實訓室遠程智能報警系統的設計與實現

徐又又，韋政

（深圳第二高級技工學校，深圳518049）

實訓室遠程智能報警系統的設計與實現

徐又又，韋政

（深圳第二高級技工學校，深圳518049）

針對職業院校實訓室安全管理方式存在的不足，設計一種室內安防報警系統。該系統由兩大部分構成：報警主控端和數據采集終端。系統設計結合兩種無線技術：采集終端與主控端的通信采用2.4GHz無線通信，而主控端與遠程用戶的通信采用無線移動技術，GSM通信。系統實時采集門、窗、電的開關狀態，當發生異常時，立即運行短信報警程序，將報警短信發送到實訓室管理員手機，通知管理員室內異常情況，從而實現真正的智能安防。實驗結果表明，該系統能達到預期的安防效果，具有一定實用意義。

0 引言

實訓室作為職業院校的核心和培養高技能人才的搖籃，每年承擔著大量的實訓任務。對于這些重要的學習場所，高標準的安防措施[1]是不容忽視的。因此學校的實訓室都安排有專門的工作人員對其進行管理。實訓室管理員每天都要進行巡視，檢查實訓室的門、窗、電是否關閉。有的實訓室晚上也對學生開放，經常有學生甚至老師在用完實訓室后忘記關窗或電閘，甚至忘了關門，而實訓室管理員無法及時地監控到這些安全隱患，從而導致安全事故的發生。因此設計了一種智能報警系統[2]，其中數據采集終端利用傳感器采集各種信息，如門磁傳感器采集門或窗的開閉信息，若門或窗在實訓室沒有人使用的時間段內沒有關閉，數據采集終端會將該信息通過無線傳輸方式[3]傳送至報警主控端，主控端將立即啟動報警程序，將報警短信[3]發送到實訓室管理員的手機上，以便管理員進行及時地處理，防范于未然。系統還具有供管理員輸入手機號碼、查詢報警記錄、顯示報警信息、顯示室內溫濕度、顯示當前時間等多種功能，有很高的實用性。

1 實訓室遠程報警系統的總體設計

1.1 系統的總體結構

（1）系統總體結構框圖

該系統由兩部分組成，一是基于ARM處理器（STM32F103）的報警主控端；一是基于MCU（STM8S103）的數據采集終端，根據采集數據的不同，又分為窗開關信息采集端、門開關信息采集端和電閘開關信息采集端。

系統設計結合了兩種無線通信技術：數據采集終端與報警主控端的通信采用了NRF24L01無線通信模塊，而主控端與遠程用戶的通信采用了無線移動技術，GSM通信[4]。系統總體結構框圖如圖1所示：

圖1 系統總結構框圖

（2）系統報警主控端結構框圖

報警主控端主要負責接收報警信息，對報警信息進行處理，控制GSM模塊發送報警短信到預先設置的綁定手機上。同時能供實訓室管理員通過人機界面進行設防周期設置、報警電話設置、查詢報警記錄，并控制顯示器顯示報警信息。此外還具有檢測室內溫濕度、顯示當前時間等多種功能。因此報警主控端結構框圖如圖2所示：

圖2 報警主控端結構框圖

（3）系統數據采集終端結構框圖

數據采集終端主要負責采集門、窗、電閘有沒有關閉等信息，并將測得的數據通過RF無線網絡發送到報警主控端。因此，數據采集終端結構框圖如圖3所示：

圖3 數據采集終端結構框圖

1.2 系統的功能

智能安防報警系統主要負責實訓室的安全問題，當室內出現異常時，需要采取必要的措施并及時通知用戶，因此本系統主要實現了以下功能：

（1）實時監控功能數據采集終端部分在實訓室無人使用的時間段內監測室內情況，如門窗有沒有關閉、電閘有沒有關閉等，并將測得的數據通過無線網絡發送到報警主控端。

（2）短信報警功能當檢測到門或窗沒有關閉、電閘沒有關閉，同時又處于設防周期內時，報警主控端控制GSM模塊發送報警短信到預先設置的綁定手機上，提醒其室內的異常情況。此時管理員可以根據手機上報警的具體情況，從而做出相應處理。

（3）設備學習功能在初次安裝報警系統的房間內，實訓室管理員可以通過主控端的人機交互模塊先進行設備學習，以便報警主控端辨認不同的數據采集端。

（4）參數設置功能實訓室管理員能通過主控端的人機交互模塊設置報警電話、設防周期和當前時間等參數。

（5）記錄查詢功能能記錄報警信息（報警端的名稱、狀態和時間），可供管理員查詢。

2 系統硬件設計

2.1 MCU選型

微控制器是整個系統的核心，因此其選型尤為重要。系統由數據采集終端和報警主控端兩個部分組成，由于功能不同，所以選用了不同的MCU。

（1）ARM報警主控端芯片選擇

報警主控端選用意法半導體公司的STM 32F103RB芯片作為控制核心，選擇理由如下：ARM 32位的Cortex-M3CPU[5]，性能強大，便于功能擴展；128K字節閃存程序存儲器和20K字節SRAM；2個SPI接口，便于與NRF24L01無線通信模塊通信；2個IIC接口，便于與數據存儲芯片AT24C32和時鐘芯片DS1307通信；同等價位的MCU芯片中，其資源最豐富。

（2）數據采集終端芯片選擇

數據采集終端選用意法半導體公司的STM8S103芯片作為控制核心，選擇理由如下：每一塊芯片都有一個全球唯一的ID號，可以為每一個數據采集終端提供一個唯一的地址，便于報警主控端辨認報警地址，區分不同的采集終端；SPI接口，便于與NRF24L01無線通信模塊連接；主流典型的微控制器；體積小、價格低。

2.2 報警主控端硬件設計

（1）GSM模塊電路設計

系統采用SIM900A模塊進行GSM通信，如圖4所示。SIM900A模塊與主控ARM采用全雙工的異步串口進行數據通信，電路連接圖如圖5所示，只需要RX和TX兩根通信線的連接，另外模塊需提供兩個電源，一個是3.3V的I/O接口電源，一個是5V的無線通信工作電源。

（2）NRF24L01無線收發模塊電路設計

系統采用NRF24L01無線傳輸模塊實現報警主控端與數據采集終端之間的無線通信，其實物圖如圖6所示。該模塊有多個控制信號引腳，CE腳為芯片的使能引腳，IRQ為中斷標志位，VDD為電源輸入端，輸入3.3V電壓，還有SPI總線的四個引腳，CSN、SCK、MOSI和MISO。與報警主控的電路連接圖如圖7所示。

報警主控端的NRF24L01無線模塊工作于接收狀態。它的工作原理為：首先NRF24L01設置為接收模式，當接收到無線數據時，NRF24L01置位IRQ標志位，通知MCU取數據。MCU會通過SPI接口讀取NRF24L01接收到的32位的數據。

圖4 SIM900A實物圖

圖5 GSM模塊與報警主機主控的異步串口的連接圖

圖6 NRF24L01模塊實物圖

圖7 NRF24L01模塊與報警主控的連接原理圖

（3）液晶顯示模塊電路設計

系統采用QC12864B漢字圖形點陣液晶顯示模塊進行顯示，如圖8所示。為了減少電路連接線，模塊與主控ARM通過LCM_CS、LCM_SID以及LCM_SCLK三個引腳完成串行數據通信。

圖8 液晶顯示模塊實物圖

由于主控ARM的I/O電平是3.3V，而液晶顯示模塊的驅動電壓是5V，因此電路采用開漏的連接方式：即當需要傳輸低電平信號時，采用強驅動的互補推挽輸出低電平，當需要傳輸高電平信號時，采用設置為輸入狀態，即外部的上拉電阻將引腳信號拉到5V，這樣就完成了不同電壓之間的數據匹配，如圖9所示。

圖9 液晶顯示模塊與報警主控的連接原理圖

（4）溫濕度采集模塊電路設計

系統采用溫濕度傳感器DHT11采集溫濕度信息，如圖10所示。DHT11是單線制通信的數字式傳感器,因此將其DATA數據線直接與ARM的PB4連接,進行溫濕度數據的采集，如圖11所示。

圖10 溫濕度傳感器DHT11

圖11 溫濕度傳感器與報警主控的連接原理圖

（5）時鐘模塊與存儲模塊電路設計

系統采用一款集時鐘電路和存儲電路于一體的模塊實現時鐘功能和存儲功能，如圖12所示。模塊時鐘芯片采用超低功耗的DS1307芯片，數據存儲芯片采用AT24C32芯片。兩者均通過IIC接口與主控ARM進行數據通信，電路連接圖如圖13所示。

（6）矩陣鍵盤電路設計

系統中涉及輸入的主要是數字0-9、功能菜單“設置”以及“返回”按鍵、用于菜單翻頁的“up”和“down”按鍵，以及用于光標移位的“left”和“right”按鍵，一共十六個按鍵，因此選擇4×4的矩陣鍵盤設計。由于芯片內部集成了上拉電阻，因此鍵盤驅動電路中不需要外接上拉電阻。

圖12 時鐘與存儲模塊實物圖

圖13 時鐘DS1307及AT24C32與報警主控的連接原理圖

2.3 數據采集終端硬件設計

（1）門磁傳感器模塊電路設計

門磁傳感器采用磁控開關（干簧管）是一種利用磁場信號來控制的線路開關器件，通過門的開合改變磁場狀態從而實現開關狀態的改變。系統中使用的門磁是常閉的。硬件電路如圖14所示。

圖14 門磁傳感器與采集終端的連接原理圖

（2）電閘傳感器模塊電路設計

圖15 電閘傳感器與采集終端的連接原理圖

電閘傳感器模塊電路如圖15所示。220v交流電壓先經過100K的電阻限流降壓后，由整流橋堆MB6M進行整流，再由穩壓二極管將輸出的電壓穩定在5V左右，驅動線性光耦EL817工作，光耦輸出端為低電平。光耦輸出端接至單片機的I/O引腳。通過對此I/O引腳進行檢測來識別當前的220V信號是否有效，即電閘的開關狀態。

3 系統軟件設計

3.1 報警信息處理設計流程

對于報警系統而言，報警信息的可靠、準確地傳送至關重要。從數據采集終端產生報警信息數據包，到主控端接收到信息后辨認信息來源，然后根據情況將信息插入報警隊列，最后形成短信報警信息，系統進行了全面的設計。設計流程圖如圖16所示。本文對其中幾個過程設計進行詳細的描述。

圖16 報警信息處理設計流程圖

（1）報警信息數據包

報警信息數據由采集端狀態和采集端的地址兩部分組成，如表1所示。

表1 報警信息數據包格式定義

采集端狀態用一個字節的數據表示。0x00表示采集端（門、窗或電閘）被打開的瞬間狀態；0x01表示采集端（門、窗或電閘）保持開著的狀態；0x02表示門、窗或電閘被關閉的瞬間狀態；0x03表示門、窗或電閘一直關閉的狀態。采集端的地址是由其MCU芯片的ID號決定的。每一片STM8S103芯片都有一個全球唯一的ID號，是一個12byte的數據，由系統從芯片存儲器0x4867地址處讀出。這種用芯片ID號來區分不同采集端的方法，使得系統中數據采集端的數量不再受NRF24L01無線通道數目（只有6個）的限制。目前市場上，很多無線報警系統中，由于所使用的無線通道數目有限，報警容量無法擴展。而系統利用STM8S103芯片的ID號很好地解決了這個問題，擴展了系統的使用范圍。

（2）報警信息有效性判別

報警主控端接收到無線報警信息后，要進行三個方面的有效性判斷：時間有效性判斷、地址有效性判斷和采集端狀態有效性判斷。報警信息只有通過這三個有效性判斷才能，進入報警隊列，如圖17所示。首先判斷報警時間是否有效，即當前時間是否處于設防周期之內。為了避免在實訓室正常使用時發生誤報警，系統提供了設防周期設置的功能，即管理員可以通過人機界面設置每天的報警時間段。如果主控端接收到報警信息的時間不在報警時間段內，該報警信息將被忽略。然后進行地址有效性判斷，即主控端從報警信息數據包中提取出采集端的地址，并將該地址與已有設備的地址一一進行比對，若不與任一設備的地址相同，則該報警信息將被忽略，這樣就避免了不同實訓室的報警信息互相干擾。最后進行狀態有效性判斷，即只有報警信息數據包中采集端的狀態為0x01，也就是采集端（門、窗或電閘）是開著的狀態時，該報警信息才有效。

圖17 報警信息有效性判斷

（3）建立報警隊列實現緩沖

雖說實訓室報警系統中，短時間出現大量報警信息的幾率很小，但為了防止漏發情況的出現，系統還是建立了報警隊列，進行信息有次序的處理，如圖18所示。系統中報警信息只有通過了如前所述的三個有效性判斷，才有資格加入報警隊列。信息插入報警隊列之前，系統會搜索隊列，判斷是否已有相同地址發出的報警信息在隊列中，若已存在，則判斷兩次報警信息的時間間隔是否小于2分鐘，若是則忽略當前的報警信息。這種處理是考慮到門或窗因自然原因出現反復開閉的情況而導致重復報警。因此報警隊列中的報警信息除了包含地址信息、狀態信息外，還加了時間信息。

3.2 報警主控端GSM通信軟件設計

（1）GSM模塊短消息相關的AT指令

主控ARM是通過串口向GSM模塊發送AT指令實現短信發送的。程序中采用的與短信相關的AT指令有：

AT+CMGC短信息發送命令

AT+CMGF確定短信息收發格式：0-PDU；1．文本

AT+CMGS短信息的發送

AT+CSCA短信息中心地址

AT+CSMP置短信息文本模式參數

圖18 報警隊列緩沖技術示意圖

（2）GSM短信報警子程序流程圖

當無線門磁或者電閘信號處于異常狀態下，ARM主控會啟動GSM模塊，向用戶手機發送報警信息。首先由ARM發送AT命令對SIM900初始化，使其處于等待發送短信的狀態。系統開啟后就監聽傳感器數據信息，若發現異常的門磁或者電閘信號，比如布防狀態下的門磁打開的信號，電閘開啟的信號等則通過串口發送相應的報警命令給GSM通信模塊，GSM模塊解析命令，并向用戶手機發送已經預設好的報警信息，流程如圖19所示。

圖19 報警主控端的SIM900A控制子程序流程圖

3.3 報警主控端人機交互軟件設計

報警主控端需要進行系統時間設置、布防時間及周期設置、報警電話設置、門磁/電閘的設備地址的學習以及報警信息查詢等功能，因此設計了一個友好的人機界面來實現這個功能。如圖20所示，系統待機默認是顯示當前時間日期和室內溫濕度，通過不同的功能按鍵可以進入參數設置或者報警信息查詢界面。進入參數設置界面后，可以根據菜單的選擇進入設備參數學習、系統時間設置、設防周期設置以及報警電話設置等4個子菜單。用戶可以在不同的子菜單里進行各類的參數的設置。進入報警信息查詢界面，可以查詢最近的20條報警記錄。報警主控端人機交互界面子程序流程圖如圖21所示。

4 系統測試

4.測試環境

將一套報警系統，包括1個報警主控端、2個門窗采集端和1個電閘采集端安裝在一間實訓室內，如圖22所示。在開始測試之前，要先進行設備學習，以便主控端分辨不同的采集端。例如讓安裝在門上的采集端發送報警信息，這時在主控端的人機界面的設備學習菜單中將會顯示采集端的地址，通過按鍵選擇名稱，如實訓門A，再按確定鍵，就為這個采集端確定了它的名稱。用同樣的方法為其他的采集端進行設備學習。

圖20 系統待機界面

4.2 測試結果

設備學習完后，就可以開始測試。先在人機界面上設置設防周期和報警電話。然后將安裝了采集端的門和窗打開，同時電閘上電，報警主控端會發出3條不同的報警信息，手機也會收到3條報警短信，如圖23所示。

圖21 報警主控端的人機交互界面子程序流程圖

圖22 系統安裝示意圖

圖23 系統運行示意圖

4.3 降低功耗的方法

經過測試，發現系統功耗較大，報警主控端由3.7V、1100mAh的鋰電池供電，只能用不到1天的時間，采集端由3.7V、1100mAh的鋰電池供電，只能用不到3天的時間。因此通過以下辦法降低功耗。

采集端：

（1）設置為定時喚醒模式，即sleep 2秒之后，才進行一次門窗/電閘傳感器狀態檢測，這樣使STM8S芯片電流從2mA降低到了500uA；

（2）NRF24L01模塊只有在需要發送數據時，才進入發送模式，其他時間處于Sleep模式，這樣其電流可以從17mA降低到50uA。

主控端：

（1）設置為無操作（如沒有按鍵輸入、RF接收等）10秒之后就進入Sleep模式，同時開啟外部按鍵I/O中斷、RF中斷請求中斷、定時器中斷，使主控端只有中斷才能被喚醒，這樣可以讓其工作電流從13mA降低到5mA;

（2）設置為只有在設防周期內才能允許RF接收數據，其他時間段內處于Sleep模式，這樣RF模塊電流從19mA降低到50uA；

（3）將沒有使用到的I/O設置成輸出，STM32芯片電流降低500uA；

（4）由于DS1307電池采用的是不可充電電池，將充電限流電阻100歐姆直接取消，DS1307模塊電流降低(5V-3.0V)/0.1k=20mA;

（5）LCD模塊接口中設置為開漏的I/O（STM32芯片3.3VIO驅動LCD模組的5VIO），在沒有通信時，將其從輸出低電平改成懸浮輸入，單個I/O降低5V/5.1k=1mA電流；

（6）GSM模塊，在發送報警短信時才開啟，其他時間處于低功耗模式,GSM模塊電流從20mA降低到6mA。

通過以上降功耗的方法，報警主控端在1100mAh的鋰電池供電下，可以工作約2天；

采集主控端在1100mAh的鋰電池供電下，可以工作約20天左右。

5 結語

針對現有實訓室安防措施存在的不足，設計了基于單片機的實訓室遠程智能報警系統。該系統具有體積小、成本低、穩定性好以及低功耗等特點，完全能滿足實訓室安防智能報警的要求，具有一定的參考價值和實用性，可應用于實訓室、教室、辦公室、住宅等任何室內的安防報警。系統還可以從以下幾個方面進行改進：一是改變采集終端與主控端的通信方式，例如用ZigBee通信，增加通信距離，可以實現一層樓多個實訓室只需一個報警主控端；二是優化硬件結構，進一步降低功耗；三是實現用手機代替主控端的人機交互功能，降低主控端的成本。

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Design and Implementation of Training Room Remote Intelligent Alarm System

XU You-you，WEI Zheng

（Shenzhen Second Senior Technical School，Shenzhen 518049）

Aiming at the disadvantages in security management of training room,designs an indoor security alarm system.The system is composed of two core modules:the main control alarm center and the data acquisition terminal.The system combines two wireless technologies:the com?munication of terminals and control center adopts NRF24L01 module,the communication of control center and remote user adopts wireless mobile technology.Real-time detects the switch state of door,window and electric brake,the system can automatically send SMS alarm pro?cedures to tell the manager the abnormal state when the indoor environment is abnormal.At the end,the system can achieve real intelligent security.

1007-1423（2017）27-0051-09

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.27.012

實訓室安防；ARM；傳感器；NRF24L01無線通信；GSM通信

徐又又（1977-），女，廣東深圳人，講師，碩士研究生，從事領域為嵌入式系統方向研究

韋政（1970-），男，廣東深圳人，一級實習指導教師，高級技師，從事領域為電氣自動化方向研究

2017-06-30

2017-08-30

Security of Training Room;ARM;Sensor;Wireless Communication;GSM Network