基于數據融合技術的公寓安全監控系統研究

史振江+鄭華

摘要：為了解決公寓安全問題，利用FPGA設計了公寓安全監控系統。利用多種傳感器對公寓的安全狀態進行實時感知與監測，實現了火災報警、防盜報警以及大功率電器使用報警等功能。系統根據報警安全級別對來自不同傳感器的報警信號進行數據融合，最終完成報警輸出。利用VERILOG語言編寫了各個模塊電路的程序，通過QUARTUSII軟件的時序仿真實驗表明系統可以實現對公寓安全的有效監控與報警。

關鍵詞：防盜報警；傳感器；安全監控；FPGA

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）06-0093-03

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

現場可編程門陣列（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，而且具有可重復編程的特點。因此，現場可編程門陣列使數字電路系統的設計非常靈活，在信號采集與處理、復雜邏輯控制等方面得到了廣泛的應用[4-11]。

本文利用ALTERA公司的EP4CE6E22C8芯片作為控制芯片構建了公寓安全監控系統，實現了火災報警、防盜報警以及大功率電器使用報警3路報警信號的數據融合。

1 系統框圖

公寓安全監控系統框圖如圖1所示，系統由FPGA主控芯片、火災檢測電路、紅外防盜電路、大功率電器檢測電路、報警輸出電路以及供電控制電路組成。

火災檢測電路負責采集煙霧數據，并將信息傳送給FPGA用以判斷是否有火災發生，如果確認有火災發生則立即通過供電控制電路切斷電源。紅外防盜電路負責檢測是否有陌生人闖入房間，一旦發現立即發出聲光報警。大功率電器檢測電路負責檢測是否有大功率電器使用，一旦發現立即通過供電控制電路切斷電源并發出聲音警告，間隔一定時間后自動恢復供電。FPGA的數據融合模塊根據安全級別由高到低的順序依次檢測來自不同傳感器的報警信號，最終完成報警輸出。

2 模塊電路設計

2.1 邊沿檢測模塊

FPGA的邊沿檢測模塊負責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，一旦發現立即發出聲光報警。紅外熱釋電傳感器是一種以非接觸的形式感應紅外輻射并將其轉換為電信號的儀器，利用熱電效應原理來完成對移動物體紅外輻射的感應。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，即輸出端會出現由低到高的上升沿信號。

火災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生火災。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）轉化成電壓或者電流信號，通過比較電路可以設置檢測的靈敏度，比較電路的輸出為數字量。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情況，并立即進行報警提示。

邊沿檢測模塊的時序仿真圖如圖2所示，fire引腳接收火災檢測電路的輸出，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發生，safe_alert t[1..0]引腳輸出二進制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生，safe_alert t[1..0]引腳輸出二進制10，如圖（b）所示。

2.2 A/D控制模塊設計

利用ICL7135實現對大功率電器檢測電路的輸出電壓信號進行A/D 轉換，ICL7135是高精度4位半CMOS雙積分型A/D轉換器，具有雙極性高阻抗差動輸入、自動調零、自動極性和超量程判別等功能，具有±20000個計數分辨率，A/D轉換后的數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3所示。電流互感器串聯在220V交流電路中，輸出的電流信號經過信號調理電路得到與電流呈線性關系的電壓峰值信號Um。Um輸入到A/D 轉換ICL7135轉換為對應的數字量并經過FPGA計算可以得到房間供電的視在功率。

設置FPGA的rh引腳為高電平，啟動ICL7135進行A/D轉換，ICL7135的BUSY引腳出現上升沿。FPGA的busy引腳檢測到上升沿時啟動內部計數器對clkin引腳輸入的脈沖（即ICL7135的時鐘脈沖CLOCK）進行計數。當A/D轉換結束時，ICL7135的BUSY引腳出現下降沿，FPGA的busy引腳檢測到下降沿時停止內部計數器，計數器的計數結果S 即完成A/D轉換所需的時鐘脈沖數。假設交流電流到Um的變換系數為K，A/D轉換器的基準電壓為Vref，則可以計算出供電線路的供電電流IAC的大小為：

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

A/D控制模塊的時序仿真圖如圖4所示，rh引腳出現正脈沖啟動A/D轉換，在整個轉換期間busy引腳是高電平，busy信號和clkin信號做與運算，則clkout為busy高電平期間通過的clkin脈沖。計數器對clkout脈沖進行計數，計數結果放在clkcnt寄存器中，如果給定（1）式中的IAC閾值，則計數器的計數閾值確定，若果clkcnt的計數值S超過此計數閾值，則報警輸出信號power_alert輸出高電平。圖4（a）中計數值沒有達到計數閾值， power_alert輸出低電平不進行報警；圖4（b）中計數值達到計數閾值，power_alert輸出高電平進行報警。endprint

2.3 數據融合模塊

FPGA的數據融合模塊負責接收來自多個傳感器的報警信號的分析和判斷。在安全防范的重要性上，火災傳感器的報警信號級別最高，其次是防盜傳感器的報警信號，最后是電流傳感器的報警信號。因此數據融合模塊應該按照優先級別由高到低的順序依次檢測來自不同傳感器的報警信號，如果有級別的高的報警信號產生可以直接產生最終的報警輸出信號，而不必再檢測級別低的報警信號。數據融合模塊的時序仿真圖如圖5所示，當有火災報警（firet_alert= 1）時，alert_out輸出100，當有防盜報警（theft_alert=1）時，alert_out輸出010，當有大功率電器報警（power_alert=1）時，alert_out輸出001。圖5（a）中當3路信號同時報警時，因為fire_alert優先級最高，所以報警輸出alert_out輸出100。圖5（b）中當theft_alert和power_alert同時報警時，因為theft_alert優先級高于power_alert，所以報警輸出alert_out輸出010。圖5（c）中當只有power_alert報警時，報警輸出alert_out輸出001。

3 結語

本文利用FPGA設計了一個公寓安全監測與控制系統，利用多種傳感器對公寓的安全狀態進行實時感知、監測與報警。系統根據報警安全級別對來自不同傳感器的報警信號進行數據融合，不同報警信號輸出不同的報警類型代碼，實現了多路報警信號的融合與識別。通過QUARTUSII軟件進行了各個模塊電路的時序仿真，驗證了系統對公寓安全監控與報警的有效性。

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