公寓安全控制器的設(shè)計與FPGA實現(xiàn)

摘 要針對公寓安全問題，利用FPGA設(shè)計了公寓安全控制器。利用多種傳感器對房間的安全狀態(tài)進(jìn)行實時感知與監(jiān)測，安全控制器通過接收和分析不同傳感器的數(shù)據(jù)分別實現(xiàn)門禁刷卡錯誤報警、火災(zāi)報警、防盜報警以及大功率電器使用報警等功能。利用ICL7135對供電電流進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)而判斷是否有大功率電器使用；通過串口通信方式接收門禁讀卡器送出的ID卡信息并與正確的卡號進(jìn)行逐位比對判斷。時序仿真實驗表明系統(tǒng)可以實現(xiàn)對學(xué)生公寓安全狀態(tài)的監(jiān)控與報警。

【關(guān)鍵詞】防盜報警 傳感器 安全控制器 FPGA

學(xué)生公寓的安全事故時有發(fā)生而且近年來呈上升趨勢，給學(xué)生個人以及學(xué)校都造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會影響，學(xué)生公寓的安全成為社會尤其是學(xué)生家長和教育界關(guān)注的焦點問題，很多學(xué)者對學(xué)生公寓安全的監(jiān)測與控制進(jìn)行了大量的研究工作[1-3]。

現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）器件是一種新型的高密度可編程邏輯器件，采用CMOS-SRAM工藝制造。它不僅具有很高的速度和可靠性，而且具有可重復(fù)編程的特點。因此，現(xiàn)場可編程門陣列使數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計非常靈活，在信號采集與處理、復(fù)雜邏輯控制等方面得到了廣泛的應(yīng)用[4-11]。

本文利用ALTERA公司的EP4CE6E22C8芯片作為控制芯片構(gòu)建了公寓安全控制器，利用VERILOG語言設(shè)計了FPGA各個模塊電路。

1 系統(tǒng)框圖

公寓安全控制器系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)由FPGA主控芯片、ID卡識別電路、火災(zāi)檢測電路、紅外防盜電路、大功率電器檢測電路以及供電控制電路組成?？刂菩酒捎肊P4CE6E22C8，內(nèi)含6272個邏輯單元數(shù)和276480位存儲單元。

火災(zāi)檢測電路負(fù)責(zé)采集煙霧數(shù)據(jù)，并將信息傳送給FPGA用以判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，如果確認(rèn)有火災(zāi)發(fā)生則立即通過供電控制電路切斷電源。紅外防盜電路負(fù)責(zé)檢測是否有陌生人闖入房間，一旦發(fā)現(xiàn)立即發(fā)出聲光報警。大功率電器檢測電路負(fù)責(zé)檢測是否有大功率電器使用，一旦發(fā)現(xiàn)立即通過供電控制電路切斷電源并發(fā)出聲音警告，間隔一定時間后自動恢復(fù)供電。ID卡識別電路用于識別用戶的刷卡信息，并將用戶卡號傳送給FPGA進(jìn)行識別，如果卡號正確則開門并且關(guān)閉紅外防盜功能以免誤報警，如果卡號錯誤發(fā)出聲音警告。

2 模塊電路設(shè)計

2.1 A/D控制模塊設(shè)計

利用ICL7135實現(xiàn)對大功率電器檢測電路的輸出電壓信號進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，ICL7135是高精度4位半CMOS雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，具有雙極性高阻抗差動輸入、自動調(diào)零、自動極性和超量程判別等功能，具有±20000個計數(shù)分辨率，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字碼有串行輸出與分時并行輸出兩種輸出方式，與微處理器接口十分方便。

FPGA與ICL7135的接口電路如圖2所示。電流互感器串聯(lián)在220V交流電路中，輸出的電流信號經(jīng)過信號調(diào)理電路得到與電流呈線性關(guān)系的電壓峰值信號Um。Um輸入到A/D 轉(zhuǎn)換ICL7135轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字量并經(jīng)過FPGA計算可以得到房間供電的視在功率。

設(shè)置FPGA的rh引腳為高電平，啟動ICL7135進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，ICL7135的BUSY引腳出現(xiàn)上升沿。FPGA的busy引腳檢測到上升沿時啟動內(nèi)部計數(shù)器對clkin引腳輸入的脈沖（即ICL7135的時鐘脈沖CLOCK）進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，ICL7135的BUSY引腳出現(xiàn)下降沿，F(xiàn)PGA的busy引腳檢測到下降沿時停止內(nèi)部計數(shù)器，計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果S即完成A/D轉(zhuǎn)換所需的時鐘脈沖數(shù)。假設(shè)交流電流到Um的變換系數(shù)為K，A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓為Vref，則可以計算出供電線路的供電電流IAC的大小為：

（1）

一旦發(fā)現(xiàn)電流增加值超過程序設(shè)定的閾值則判定為有大功率電器使用，F(xiàn)PGA立即通過供電控制電路切斷電源以防止引起電氣火災(zāi)，同時發(fā)出聲音警告，間隔一定時間后自動恢復(fù)供電。

A/D控制模塊的時序仿真圖如圖3所示，rh引腳出現(xiàn)正脈沖啟動A/D轉(zhuǎn)換，在整個轉(zhuǎn)換期間busy引腳是高電平，busy信號和clkin信號做與運(yùn)算，則clkout為busy高電平期間通過的clkin脈沖。計數(shù)器對clkout脈沖進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)結(jié)果放在clkcnt寄存器中，如果給定（1）式中的IAC閾值，則計數(shù)器的計數(shù)閾值確定，若果clkcnt的計數(shù)值S超過此計數(shù)閾值，則報警輸出信號power_alert輸出高電平。圖3（a）中計數(shù)值沒有達(dá)到計數(shù)閾值， power_alert輸出低電平不進(jìn)行報警；圖3（b）中計數(shù)值達(dá)到計數(shù)閾值，power_alert輸出高電平進(jìn)行報警。

2.2 串口通信模塊

FPGA的串口通信模塊用于接收ID卡識別電路的輸出信號，串口通信格式采用9600bps波特率、無奇偶校驗、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位。FPGA將串口接收到的ID卡號與預(yù)先存儲的所有正確卡號進(jìn)行逐一校對，如果是正確的用戶信息則通過繼電器控制電磁鎖開門，如果是錯誤的用戶信息則進(jìn)行報警提示。

串口通信模塊的時序仿真圖如圖4所示，rx232_rx為串口數(shù)據(jù)輸入引腳，rx_data_r為串口數(shù)據(jù)接收寄存器，alert_out為讀卡錯誤報警輸出信號。 ID卡的卡號由10個數(shù)字組成，即讀卡器每次發(fā)送的卡號為10個字節(jié)，由rx232_rx引腳接收的數(shù)據(jù)以字節(jié)形式存儲在rx_data_r寄存器中并與正確的卡號逐位比較。如果卡號正確alert_out引腳輸出低電平不報警，如圖（a）所示，反之如果卡號錯誤alert_out引腳輸出高電平進(jìn)行報警，如圖（b）所示。

2.3 邊沿檢測模塊

FPGA的邊沿檢測模塊負(fù)責(zé)接收防火防盜電路的輸出信號。紅外防盜電路利用紅外熱釋電傳感器檢測是否有陌生人闖入房間，一旦發(fā)現(xiàn)立即發(fā)出聲光報警。紅外熱釋電傳感器是一種以非接觸的形式感應(yīng)紅外輻射并將其轉(zhuǎn)換為電信號的儀器，利用熱電效應(yīng)原理來完成對移動物體紅外輻射的感應(yīng)。具有功耗小、成本低、隱蔽性好、靈敏度高等特點。熱釋電傳感器沒有檢測到人體移動時輸出低電平，反之當(dāng)熱釋電傳感器檢測到人體移動時輸出高電平，即輸出端會出現(xiàn)由低到高的上升沿信號。

火災(zāi)檢測電路利用煙霧傳感器檢測CO煙霧濃度用以判斷是否發(fā)生火災(zāi)。煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，它將可燃性氣體在空氣中的含量（即濃度）轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號，通過比較電路可以設(shè)置檢測的靈敏度，比較電路的輸出為數(shù)字量。沒有檢測到CO煙霧比較電路輸出低電平，如果檢測到CO煙霧并且超過參考值則比較電路輸出高電平，即輸出端會出現(xiàn)由低到高的上升沿信號。

FPGA的邊沿檢測模塊具有兩個輸入引腳分別檢測紅外防盜電路輸出的上升沿和火災(zāi)檢測電路輸出的上升沿。如果檢測到上升沿信號則確定有盜竊或者火災(zāi)情況，并立即進(jìn)行報警提示。

邊沿檢測模塊的時序仿真圖如圖5所示，fire引腳接收火災(zāi)檢測電路的輸出，theft引腳接收紅外防盜電路的輸出，safe_alert[1..0]引腳為報警輸出引腳。如果檢測到fire引腳上升沿到來就表示有火災(zāi)發(fā)生，safe_alert t[1..0]引腳輸出二進(jìn)制01，如圖（a）所示，如果檢測到theft引腳上升沿到來就表示有盜竊發(fā)生，safe_alert t[1..0]引腳輸出二進(jìn)制10，如圖（b）所示。

3 結(jié)束語

本文利用FPGA設(shè)計了一個公寓安全監(jiān)測與控制系統(tǒng)，利用QUARTUSII軟件基于VERILOG語言編寫了各個模塊電路的程序，通過QUARTUSII軟件自帶的仿真環(huán)境進(jìn)行了時序仿真，仿真實驗表明系統(tǒng)可以實現(xiàn)ID卡識別與錯誤信息報警、紅外防盜報警、大功率電器使用報警以及火災(zāi)報警功能，為公寓安全提供了全面防護(hù)。

參考文獻(xiàn)

[1]周維龍，肖伸平，陳剛等.基于物聯(lián)網(wǎng)的大功率電器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，28（05）：95-99.

[2]洪樹亮.基于STM32F103住宅智能防火防盜報警系統(tǒng)的設(shè)計[D].蘭州交通大學(xué)，2015.

[3]李清琳，高國偉，陳亞京等.無線防火防盜智能報警裝置[J].傳感器世界，2016，22（06）：24-28.

[4]王碩，馬永奎，高玉龍等.基于FPGA的改進(jìn)結(jié)構(gòu)的DDS設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42（03）：28-30，34.

[5]江燦輝，孫希延，嚴(yán)素清等.基于DSP和FPGA的衛(wèi)星信號模擬器設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42（09）：51-54.

[6]蘇文虎，陳迅.基于FPGA的寬頻超聲波電源頻率跟蹤系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43（03）：59-62.

[7]翁天陽，莊宇，于瑋等.基于HPS和FPGA的圖像壓縮感知編解碼系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，40（05）：90-93.

[8]楊秀增，楊仁桓.基于FPGA的高精度超聲波測距儀設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（01）：137-139，144.

[9]叢子林.基于溫度傳感器和FPGA室內(nèi)溫度智能無線控制設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（06）：70-72.

[10]朱宇.一種基于真隨機(jī)序列和安全散列算法可靠加密FPGA設(shè)計的方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（07）：78-80，84.

[11]徐海剛，李朋偉.智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中多視角目標(biāo)跟蹤研究與FPGA實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（17）：6-11.

作者簡介

史振江（1979-），男，河北省唐山市人。碩士學(xué)位。副教授職稱。主要研究方向為智能檢測與控制技術(shù)。

作者單位

石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北省石家莊市 050041