掉线和断电自诊断功能，增强了系统的安全性和稳定性。系统建立在大量相关实验的基础上，并通过硬件及软件仿真验证，具备一定的实用性，对后续研究开发有一定的参考意义。1设计说明11学生公寓安防装置的总体设计经过长期调查研究，从技术上认真分析，在对安防系统进行设计时，应遵循如下一些原则进行设计可靠性安防系统的可靠性是第一位的。在安防系统设计、设备选型、调试、安装等环节都应严格执行国家、行业的有关标准及公安部门有关安全技术防范的要求，贯彻质量条例，保证系统的可靠性。独立性安防系统应建成为独立体系，绝不能作为其它弱电系统的子系统进行混合管理,以减少安放系统可能遭到的各种损坏或其它系统可能造成的干扰。安全性安防系统的程序或文件要有能力阻止未授权的使用、访问、篡改，或者毁坏的安全防卫级别。硬件设备具有防破坏报警的安全性功能。联动性安防系统能与其它系统联动，如消防系统、灯光照明系统，保证自身能获得更好、更准确的信息，并为其它系统提供必要的服务，同时确保安防系统不会影响到其它系统的功能。扩充性系统可集中管理、监控，分散控制，总体结构具有较强兼容性和可扩展性，既便于系统的充实、完善、改进和提高，又便于设备的更新、换代。实用性系统的操作简单、快捷，充分分析学校环境情况，采用优质设备，满足安防要求，保证操作方便耐久实用。经济性在满足安全防范级别的要求前提下，在确保系统稳定可靠、性能良好的基础上，在考虑系统的先进性的同时，按需选择系统和设备，做到合理、实用，降低成本，从而达到极高的性能价格比，降低学生公寓安全管理的成本。针对以上原则本次设计的完整的学生公寓安防系统应该具有的主要功能有1、能对信息的实时采集2、能对信息的准确判断处理3、能与上位机的实时通信4、具有节能节电的功能要实现以上功能，一个完整的安防系统应该包括数据采集模块，主控模块，通信模块，报警接收模块以及上位机系统和数据库的建立。鉴于本次设计仅是针对安防系统中测控部分的设计，主要工作是针对下位机的报警控制设计。系统的工作流程大致如下探测器安装在宿舍需要防范的部位，报警主机放在比较隐蔽的区域。在通常情况下，防盗监控器是处于休眠状态，而防火探测器始终处于布防状态，当学生要出门，宿舍没人时，可以通过键盘启动防盗监控器，防盗监控器接到命令后，等待一个时间（如3分钟），让用户启动监控器后有足够的时间离开住宅，该时间过后，防盗监控器会启动探头，此时监控器处于真正的布防状态，只要有人在探头检测范围内经过，而他又不能在规定的时间内输入正确的密码进行撤防，报警探测器立即向自动报警主机发出报警信号，接到警情事件后，进行现场警铃报警。在此同时将信息发送给网络通信模块。终端处理机通过接收的信息保存和处理数据，可以远程控制系统的工作，也可以通知管理员采取必要的措施。考虑到该系统的实际应用环境，和实现节能低功耗的目的，本次设计采用MICROCHIP公司的8位微处理器PIC16F877A单片机作为系统的中央处理器，将电子探测、智能控制和通信技术相结合，形成一个可联网通信的防盗、防火报警系统。系统的结构框图如下图1系统结构框图12各模块概述主控模块是安防测控系统的核心器件，它是整个系统的“心脏”，由它来接收报警信号并控制、协调各功能模块的正常工作。各前端探测器/传感器完成对住宅里不同探测区域内的各种灾情发生前的各种参数（如人体热释电红外信号、火灾烟雾浓度）的可靠监测工作，所谓无线式智能报警系统，就是采用高可靠性的，性价比较高的无线式智能传感器，它将数据采集、AD转换、比较判断等功能集成在一体，输出报警开关量，即只有实际参数达到用户设定的报警值时，才输出报警开关信号和探测器编号，然后通过无线传输的方式送给自动报警器主机。存储模块中存储系统的一些原始参数、重要数据（预存电话号码、系统密码等）。数据采集模块要求数据采集模块能完成对水表、电表、实现远距离抄收和自动化管理。通过对各表的电脉冲信号进行采集、存储，并通过网络与管理中心连接。另外，通过对电表功率的采集，可作为报警模块功率超限的输入。其原理框图如图2所示图2数据采集模块原理框图节能模块节能模块主要实现节电功能。节电模式与防盗模块通过分时共用红外探头进行对寝室有/无人的状态进行采集，通过单片机的判断实现节能控制。通信模块基于单片机的TCP/IP协议通信，由单片机和网络接口芯片共同实现嵌入式TCP/IP协议，如图3所示。采用的网络接口模块是RELTEK公司的RTL8019AS全双工网络控制器，它可实现嵌入式TCP/IP协议中MAC层的功能，单片机则实现嵌入式TCP/IP协议中的其它协议层的功能，从而共同实现嵌入式TCP/IP协议。它自带16KB的SRAM，并通过RJ45接口实现与网络通信。系统上电初始化后，该模块工作于服务模式，时刻侦听来自远程计算机通信程序的请求，并依据远程客户的要求通过主控模块查询或发送控制指令并获得相关返回信息。图3通信模块结构框图由于学校可以使用自身的局域网实现网络通信而不产生通信费用，所以基于单片机的TCP/IP协议通信模式可作为本系统远程控制通信的首选方案。而通过电话线实现的通信模式，必须具备独立的电话号码，在现在手机普遍普及的情况下，不少寝室没有开通电话座机服务，所以，在实现上有一定的困难。在本系统中不建议使用此种通信方式。13系统软硬件功能划分为了使系统的结构、性能、体积以及成本达到最优化的组合，必须对完成各功能的软件和硬件作出不同的分工，具体如下探测器、报警、控制和电源部分必须使用具体的硬件电路来实现，连接总控制终端和各分系统之间的通信部分也只能用硬件电路来实现。在下位机系统中，各传感器所采集到的信号的综合判断以及控制元件执行何种操作可用软件来实现，因为软件实现比较简单，只需要很短的十几条语句即可。比如在本系统中，多次用到了元件的复用，这样节省了硬件资源，但是系统何时，如何分时共用这些器件，就要靠软件来识别、控制。这样可减小系统的体积，降低成本，实现也很容易。所以合理、充分的协调好系统的软硬件分工，是提高系统执行效率、节省硬件资源、提高系统性能的关键之处。综上所述，探测器、电源、通信接口、报警控制等功能模块用硬件电路实现而脉冲计数、软件延时、时钟程序、输入信息的分析处理以及控制等功能模块使用软件编程完成。2安防测控系统硬件电路设计21单片机控制模块及外围电路设计211单片机的选择及主控电路设计本系统中主控制器选用PIC16F877A。PIC是美国MICROCHIP公司所生产的单片机系列产品型号的前缀。PIC系列单片机的硬件系统设计简洁，指令系统设计精练。在所有的单片机品种当中，它是最容易学习、最容易应用的单片机品种之一。它具有以下特点1、哈佛总线结构2、指令单字节化3、精简指令集技术4、寻址方式简单5、代码压缩率高6、运行速度高7、驱动能力强8、I2C和SPI串行总线端口另外，PIC系列单片机还有低功耗、外接电路简洁、品种丰富、程序保密性强等其他一些优点。图4主机电路图P00为无线接收信号串行输入端。P01P03为键盘控制引脚，P04P05接数据采集信号，PL0PL1接AT24C02的串行数据输入和时钟信号输入，P12P13为显示控制端，PL5接系统布防指示灯，用于指示系统的工作状态；P21连接系统的声光报警电路，当报警时，报警灯点亮，警铃响；RXD，TXD预留为主控计算机串行通讯口；口经非门接无线接收电路的VT引脚，用于接收报警信号，引发中断。INT212存储器电路的设计为增强系统的可靠性和安全性，本系统采用ATMEL公司的AT24C02，AT24C02为具有I2C接口总线的串行存储器，作为记忆存储元件，主要存储系统参数、电话号码、用户信息、探测器信息、报警信息等所有信息，当电源断电时不会因为电源失去而变动。AT24C02是美国ATMEL公司生产的E2PROM存储器，在单片机的片外数据存储器扩展中使用广泛。AT24C02的存储空间为2568BIT，采用该芯片减少了体积，提高了系统的可靠性。AT24C02的接口电路如图4，软件使用I2C总线虚拟软件包。图5存储器接口电路图213显示电路设计当探测器检测到异常信号传给自动报警器时，只有解码正确时才会有开锁电平输出给单片机，控制关闭中断，解除用户端自动报警器的监测报警状态。此时，自动报警器对这个异常信号不做出任何响应，直到被复位后，自动报警器才重新开始工作。如果六次误码输入，则产生报警信号电平，触发报警器中断响应，此时报警器进入报警状态。密码电路中设有50秒定时中断输出控制信号，防止长时间无效操作。当有超过50秒的无效操作时，中断开启，发出报警信号。密码由用户端自动报警器设定，并可随时更改，由键盘可输入用户新密码。用户不小心输入错误时，在规定时间内更正密码即可解除报警，有效的预防了误报。输入密码时的按键有效提示由绿色发光二极管来实现，即密码输入正确时发光二极管被点亮；密码输入错误警告由红色发光二极管来实现，当输入密码错误时红色发光二极管被点亮。显示模块选用八位串行输入段码式LCD模块，是由八位的七段型液晶显示器件与显示驱动器MAX7219构成，可实现数据实时显示功能，原理图如图6所示。MAX7219接收来自显示控制器的时序信号和串行数据，并把它们转换成相应的液晶驱动图6显示电路214键盘接口电路设计键盘显示电路负责系统与外界的联系，数据或命令的显示，包括密码输入、修改密码输入、电话号码设置、紧急呼叫等功能。该电路在程序处理时，由PIC16F877A首先向I/O1I/O3写高电平，然后读入。如果非全1，说明K0K6中有键按下，此时可根据读入的端口状态来判断键的状态；如果结果为全1，则I/O1I/O3轮流输出低电平，再读入，这样就可以根据另外两根I/O线的状态来判别是K7K15中的哪一个键被按下。重复调用键盘处理子程序可将读取的键值与上次的值进行比较，直至两次读数相同为止，这样即可消除按键抖动所造成的误读。IO1、IO2、IO3分别接APIC16F877A的P01、P02、P03口。K0K9分别代表十个数字键，K10为清屏键，K11为密码确认键，K12密码修改键，K13为录音键、K14为放音键，K15为紧急呼救键。图7键盘电路22火灾探测模块设计无线火灾探测器是一种在消防管理、安全防范系统中常用的报警器材，它工作可靠、体积小巧，安装使用非常方便、灵活。由于传统的单元探测技术所采用的单一参数火灾探测器（包括阀值触发式和模拟量式）对火灾特征信号响应灵敏度的不均匀性，导致它对实际火灾的探测能力受到了限制，尤其是用于对学生公寓火情的准确探知更是尤为重要，因此，本系统中对火灾信号的检测采用多传感器/多判据的火灾探测技术，将探测器探测到的多元火灾探测信息经综合判断，利用神经网络智能算法，实现了多元同步智能探测，然后将报警信息经无线发射模块送回报警主机。本系统选用了一种工作可靠的复合型智能火灾探测器。它由温度探测、光电感烟探测探测构成。多传感器设计思想解决了传统防火探测器一直存在的误报率高的问题，增强了火灾探测的可靠性。光电感烟探测器不仅可探测一般火情，对阴燃火有极好的探测效果，主要用于火情早期各种燃烧的烟雾颗粒进行探测。221光电感烟探测器的电路设计作为发光器件，目前多采用大电流发光效率高的红外发光管，受光器件多采用半导体硅光电管，受光器件的阻抗是随烟雾浓度的增加而降低的，本电路所用的探测头采用的是OPTEK公司0P231和OP801SL光电组合套件作为发射管和接收管，其中，发射管典型供电电压为15V，接收管使用5V的自流电压供电。图8光电式感烟探测器电路图222温度探测器的电路设计差温火灾探测器由两个温度传感器组成一个温度传感器安装在金属板上（利用金属板来监测异常温度）；另一温度传感器安装在塑料壳体的内部，它监测正常室温。在无火情时，两温度传感器的温度相同如图9所示。温度传感器1温度传感器2金属板图9差温探测器结构示意图集成温度差传感器LM35是电压型集成温度传感器，其内部电路已校准的集成温度传感器，其输出电压与摄氏温度成正比，线性度好，灵敏度高，精度适中，其输出灵敏度为100MV/，精度达05，其测量范围为55150。在静止温度中自热效应低（008）。工作电压较宽，可在420V的供电电压范围内正常工作，且耗电非常省，工作电流一般小于60UA，输出阻抗低，在1MA负载时为01。LM35用胶粘在金属板和塑料盒内，分别输出V1及V2两个电压。集成温度差传感器电路和处理电路如图39所示，由AL组成差动放大器，在无火情时，V1与V2几乎相等，放大器输出几乎为零。A2组成电压比较器，由W设置比较电压，在无火情时比较器输出为低电平，LED不被点亮。若发生火情，V1V2，经AL放大后使输出电压大于W设置的电压，比较器翻转，输出为高电平，同时LED被点亮。采用两个温度传感器是可以消除冬天或夏天的温度差影响，使工作更为可靠。图10差温火灾传感器电路图23防盗探测模块设计学生公寓的防盗，较其他场合较为特殊。因为学生公寓在学校上课时间常常无人，而在放假期间，也有将近3个月的时期处于长期无人的情况，所以寝室的防盗尤为重要。防盗探测器是由红外与微波探测器组成的双鉴探测器12，较之以往的微波或红外单信号探测器，其误报率明显下降，原理示意图如图11所示。图11双鉴探测器原理示意图231热释电红外探测器电路设计与安装热释电红外探测器电路采用的器件包括红外探测器专用芯片红外传感信号处理器BISS0001、热释电红外探头RE200B及少量外围元件电阻电容。热释电红外探测器微波探测器与非门CD4011报警主机AT89S51图12红外探测器电路图232微波探测器的设计微波探测器电路使用的主要元件是单电源通用四运算放大器LM324、环形天线、微波振荡管C3355及一些外围元器件，外接6V电源。其电路图如图13所示。图13微波探测器电路图24无线信号发射与接收模块设计241无线信号发射电路的设计A无线信号发射的硬件电路无线信号的发射电路，采用AT89C2051单片机作为微控制器，当无线探测器探测到盗情或者火灾信号时，把警情信号送给单片机的中断引脚，产生中断信号，单片机响应中断后，把相应探测点的编码信号（防盗探测器编码为01H，防火探测器编码为02H）通过调制电路，调制后通过天线发射出去。图14无线信号发射电路B编码信号的软件实现采用软件实现编码的方法主要是模仿PT2262专用编码芯片的位脉冲波形，实现信号的编码，PT2262的位脉冲波形如下图15PT2262的位波形图利用单片机通过编程序的方法近似产生如上图所示的波形图，脉冲宽度采用软件延时的方法来实现，在程序中可以编几段延时子程序调用即可。242无线信号接收电路的设计A无线信号接收的硬件电路17UH5P5PR2512P22151310230P622360PR251UH30268415451330P24P2UH2732P104103204621104103103204475图16无线信号接收电路无线信号的接收电路，首先由天线接收到发射模块发射的315MHZ的信号，通过解调电路把信号解调出来，送给报警主机PIC16F877A的P00引脚，通过软件方式进行解码。25数据采集模块设计251电表数据采集的设计电子式电能表原理框图如图17所示，其工作原理是输入电能表的电压、电流信号经分压、分流器取样，输入到电子乘法器中相乘，得到一个与功率成正比的模拟电压电流，该电压电流经频率转换器转换成频率信号，在一段时间内计数，便得到这段时间内的电能值。频率信号经分频器分频后，一路频率较高的脉冲信号经过光电隔离送出，供外部计量抄表使用；另一路频率较低的脉冲信号直接驱动一体化计度器，记录电能。P00图17电子式电能表原理框图252水表数据采集的设计根据实际工作的要求，采用下面方案能够满足设计要求根据光电效应原理，在水表的一级齿轮上钻个小孔，齿轮上方放一固定光源。当光线被齿轮遮住时，光电管阻值很大，呈截止状态当齿轮转到光源正上方时，光从小孔通过，光电管导通，单片机检测到信号，进行计数。这种结构简单，容易安装。信号采集设备的主要部件为脉冲传感器，在设计中采用红外对管。电路图如图18所示图18光电感应电路水表采集数据的硬件框图如图19所示图19水表采集数据框图26断线检测电路的设计为防止线路故障或人为损坏而导致不能报警，作为一种补救措施，本系统中加入了断线检测电路，图20为断线、回铃检测电路。断线检测电路有两个，一个是由整流桥和9018构成的高输入阻抗检测电路，用于平时检测外线的线路电压，是主机自检的一部分。另一个是由光耦4N33构成，外线电压送到4N33的B端，若报警时外线突然被剪断，则C端跳变为高电平，此时单片机将由外线报警方式自动转换为警号报警方式，起到双重保护的目的。图20断线检测电路27节能模块设计节能模块主要是解决学生公寓经常出现的“长明灯”、“长流水”的现象。节电模块由热释电红外探测器作为人体感应器件，当寝室内处于无人的状况时，由系统硬件和软件计时30分钟，单片机响应预定的程序，控制继电器关闭寝室电源。节水模块通过对传统水表的改造，把普通水表改造为数字式水表，作为节水控制的信号采集元件。当采集到水管中有液体流动时，通知单片机计时，超过30分钟通常有人在时，不可能连续用水超过30分钟，则由单片机控制电磁阀关闭水源。28电源电路设计281主机电源电路的设计为了实现电源电路简洁化，方便电路的连接与控制，本系统所有芯片和探测器在选型时均选用5V供电。由于火灾探测和盗情探测必须实现24小时的不间断监控，不允许出现停电时的漏报，这就需要备用电源的支持。备用电源的主要作用是在输入回路断电时，将电池的电能供给负载，当电源恢复正常后，输入回路既负责向负载提供电源还要负责向电池充电，是可以实现及时、正确、可靠地产生交/直流掉电预警信号的直流在线式备用电源。市电220V的交流电压经过变压器及整流电路得到18V直流电压；再经过三端可调式电压调整器LM317将电压调整到13V，作为MAX831的输入电压及主、备用电源切换参考电压；经MAX831输出得到PIC16F877A单片机及其其他电路工作所需要的5V电压，电源电路原理图如图21所示。图21主机电源电路该电路由四个部分组成，它们的功能分述如下（L）电源变压器它的任务是把电源电压变压到合适的大小，这个电压决定于后面电路的需要。后级所接的集成三端稳压器LM317的输出电压为L3V，其输入电压与输出电压的最大差值为40V，如果变压器输出的电压值太大，会造成LM317的功耗太大，温度升高，且浪费电能。而且如果大或小到超过它的输入范围，三端稳压器不能正常工作，失去稳压作用。因此应使其大小合适，这个值应该使三端稳压器在交流电网电压最低和输出电流最大时能正常工作。而且在正常稳压的前提下，它的压降要尽可能小，以减少功耗。（2）整流电路它的任务是将交流电压变换成直流电压。这里采用桥式整流电路来实现，即用四个二极管来组成。（3）滤波电路它的任务是将全波整流后的电压通过电容滤波电路变成更平坦的直流电压，其原理是利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑，减小脉动，提高整流的效果。（4）稳压电路它的任务是输出满足要求的恒定直流电压，具体的实现方式如下首先，由于电路中使用了12V的蓄电池，当无外部电源供电时，可启动备用电源即蓄电池来供电。稳压输出的电压与蓄电池间通过二极管来连接，经过变压、整流、滤波后得到的是L8V直流电压，再通过集成三端稳压器LM317（可调整的输出电压范围为1237V）可调整到13V。当外部电源正常供电时，二极管D5、D6导通，D7截止，后级电路使用外部电源供电，同时为蓄电池充电；当外部电源没有供电时，二极管D5、D6截止，D7导通，后级电路使用蓄电池供电。系统工作中，如外部电源意外掉电，则系统自动切换为内部蓄电池供电，且切换过程中不影响系统工作状态，这样实现了主电源与备用电源的自动切换。282探测器电路电源的设计探测器电路的工作电源为5V直流电压供电，因此，必须把系统的输入电压转化为所需要的电压，本设计采用7805典型应用电路。我们采用的是市电供电的方式，经过整流、滤波、降压，得到所需的电压。为保证市电断电时，探测器仍然能够进行信号检测和处理，本部分仍然设计了后备电源电路。用4节12V的镍镉充电电池作为后备电源，电力不足时能够自动恒流充电；利用电压检测模块HT7050A，电池充电满后自动停止充电。当市电停电时，电子开关打开，后备电源接入系统。具体电路如图22所示。图22探测器电源电路3学生公寓安防测控系统软件设计31主程序设计图23主程序流程图32系统重要子程序设计321中断处理子程序设计图24中断处理子程序流程图322密码子程序设计图25密码子程序流程图323节能模块子程序设计图26节电程序流程图4学生公寓安防测控系统调试41系统硬件电路的调试通过实验测试，人体感应器模块的具体参数为工作电压为DC4512V，电源需要良好的滤波电平输出有人33V高电平，无人0V低电平；感应角度110度；静态电流小于50A；感应距离057米。42系统软件的调试在实验时，有以下几