宿舍智能防火防盗报警系统
宿舍防火防盗智能报警系统
摘要：本系统采用ARM1138单片机作为控制系统的控制核心，利用Q-2烟雾传感器实现烟雾检测，热释电人体红外传感器实现人体检测，红外光电传感器检测人员进出，URAT模块实现异地通讯和网络控制，键盘输入密码解警，无线发射器和无线接收报警器实现贵重物品进出检测，蜂鸣器模块实现报警，所有记录情况采用液晶显示。上位机与主控端直接通信，实现人机交互，体现智能化。主控端可以与各监控端通信，能显示当前各监控端的安全信息。监控端具有人体监测、烟雾监测、声光报警。烟雾传感器放大电路、声光报警电路、键盘电路、稳压电源电路经过测试均达到较好效果。
利用有线通信实现主控端对各宿舍监控端传感器模块的控制。经过测试，本系统能够很好的完成题目各项要求。
关键词：ARM1138；UART通信；烟雾传感器；热释电人体红外传感器
1方案论证与设计
给出总体方案，列举出关键技术，分别对关键技术阐述方案。
显示模块
主
机外部存储
键盘电路有线传输声光报警
直流电源
显示模块
从
机
声光报警
显示模块
有线传输
人体检测
直流电源
键盘电路烟雾检测
1.1控制模块方案
方案一：采用通用的51单片机作为主控制器。51单片机通用灵活、价格低廉、使用方便，但此单片机字长有限，数据处理能力很弱，处理速度较慢，资源不够丰
富，需要扩展较多的外围电路，降低了系统的可靠性，增加了制作的费用，难以满足本设计要求。
方案二：可编程逻辑器件CPLD,它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、标准产品无需测试等特点，可实现较大规模的电路设计。但是，该器件主要依赖于软件设计，缺少硬件的配合，致使程序设计复杂，难以使用，运算速度太快。CPLD同样难以满足本设计的需要。
方案三：采用 ARM1138 单片机来实现，此单片机I/O接口比较多，易于扩展外围电路，开发板集成了键盘、数码管，时钟、ZLG7290等芯片。另外方便的是该芯片内置在线仿真，编程接口，可以方便实现在线调试，这大大简化了系统的开发和调试的复杂度。
对以上三种方案进行比较，方案一需要扩展较多的外围电路，降低了系统的可靠性，增加了制作的费用，方案二依赖于软件设计，缺少硬件的配合，致使程序设计复杂，难以使用，采用方案三接口比较多，可以方便实现在线调试，这大大简化了系统的开发和调试的复杂度。
1.2电源模块
方案一：采用两节4.2V可充电式锂电池供电，经过7805的电压变换后给单片机系统和其他芯片供电。锂电池的电量比较足，并且可以充电，重复利用，因此，这种方案比较可行。但锂电池的价格过于昂贵，这会大大超出我们的预算，为遵循此次大赛成本低的原则，放弃了这种方案。
方案二：采用9V干电池经7805降压、稳压后给单片机系统和其他传感器供电。电池电量低，使用后丢弃会对环境造成污染，不符合绿色环保的理念。
方案三：采用直流稳压电源。输出精度高，0到32V可调，调节范围大，使用简单，能为单片机提供稳定的工作环境。
经过比较，采用方案三。
1.3有线模块方案
方案一：红外通信，红外通信器件易得，价格低廉，但必须直线收发是其致命弱点。
方案二：采用自制的无线电发射和接收电路进行无线收发，此方案虽然思路简单，但是硬件电路的连接与调试十分复杂，装置工作时的稳定性难以保证。
方案三：综合使用RS485总线和RS232总线，通过RS485与RS232接口转换，将通过RS485的信息通过RS232传到单片机上，但是这需要连线布局，较为麻烦。
方案四：采用UART有线通信模块，UART有线通信协议十分简单，以低电平作为起始位，高电平作为停止位，中间可传输5—8比特数据和一比特奇偶校验位，奇
偶校验位的有无和数据比特的长度有通信双方约定。收发可同时进行，互不干扰。综上考虑，我们选用UART有线通信模块，确保了通信的流畅性和准确性。
1.4显示部分设计方案
方案一：采用八位共阴极LED数码管进行显示，利用单片机串行口的移位寄存器工作方式，外接MAX7219串行输入共阴极显示驱动器，每片可驱动8个LED数码管。
方案二：采用点阵字符型TS12864A-3LCD液晶显示，可以显示数字与阿拉伯字母等字符，随着半导体技术的发展，TS12864A-3LCD的液晶显示越来越广泛的应用于各种显示场合。
比较这两种方案，数码管显示驱动简单，但显示信息量少，功耗大；利用液晶显示可以工作在低电压、低功耗下，显示界面友好、内容丰富，综合考虑，选用TS12864A-3LCD来实现显示功能。
1.5烟雾检测模块方案
方案一：采用光敏传感器，该传感器是最常见的传感器之一，可以对许多烟雾浓度进行检测，但是在进行检测时要将烟雾信号转化为光信号才可以，经尝试，电路不稳定，不易控制。
方案二：采用Q—2烟雾传感器，它是一种离子是烟雾传感器，工作性能稳定可靠，低功耗，结构设计独特，防虫、防尘、抗外界光线干扰并且有特殊的防潮设计。可以广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器，并且价格适中。
综合考虑我们选择方案二。
1.6人员监测模块的选择
方案一：采用光电开关。它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通，从而检测物体有无的。物体不限于人、动物、金属等，所有能反射光线的物体均可被检测。因此，它不能起到只检测宿舍有无人员的作用，并且监测距离有限。
方案二：利用图像识别的原理。先提前把宿舍人员信息存储起来，对宿舍的人员进行辨别，当非本宿舍人员进入时便提示并报警，直到宿舍人承认并消除报警后再停止报警，利用图像识别不仅能实现报警功能，而且还能实现记录进入人的面貌，但是其成本高，推广起来不方便，不适用于学校宿舍的推广。
方案三：采用热释电人体红外传感器。菲涅尔滤光片能有效地让人体辐射的红外线通过，而阻止太阳光、灯光等可见光中的红外线通过，免除干扰。在电子防盗、人体探测器领域中，应用广泛，技术性能稳定。本身不发生任何类型的辐射，器件
功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。
综合考虑以上情况我们选择方案三。
1.7提示锁门模块
方案一：采用自制的蜂鸣器电路，实现声光报警。该方案实现比较容易，蜂鸣器的声音可以很好的提示锁门。并且所有报警电路都用蜂鸣器模块，节省了I/O口线资源。
方案二：采用ARM1138内部自带的语音模块，以软件的形式实现。程序设计较为复杂，并且降低程序执行效率。
综合考虑，选用方案一。
1.8贵重物品检测模块
方案一:采用振动传感器。将振动的加速度转换成与之成比例的电压输出。可以检测环境振荡及低振荡，当物体移动时就报警，达到实时检测，但是其抗干扰能力低，而且麻烦，不利于一些经常移动的物体检测。
方案二：根据超市等一些大型场合的防偷盗检测原理，采用贴条形码的形式，将贵重物品的表面贴上条形码，将检测装置放置在宿舍的门口，当物品被拿出时便报警。
方案三：采用再昂贵物品上装信号发生器，在监测地点装信号接收器，当贵重物品被拿出超过一定范围之后，自动发生报警信号，以此来监测贵重物品。此物品小巧，便宜，使用简单并且监测效果较好。
综合上述方案，考虑推广普及成本及监测效果，采用方案三。
2原理分析与硬件电路图
2.1稳压电源模块
根据系统要求，我们使用直流信号源，为单片机提供一个稳定的输出电压，确保机内核、外设以及外接传感器工作准确性、稳定性。
2.2传输模块设计
我们采用的有线传输模组以芯片集成UART模块为核心，使得设备之间即使晶振频率不同也可进行异步通信，完全可编程的串口接口特性，可有效降低误码率，使用简单可靠。实现宿舍情况数据的异地监控。
2.3键盘模块设计
我们采用 2×8键盘实现输入密码解码解除报警功能，并且可以用键盘模拟锁门与未锁门，开启与关闭人体检测功能。电路图见附录图2
2.4烟雾检测模块
我们采用Q—2烟雾传感器，每个宿舍安装一个Q—2烟雾传感器，它是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，当有烟雾时它产生一个高电平，并将此高电平输出给单片机，单片机得到高电平信号控制报警装置发出报警信号，并使LED灯发光。为遵循此次比赛低成本原则，我们未采用现有的烟雾传感器的模组。调试过程中我们尝试过多种方案，如利用反相器等设计的方案，最终确定用该模块实现烟雾检测。最终设计的烟雾传感器电路原理图如附录图3
2.5人体检测模块
题目要求我们检测出宿舍人员的进出情况并记录人数，若只用两个热释电人体红外传感器来检测并计数，由于它的反应速度较慢，当两人或两人以上同时进入宿舍时它无法识别，因此，我们额外用了两个红外传感器来计数。考虑到以上情况，我们采用热释电人体红外传感器来识别是否有温度变化（即是否进出物是人），用红外避障传感器来统计出入人数。
人体检测功能可关闭，需要时用键盘开启。开启时如果检测到有人就开启声光报警。
通过算法可使两个红外避障传感器分辨人员进、出两种状态。从而计算出宿舍人数。
当宿舍人数为零，并且门已锁时(可用键盘模拟)，开启人体检测，如果检测到有人进入，则进行报警。
热释电红外传感器原理图如附录图4所示
2.6显示模块设计
在系统中，利用TS12864A-3LCD液晶显示模组作为显示模块，利用键盘相应按键显示时间、人数、人员的进出情况、烟雾检测情况以及输入密码解警情况。该模块具有计数、状态显示、时间显示等功能。
2.7提示锁门模块设计
当单片机系统检测宿舍无人时，由内部程序控制麦克发出报警，提示锁门，锁门后即使宿舍无人也不会报警，键盘可模拟是否锁门。
2.8贵重物品检测模块设计
由一个无线发射器和一个无线接收报警器，发射器一直保持发射状态，将发射器放在贵重物品里，当发射器离开接收器一段距离后，发射器开始报警。
3软件设计
系统的软件设计采用C语言，对单片机进行编程实现各项功能。
程序在windows 环境下采用ARM1138编程开发环境下编写，可实现宿舍内人员的进出情况检测以及人数记录、烟雾检测、声光报警、异地监控、输入密码解警、宿舍无人提示锁门、记录安防情况等功能。
从机程序流程图中断程序流程图主机程序流程图
4测试系统与误差分析
4.1.1烟雾传感器
烟雾传感器内部有一个加热丝，加热一段时间后才会有反应，即需要预热，预热后，当有烟雾时就会输出高电平，烟雾散去则输出低电平。测量情况如表1：根据以上数据，由于我们采用的比较器基准电压由TL431提供，最小值为2.5V,我们将可变电阻调到了40K左右。
4.1.2热释电人体红外传感器测试
热释电传感器模块上有两个电位器，一个可以调节延时时间，另一个可以调节测试距离。经过五次测量取平均值，我们测试的数据如表2：
表2热释电红外传感器测试
热释电红外人体与正前方的
夹角
可检测的最
大距离
可检测的最
小距离
延时时间
调节两个电位器
0 633cm 180cm 1.75s
15 583cm 164cm 1.83s
30 555cm 142cm 1.79s
45 486cm 130cm 1.81s 60度以上检测不到
4.1.3光电传感器测试
给红外接近开关加5V电压，适当拉近或远离反射物体，调整电位器的大小，使得红外接近开关在一定范围内能检测到反射物体。经调整，传感器测到反射物体的有效距离及传感器相应角度，如表3：
表3 红外接近传感器测试
所加电压检测平均最
小距离
检测平均
最大距离
次数
5 3．3cm 45cm 10
7 3．1cm 100cm 10
9 3．8cm 110cm 10
总结，虽说规定该传感器工作电压为5v,但是经我们检测，符合安全标
准的最佳工作电压在7v左右，因此我们采用7v电压供电。
5设计总结
本设计实现了题目的基本要求，发挥部分也大部分实现了功能。通过不断的硬件试验和程序调试，宿舍防盗防火报警系统能较好的按照题目的要求运行。期间我们也遇到了很多问题。曾不断调试烟雾传感器的精确度，让其达到比较精确地目的。由于时间紧，工作量大，加之经验不足，水平有限，系统还存在很多需要改进的地方。本次竞赛极大地锻炼了我们各方面的能力，让我们懂得了合作的重要性与思维的无限性。虽然我们遇到了很多困难与障碍，但是总体上成功与挫折交织，困难与
希望并存，今后我们将继续努力，争取更大进步。 参考文献
[1] 陈炳和.计算机控制系统基础.北京：北京航天航空大学出版社，2001. [2] 谢自美.电子线路设计·实验·测试（第二版）.武汉：华中理工出版社，2000. [3] 阎石《数字电子技术基础》高等教育出版社，2006.5 [4] 童诗白 《模拟电子技术基础》高等教育出版社，2006.5 [5] 曾兴雯《高频电子线路》高等教育出版社 2004.1
附录
图1 单片机最小系统图
3.3K 3.3K 3.3K 3.3K 3.3K 3.3K 3.3K 3.3K k1
k2.
k3
k4
k5
k6
k7
k9
k10
k11k12k13
k15K8
k16
k14
D I G 0
D I G 1
D I G 2
D I G 3
D I G 4
D I G 5
D I G 6
D I G 7
图2 键盘电路图
100
K
1k
10k
TL 431
\
A
LM339
47k
VCC
R?RES
A B
B B
H H
VCC
VCC
图3 烟雾传感器原理图
图4 热释电红外传感器原理图
表1 烟雾传感器测试
烟雾传感器的输出端与接地端之间的电阻
检测气体种类
输出电压变化范围
1K
普通烟雾 0.05V--0.90V 火机里的液化气
0.O5V--4.86V 10K
普通烟雾 0.73V--2.10V 火机里的液化气
0.73V--4.92V 30K
普通烟雾 1.16V--2.72V 火机里的液化气
1.16V--4.97V 40K
普通烟雾 1.72V--3.13V 火机里的液化气
1.72V--4.98V 50K
普通烟雾 2.28V--3.13V 火机里的液化气
2.28V--4.96V 70K
普通烟雾 3.39V--4.42V 火机里的液化气
3.39V--
4.98V
低频数字式相位测量仪