摘 要：本设计以51单片机为核心，实现了人体红外感应，烟雾感应，声光报警，键盘密码解警，局域网内异地监控，远程电话报警，宿舍人员流动情况统计，宿舍无人提示锁门，记录宿舍内安防情况，监控点多路监控，贵重物品出入宿舍情况检测等功能，构建了一套低成本、低功耗、实用的宿舍智能防盗防火报警系统。　　本系统通过12864实时显示宿舍内烟雾、人员流动情况，经NRF24L01无线模块将各个宿舍安防信息传送至楼管室，楼管室内总机通过与上位机通信，利用APMserv将宿舍情况连接至局域网内。各宿舍人员可通过网络在异地了解宿舍内安防情况。另外，当有意外情况发生时，可拨打宿舍人员电话通知意外情况的发生，并立即发出报警和求助信息，通过密码键盘解除警报。以微弱电磁感应来检测宿舍内贵重物品的出入情况。　　关键字：单片机；局域网内监控；远程电话报警；无线多路监控 一、方案比较、设计与论证1.1总体设计方案　　基于设计要求，系统可分为人体红外感应，烟雾感应，声光报警，键盘密码解警，互联网内异地监控，远程电话报警，宿舍人员流动情况统计，宿舍无人提示，宿舍一周内安防情况记录，监控点多路监控，贵重物品出入宿舍检测模块。为实现系统的功能，需对各模块进行论证。系统结构图如图1所示。图1 系统结构图1.2密码键盘输入　　采用4*3的矩阵按键来构成密码键盘，通过扫描方式获得键值。此方案占用IO口较少，操作方便。因其占用IO少且性能稳定，故本系统中采用此方案。1.3异地监控　　利用广泛散布的互联网络，在一栋宿舍楼内通过APMserv建立一台主机服务器，宿舍内人员可通过登录相应IP进入用户监控系统，实时监控本宿舍安防情况。此方案耗费低，实时性强，操作简单，且容易在学校内实现。配合电话拨号报警功能，保证安防及求救信息的可靠性。1.4人员流动情况记录　　方案一：采用人体热释红外传感器感应人体，当有人走过时，会产生高低电平变化，单片机接收到电平变化后，将信号进行处理，储存为人员流动情况。但此方案对于人体的进入及外出无法辨别，且由于人体热释红外传感器的特性，高电平需持续一段时间。若此时间段内有多名人员走过就会产生误差，故不采用此方案。　　方案二：采用两个光电开关安置在门内外两侧的墙壁内，当有人自门外走向门内时，门外的光电开关先有反应，当人进入后门内光电开关再有反应：而当有人自门内走向门外时，反应时间恰好相反。根据这个时间差将两个光电开关的信号传入单片机，单片机进行处理后辨别进入还是外出人员，从而对进入宿舍，外出宿舍及剩余人数进行记录。此方案实现简单，可靠性高，故本系统采用此方案。1.5宿舍无人提示锁门　　利用记录人员流动记录的光电开关进行判断宿舍是否有人，根据光电开关记录下的进入人数及外出人数，两数之差，当差值为零同时进入人数不为零时，表示此时外出的人员为宿舍内最后一名人员。这时触发ISD4004语音芯片，播放语音提示锁门。此方案可靠性高，可准确产生提示信号，采用语音芯片提示，直接有效。1.6宿舍安防情况记录模块　　采用EEPROM对安防信息进行记录，通过单片机外接ROM，每隔一秒进行一次写操作，每隔一周对EEPROM进行一次清零操作。当有意外情况发生时，将写入值计一次数。另外外部设置一个按键，当要查看记录值时可通过按键查看一周内宿舍内的安防情况。此方案可记录时间长，掉电后可继续保持记录数据。1.7网络化控制模块　　利用NRF24L01进行无线数据传输，其数据传输率为1或2Mbps，工作在2.4-2.5GHz世界通用ISM频段。可实现多位数据的传送，在接收端可接收到多数量可靠数据。鉴于本系统所需的安防信息包括整栋宿舍楼，信息量大。1.8贵重物品检测模块　　利用微弱电磁感应技术，在每件贵重物品上粘贴钢磁片，同时在门口安装由霍尔元件构成的霍尔电磁感应器。当带有钢磁片的贵重物品出入时，霍尔电磁感应器感应到物品出入，及时报警。此方案成本低廉，可靠性高，操作简单。二、单元模块设计2.1人体红外感应模块　　采用DYP-ME003构成人体感应门口，其基于红外线技术，当人进入其感应人进入其感应范围则输出高电平， 人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。检测距离可达7米。如下图2即为其感应范围图。 图2 人体热释红外传感器感应范围2.2烟雾感应模块　　采用MQ-2烟雾传感器，其测量范围广，灵敏度高，恢复时间短等优点使其成为检测烟雾的首选传感器。当单片机接收到烟雾感应值后，立即产生信号驱动声光报警电路，产生报警信号。烟雾感应模块的电路图如图3所示。 图3 烟雾传感器电路图 2.3键盘密码输入模块　　采用矩阵键盘作为输入设备。组成“0—9，*.#“12位数键盘。按下“*”后开始输入秘密，根据提示按下“#”后确认输入的密码数。当密码输入错误三次以上时，报警模块开始响应，产生报警信息。如图4所示。 图4 密码键盘输入电路 2.4局域网监控模块　　采用APMserv软件（如下图）实现实时监控宿舍内情况，只需设定好主机地址，然后登陆设定的服务器地址：如192.168.103.61，并将VB编程界面保存到预设文件夹下，即可随时查看本宿舍的安防情况采用，更加人性化。（后附VB程序）。利用互联网局域网内均可查询，使宿舍人员实现异地监控功能。下图5即为VB通信界面。APMserv软件图5 VB通信界面2.5宿舍人员流动情况记录　　采用两个光电开关安置在门内外两侧的墙壁内，当有人自门外走向门内时，门外的光电开关先有反应，当人进入后，门内光电开关再有反应：而当有人自门内走向门外时，反应时间顺序恰好相反。根据这个时间差将两个光电开关的信号传入单片机，单片机进行处理后辨别进入还是外出人员，从而对进入宿舍，外出宿舍及剩余人数进行记录。下图6为进入人数流程图，外出人数流程图相同。图6 进入人数统计流程图2.6宿舍无人提示锁门模块　　采用ISD4004语音芯片，在无人时自动提示最后离开宿舍的人员及时锁好门窗。ISD4004电路图如下图7所示。 图7 ISD4004语音电路图 2.7宿舍安防情况记录模块 　　外部扩展一块AT24C02，用来储存宿舍的安防情况，防止系统突然掉电后数据的丢失。AT24C02电路如图8所示。图8 AT24C02电路图2.8远程电话报警模块　　此模块包括电话报警触发装置与拨号报警装置，电话报警触发装置采用解码芯片为PT2272的无线发射与接收模块。拨号报警装置利用电话自带的重拨功能设定好报警电话。当接收到来自单片机的控制信号时置位无线发射的通道一发射端，接收端通道一接收到无线信号后触发重拨按键，即可拨打预设电话进行报警。远程电话报警流程图如图9所示。图9 远程电话报警流程图2.9网络化控制模块　　采用NRF24L01无线数据传输技术。NRF24L01是单片2.4G无线射频收发芯片，具有自动应答和自动重发功能。是应用SIP接口控制的半双工收发一体设备。发射时执行发射段程序对外发送安防情况，接收时执行接收程序搜集安防信息，而且其功耗低，发射模式下电流近10MA左右，接收模式下为12MA左右。右下图10为其与单片机接线图。图10 NRF24L01与单片机连接电路图 图11NRF24L01接收程序图2.10监控点多路监控模块　　此模块包含NRF24L01无线数传接收部分，将该模块放置在楼管室内，当某个宿舍有意外情况发生时宿管可在楼管室内随时接收到某个宿舍的报警状况。并可通过无线数据传输解除报警信息。同时将主机内信息通过VB串口通信传至服务器内，可在局域网内访问查询安防信息。2.11贵重物品出入宿舍检测模块　　此模块采用微弱电磁信号感应技术，在每个贵重物品上粘贴一片钢磁片，同时在宿舍门口墙壁内安装霍尔电磁感应器，即电磁型霍尔开关。当有电磁感应信号产生时，向单片机内传入信号。单片机经识别处理完成对贵重物品外出宿舍的检测功能。其电路如图12所示。 图12 电磁型霍尔开关接线图三、系统测试　　在测试过程中，用到的仪器主要有：数字万用表、PC机、卷尺等3.1 人体热释红外传感器的测试　　人体热释红外传感器的测试就是将制作好的人体热释红外传感器的电源线引出，用万用表检测当有人出现时，传感器的信号输出端是否为想要得到结果。若不是所要结果，则分析、查找原因完成调试。3.2 烟雾传感器的测试　　烟雾传感器的测试是测试当烟雾传感器检测到烟雾时用万用表测量输出端是否为高电平。3.3 系统键盘的定义　　系统采用的键盘是4*3式，各键盘标号及功能如下0—9：普通数字输入键* ：密码重新输入键# ：密码确定键3.4局域网监控　　局域网监控模块的测试只需在局域网内登陆服务器IP：192.168.103.61，查看能否查询各个宿舍的安防情况。3.5宿舍人员流动情况记录　　舍人员流动情况记录部分检测时，需要宿舍内人员进出宿舍数次，查看12864液晶显示能否正确显示人员流动情况。3.6宿舍无人提示锁门　　此模块的测试需要将进入人数与外出人数调整为相同。测试当最后一个人走出门时语音能否播放锁门提示。3.7宿舍安防情况记录　　宿舍安防情况记录通过一个按键来查看记录内容，当按下按键后，测试能否查看正确安防记录数值。当有意外情况发生时是否能正确存储安防信息。3.8监控点无线数据传输测试　　本系统对无线数据的传输主要是距离控制。通过主机编写入发送程序，子机出编写入接收程序。测试能够传输的数据是否缺失及传输距离有多远。3.9监控点多路监控　　监控点多路监控的测试，需要在多个宿舍之间进行。模拟两个宿舍之间进行，当两个宿舍中一个发生意外状况时，测试能否及时向楼管室主控机上检测到各宿舍的安防情况。3.10贵重物品出入宿舍检测的测试　　贵重物品出入的测试需将带钢磁片的贵重物品带出宿舍，带入宿舍数次，测试系统能否准确检测到物品进出宿舍情况。四、系统功能、指标，结果分析 4.1 人体热释红外传感器模块　　测得最大感应距离7米，当有人走进其测量范围时信号端输出高电平。高电平持续3秒，能够满足本系统的智能防盗要求。4.2烟雾传感器模块　　测得当将烟雾传感器伸入烟雾收集瓶内时，烟雾传感器信号输出端会输出3.3V的高电平。持续时间5秒，能够满足本系统智能防火的要求。4.3 键盘测试　　对键盘的编码值与键盘的设定值相对应，灵敏度高，输入设定的密码可成功确认。能够满足系统所需要求。4.4 局域网搭建　　利用APMserv搭建好服务器后，在任意一台能接入局域网的电脑上登录服务器IP例如：192.168.103.61。即可在浏览器中查看到楼管室主机上的记录信息。4.5 宿舍人员流动情况记录　　当有人员连续进出宿舍时，12864液晶显示器上可实时反应人员流动情况，进入人数，外出人数与剩余人数均能正常显示，符合设计要求。4.6 宿舍无人锁门提示　　当12864液晶显示上剩余人数为零而进入人数不为零时，语音ISD4004被触发开始工作，播放录制好的“请锁好门窗，打开报警功能，谢谢！”提示。提醒宿舍人员及时锁好门窗。4.7 宿舍安防情况记录　　当出现非法入侵人员或烟雾报警时，开始向AT24C02中写入一次计数值，由于EEPROM的掉电保存功能，可保存住256次烟雾值。4.8 监控点无线数据传输装置　　可接收到发射端发送的所有数据，最大传输距离可达200m。能够满足本系统发送各宿舍安防情况的距离，符合系统要求。4.9 监控点多路监控　　利用烟雾收集瓶收集到烟雾来模拟火灾的发生，当在两个宿舍模拟火灾发生时，可在楼管室主机上立即接收到各宿舍火灾情况。当有非法入侵者进入宿舍时也可立即接收到人员情况。测试结果良好。4.10 贵重物品出入宿舍记录　　当霍尔电磁感应器感应到来自贵重物品的钢磁片产生的磁场，从而触发蜂鸣器报警，从而检测出贵重物品进出宿舍的情况。经测试，效果良好。五、设计总结　　本系统以51单片机为核心，利用键盘输入，12864液晶显示，ISD4004语音录放，NRF无线数据传输，远程电话报警，互联网服务器搭建，光电开关，人体热释红外传感器，烟雾传感器，霍尔电磁感应器，VB与AMPserv两款软件并配合软件算法实现了设计的要求：5.1 基本部分：人体检测及声光报警；烟雾检测及声光报警；用键盘输入完成解警；实现异地监控；能反映宿舍人员的进出情况及人数情况；宿舍无人时提示锁门。5.2 发挥部分：人体检测范围7米；能记录最近一段时间宿舍内安防情况；实现网路控制；有监控点控制多个宿舍；能检测到本宿舍贵重物品的出入情况。5.3创新部分：12864显示宿舍人员的流动情况，密码输入情况，宿舍安防记录情况；增加上位机通信，将宿舍安防信息采集到主机服务器中；利用服务器组件软件，构建以校园为单位的网络。附录一、系统总体流程图