趙光輝

（菏澤學(xué)院物理系 山東 菏澤 274015）

實(shí)驗(yàn)室是高校教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)。近年來，隨著高校規(guī)模的擴(kuò)大，各高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)也得以長足進(jìn)步。但是，由于實(shí)驗(yàn)室比較分散，給集中實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的安全維護(hù)和管理帶來較大困難。為解決這一問題，文中提出了一種基于GPRS的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)。利用校園內(nèi)已經(jīng)建設(shè)好的GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，將各個(gè)實(shí)驗(yàn)室連接到一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全的集中監(jiān)控與管理。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、主控模塊和自動(dòng)報(bào)警模塊三部分組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

主控模塊由控制芯片、LCD液晶顯示、按鍵控制和電源電路組成。主控模塊主要控制協(xié)調(diào)系統(tǒng)的正常工作，控制芯片將各傳感器的信息進(jìn)行處理，并在LCD顯示屏上顯示出來；用戶可通過按鍵查看實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前狀態(tài)，可以進(jìn)行手動(dòng)布防和撤防操作。

信息采集模塊由各類傳感器及信號(hào)處理電路組成，主要功能是采集實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境信息和安全信息。各傳感器信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路處理后送主控模塊。

自動(dòng)報(bào)警模塊由聲光報(bào)警和GPRS模塊組成，在接收到危害實(shí)驗(yàn)室的信息時(shí)，按照預(yù)先設(shè)定的警情處理模式，開啟相應(yīng)的報(bào)警方式。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊硬件電路設(shè)計(jì)

主控模塊主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、按鍵控制電路和LCD顯示電路組成。

系統(tǒng)采用菲利普公司ARM微處理器LPC2148作為主控芯片。LPC2148芯片支持實(shí)時(shí)仿真、嵌入式跟蹤的32/16位ARM7/TDMI-STM CPU的MCU，具有串行通信接口(從USB 2.0全速器件、多個(gè) UART、SPI、SSP到 I2C總線)和8kB到40kB的片內(nèi)SRAM，為通信網(wǎng)關(guān)提供巨大緩沖區(qū)空間和強(qiáng)大的處理功能；內(nèi)部集成2個(gè)32位定時(shí)器、1個(gè)10位DAC、2個(gè)10位ADC、47個(gè)高速GPIO線、PWM通道及9個(gè)電平或邊沿觸發(fā)的外部中斷口使它們特別適用于控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)的按鍵控制電路和LCD顯示電路主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示、歷史告警信息查詢和系統(tǒng)的安防設(shè)置等功能，其硬件電路圖如圖2所示。按鍵控制電路由4個(gè)獨(dú)立按鍵組成，用戶可通過4個(gè)按鍵和LCD顯示屏方便的查看安防系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史警情信息，還可以手動(dòng)設(shè)置實(shí)驗(yàn)室的布防和撤防。

圖2 按鍵控制與LCD顯示硬件電路圖

2.2 信息采集模塊硬件電路設(shè)計(jì)

該模塊硬件電路主要由各類傳感器和信號(hào)處理電路組成。其中溫度傳感器和濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境信息，而紅外、煙霧、玻璃破碎、門磁、窗磁等傳感器則采集的數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)室的安全信息。

溫度和濕度傳感器，采用集成化傳感器，無需處理電路，可以直接讀取實(shí)時(shí)的溫度、濕度信息。

系統(tǒng)中采用CA3302B型光電煙霧傳感器，用于火災(zāi)報(bào)警。煙霧傳感器安裝實(shí)驗(yàn)室內(nèi)天花板上，用來探測實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣中煙霧，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)煙霧的濃度判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。煙霧傳感信號(hào)處理電路原理圖如圖3所示。J1的1，4引腳連接傳感器的內(nèi)部光源，2，3引腳連接傳感器的光敏元件。正常狀態(tài)下J1的2引腳為高電平，也就是IC2A的2腳是高電平，由于IC1A的1腳是高電平所以輸出低電平，然后經(jīng)IC2B反向輸出高電平；當(dāng)煙霧進(jìn)入傳感器的暗室時(shí)，光線散射照在光敏元件上，其電阻率降低，IC2A的第2引腳變成低電平，其輸出高電平，經(jīng)IC2B反向，最后輸出低電平。單片機(jī)可以通過檢測IC2B的輸出判斷是否有煙霧報(bào)警即火災(zāi)報(bào)警。

圖3 煙霧傳感器信號(hào)處理電路圖

系統(tǒng)中采用P2288型熱釋電紅外傳感器檢測人體輻射出紅外線信號(hào)。當(dāng)檢測到人體紅外信號(hào)時(shí)，在其輸出回路中會(huì)產(chǎn)生輸出電流；而檢測區(qū)域內(nèi)沒有人體的紅外信號(hào)時(shí)，則沒有電流。P2288傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)的人敏感，應(yīng)用時(shí)常在傳感器的外部家一塊菲涅爾透鏡，這樣可以有效的避免其他紅外線的干擾。因此，當(dāng)有人在P2288監(jiān)測范圍內(nèi)活動(dòng)時(shí)，P2288會(huì)輸出一個(gè)微弱的電流信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理電路可將其轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號(hào)，主控芯片通過檢測這個(gè)開關(guān)信號(hào)的有無，就可判斷實(shí)驗(yàn)室內(nèi)是否有人活動(dòng)，它盜警的主要判斷依據(jù)當(dāng)有人打破玻璃時(shí)，玻璃破碎傳感器受到機(jī)械振動(dòng)，會(huì)給一個(gè)信號(hào)，這信號(hào)經(jīng)放大、處理后可用于報(bào)警。此傳感器可與門磁、窗磁一起作為盜警的參考報(bào)警信號(hào)。

2.3 報(bào)警模塊硬件電路設(shè)計(jì)

聲光報(bào)警采用帶警燈的報(bào)警器，由主控芯片控制的繼電器控制報(bào)警器的工作電源。

GPRS通信模塊采用西門子公司生產(chǎn)的MC55。該模塊具有GSM模塊的功能，支持分組業(yè)務(wù)功能，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議；數(shù)據(jù)接口采用UART收發(fā)器，符合RS232接口標(biāo)準(zhǔn)；具有語音和數(shù)據(jù)傳輸功能。MC55模塊通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232與LPC2148相連。MC55的RXD0、TXD0分別與的R1IN、T1OUT引腳相連，而 MAX232的 T1IN、R1OUT引腳分別與LPC2148的P0.0和P0.0引腳連接，完成數(shù)據(jù)傳輸；P0.2口通過相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路與MC55的IGT引腳相連，用來控制MC55模塊的開啟；P0.9口連接MC55的VDD，用來判斷MC55啟動(dòng)是否正常；P0.3口接MC55的RING0端口用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)中斷；在MC55的基帶處理器上有一個(gè)綜合SIM接口，連接到外部的SIM卡座。SIM卡 的 6 個(gè) 引 腳 CCCLK、CCVCC、CCIO、CCRST、CCIN、CCGND分別與MC55上的相應(yīng)的第1到第6個(gè)端口相連。

2.4 上位機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心上位機(jī)采用PC機(jī)，通過與串口相連接的GPRS通信模塊與各實(shí)驗(yàn)通信，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的信息。如有警情出現(xiàn)提示值班人員前去維護(hù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和監(jiān)控中心上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)兩部分。其中，上位機(jī)軟件采用VB語言編寫，主要是實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的收發(fā)。但是數(shù)據(jù)格式必須與下位機(jī)的GPRS數(shù)據(jù)格式一致。

下位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用模塊化設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)不同的功能模塊，設(shè)計(jì)相應(yīng)的子程序。具體講可分為主程序和GPRS通信、聲光報(bào)警、按鍵控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和LCD顯示等多個(gè)子程序組成。程序流程圖如圖4所示。主程序包括設(shè)備的初始化、數(shù)據(jù)的采集、信息處理和警情的判斷。其他功能性子程序在應(yīng)用時(shí)直接調(diào)用即可。

圖4 煙霧傳感器信號(hào)處理電路圖

如有警情信息除了啟動(dòng)聲光報(bào)警外，還需通過GPRS通信模塊相關(guān)警情發(fā)送至監(jiān)控中心。下位機(jī)與上位機(jī)之間利用MC55模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。GPRS網(wǎng)絡(luò)是以現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)增加GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）和GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）來實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)中采用的GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

主控芯片LPC2148將警情信息通過RS-232C串行口送至GPRS通信模塊，GPRS通信模塊通過內(nèi)部嵌入的TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)信息封裝成GPRS數(shù)據(jù)包的形式，并將封裝好的數(shù)據(jù)包發(fā)送至SGSN，然后SGSN與GGSN進(jìn)行通信，GGSN將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，經(jīng)由SGSN發(fā)送至監(jiān)控中心的GPRS通信模塊。

系統(tǒng)還可設(shè)置不同的防范狀態(tài)。依據(jù)高校的特點(diǎn)，可將安防模式設(shè)為工作模式和假期模式，在這兩種模式下安防等級(jí)相同，報(bào)警方式不同。工作模式下警情信息主要交由實(shí)驗(yàn)室管理員處理；假期模式下，警情信息由學(xué)校安保處值班人員處理。這樣高校可根據(jù)具體時(shí)間靈活設(shè)置。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)分散實(shí)驗(yàn)室的集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了高校實(shí)驗(yàn)室集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，節(jié)約人力資源，提高了高校實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。近年來，無線網(wǎng)絡(luò)的校園覆蓋率正逐年增長，使系統(tǒng)無需重新組網(wǎng)，而且由于采用無線模式，使系統(tǒng)的應(yīng)用更加靈活、廣泛。

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