0 前言
實(shí)驗(yàn)室是高校教學(xué)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，是綜合應(yīng)用型人才培養(yǎng)和教師進(jìn)行科學(xué)研究的重要場(chǎng)所。近年來(lái)，隨著高校規(guī)模的擴(kuò)大，各高校實(shí)驗(yàn)室也得以飛速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室器材占高校固定資產(chǎn)的比重也越來(lái)越大。但是，由于很多院校沒(méi)有實(shí)驗(yàn)中心，實(shí)驗(yàn)室主要依附于院系而存在，比較分散。這樣，集中實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的安全維護(hù)和管理存在較大困難。
基于上述問(wèn)題，文中提出了基于GSM和LPC2138的實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用32位ARM系列單片機(jī)LPC2138作為主控芯片，通過(guò)各種傳感器采集實(shí)驗(yàn)室信息，如有危害實(shí)驗(yàn)室安全的因素出現(xiàn)，通過(guò)GSM模塊發(fā)送短消息給監(jiān)控中心或者實(shí)驗(yàn)室管理員，及時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行維護(hù)，從而提高了實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由控制模塊、信息采集模塊、報(bào)警模塊三部分組成。
控制模塊由單片機(jī)芯片、LCD顯示、按鍵控制和電源電路組成。控制模塊主要控制協(xié)調(diào)系統(tǒng)的正常工作，單片機(jī)芯片將傳感器送來(lái)信息進(jìn)行處理、識(shí)別，并將關(guān)鍵信息在LCD顯示屏上顯示出來(lái)；用戶可通過(guò)按鍵控制和LCD顯示查看實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前狀態(tài)，可以進(jìn)行手動(dòng)布防和撤防操作，使用方便靈活。
信息采集模塊由各類傳感器及信號(hào)處理電路組成，主要功能是采集實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境信息和安全信息。傳感信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路處理后送主控模塊進(jìn)行處理。
報(bào)警模塊由聲光報(bào)警和GSM模塊組成，在接收到危害實(shí)驗(yàn)室的信息時(shí)，按照預(yù)先設(shè)定的警情處理模式，開啟相應(yīng)的報(bào)警方式。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 主控模塊硬件電路設(shè)計(jì)
主控模塊主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、按鍵控制電路和LCD顯示電路組成。
單片機(jī)采用菲利普公司的LPC2138，這是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32／16位ARM7 TDMI-STMCPU的微控制器，帶有512kB的嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器，128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。它對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用，使其可用16位的Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過(guò)30％，而性能損失卻很小。
按鍵控制和LCD顯示硬件電路如圖2所示。按鍵控制電路提供了4個(gè)獨(dú)立按鍵，每個(gè)按鍵都具有復(fù)合功能。用戶可通過(guò)4個(gè)按鍵和LCD顯示屏方便地查看安防系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和歷史警情信息，可以選擇合適的安防模式，而且還可以通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的布防和撤防。
2．2 信息采集模塊硬件電路設(shè)計(jì)
該模塊硬件電路主要由各類傳感器和信號(hào)處理電路組成，可大體分為兩部分。一部分采集實(shí)驗(yàn)室環(huán)境信息，包括溫度傳感器和濕度傳感器。而剩余的傳感器則采集實(shí)驗(yàn)室安全信息，如盜警和火警。
溫度和濕度的采集采用集成化的傳感器，無(wú)需處理電路，可以直接讀取實(shí)時(shí)的溫度、濕度信息。
煙霧傳感器是用來(lái)探測(cè)室內(nèi)氣體中的煙霧的，在系統(tǒng)中，用于火災(zāi)報(bào)警。煙霧傳感信號(hào)處理電路原理圖如圖3所示。煙霧傳感器一般安裝于房間的天花板上，采用散射式光感煙器件做煙霧傳感器CA3302B。J1的1、4引腳連接傳感器的內(nèi)部光源，2、3引腳連接傳感器的光敏元件。正常狀態(tài)下J1的2引腳為高電平，也就是IC2A的2腳是高電平，由于IC1A的1腳是高電平，所以輸出低電平，然后經(jīng)IC2B反向輸出高電平；當(dāng)煙霧進(jìn)入傳感器的暗室時(shí)，光線散射照在光敏元件上，其電阻率降低，IC2A的第2引腳變成低電平，其輸出高電平，經(jīng)IC2B反向，最后輸出低電平。單片機(jī)可以通過(guò)檢測(cè)IC2B的輸出判斷是否有煙霧報(bào)警即火災(zāi)報(bào)警。
熱釋電紅外傳感器是檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室中是否有人員活動(dòng)的，即屬于防盜報(bào)警。文中應(yīng)用Hamamatsu Corp公司的產(chǎn)品P228。信號(hào)處理電路原理圖如圖4所示。P2288的1腳為電源引腳接+5V電源，2腳為輸出引腳，3腳接地，有效探測(cè)范圍在7m左右。在正常狀態(tài)下，若沒(méi)有人員的活動(dòng)，P2288的2腳沒(méi)有輸出，處理電路的輸出端口保持低電平；若在其探測(cè)范圍內(nèi)有人員的活動(dòng)，則P2288的輸出引腳就輸出一個(gè)微弱的電流，經(jīng)R1轉(zhuǎn)化成電壓值加在一個(gè)單管共射放大電路的輸入端，經(jīng)放大后送至LM324組成的比較器，產(chǎn)生一個(gè)高電平輸出。
當(dāng)有人打破玻璃時(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。此傳感器可與門磁、窗磁一起作為盜警的參考報(bào)警信號(hào)。
2．3 報(bào)警模塊硬件電路設(shè)計(jì)
聲光報(bào)警采用帶警燈的報(bào)警器，由單片機(jī)控制的繼電器控制報(bào)警器的工作電源。
GSM通信模塊采用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。模塊的工作電壓為3．3～5．5V，可以工作在900MHz和1800MHz兩個(gè)頻段，所在頻段功耗分別為2W(900M)和1W(1800M)。模塊有AT命令集接口，支持PDU模式的短消息。TC35和LPC2138之間通過(guò)UART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)，程序流程圖如圖5所示。根據(jù)系統(tǒng)不同的功能模塊，設(shè)計(jì)相應(yīng)的子程序。具體講可分為主程序和GS-MS通信、按鍵控制、LCD顯示三個(gè)子程序組成。
主程序包括設(shè)備的初始化、數(shù)據(jù)的采集、信息處理和相關(guān)子程序的調(diào)用。數(shù)據(jù)采集時(shí)，將紅外和煙霧傳感器的信號(hào)設(shè)為外部中斷，火警中斷優(yōu)先級(jí)高于盜警中斷。而對(duì)于玻璃破碎傳感器、門磁和窗磁、溫度和濕度傳感器的信號(hào)進(jìn)行輪詢檢測(cè)、采集。信息處理對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，識(shí)別報(bào)警信息，按照安防狀態(tài)選擇合適的報(bào)警模式，并將當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室安全狀態(tài)送LCD顯示。
火警和盜警的處理除了啟動(dòng)聲光報(bào)警外，還需通過(guò)GSM通信模塊發(fā)出短消息通知實(shí)驗(yàn)室管理和維護(hù)人員。系統(tǒng)采用的TC35通信模塊，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。采用PDU模式時(shí)，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(shí)別碼／數(shù)據(jù)譯碼方案／有效周期／用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度／用戶數(shù)據(jù)；接收數(shù)據(jù)時(shí)其格式為：服務(wù)中心地址／PDU類型發(fā)信方地址／協(xié)議識(shí)別碼／數(shù)據(jù)譯碼方案／服務(wù)中心收到消息的時(shí)間／用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度／用戶數(shù)據(jù)。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)PDU數(shù)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)。
按鍵控制子程序設(shè)為中斷服務(wù)子程序，按鍵中斷的優(yōu)先級(jí)低于火警、盜警的優(yōu)先級(jí)。它可以實(shí)現(xiàn)查詢和設(shè)置兩大功能。查詢主要查詢系統(tǒng)當(dāng)前信息和歷史告警信息：設(shè)置功能除了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的布防和撤防外，還可設(shè)置不同的防范狀態(tài)。依據(jù)學(xué)校工作的特點(diǎn)，可將安防模式設(shè)為學(xué)期模式和假期模式，在這兩種模式下安防等級(jí)相同，不同的是報(bào)警的方式。學(xué)期模式下警情信息主要交由實(shí)驗(yàn)室管理員處理；而在學(xué)校寒暑假期間，則采用假期模式，警情信息由學(xué)校安保處值班人員處理。
4 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)利用GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)分散實(shí)驗(yàn)室的集中監(jiān)控及管理，能實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，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)，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。