徐瑞華

（浙江郵電職業(yè)技術學院繼續(xù)教育學院，浙江紹興312016）

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校園事故定位報警系統(tǒng)的設計與實現

徐瑞華

（浙江郵電職業(yè)技術學院繼續(xù)教育學院，浙江紹興312016）

摘要：設計一種能夠讓學生在第一時間方便快捷地完成報警過程，并配合視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時記錄事故過程的校園報警系統(tǒng)。闡述了該系統(tǒng)的設計要求和系統(tǒng)所要完成的功能，提出了整體設計方案，對涉及的技術要點進行了分析，并對定位報警系統(tǒng)的主機電路和子機電路進行了具體設計。

關鍵詞：校園事故；報警；遠距離傳輸；單片機

隨著教育事業(yè)的不斷發(fā)展，校園面積擴大、布局分散、學生眾多、周邊環(huán)境復雜等已經成為各級各類學校普遍存在的現象，傳統(tǒng)的人力巡查已經不能滿足校園安全管理的需求，已有越來越多的學校開始引入校園安防系統(tǒng)來建設平安校園。

雖然安防系統(tǒng)可以實現監(jiān)控管理功能，對事件經過的記錄也大大提高了事件處理的效率［1］，但目前絕大部分的安防系統(tǒng)無實時報警功能，惡性事件一旦發(fā)生，安防人員不能在第一時間趕到現場處理或控制事態(tài)發(fā)展，導致事件更加惡化。因此，要進一步提高校園安全，必須完善現有安防系統(tǒng)，使之真正體現“防”的功能。本文設計了一種能在第一時間方便快捷地完成報警過程，并配合視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時記錄事件過程的校園報警系統(tǒng)。

1系統(tǒng)技術要點分析

為體現“防”的功能，系統(tǒng)按如下要求設計：必須具備方便快捷的實時報警功能，惡性事件一旦發(fā)生，在場所有人員都能在第一時間發(fā)出報警信號；必須具有詳細報警地點顯示功能，安保室收到報警信號后，能立刻明確報警地點；具有語音通信功能，報警點和安保室之間能夠及時交換信息，方便安保室制定正確的處理方案；實時配合已有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，記錄事件發(fā)生整個過程，使安保室第一時間了解現場情況。

根據以上設計要求，系統(tǒng)的技術方案可以確定如下：

（1）用單片機作為主控元件設計一個報警系統(tǒng)總機和若干報警系統(tǒng)分機。報警系統(tǒng)總機實時輪流監(jiān)測各分機的報警情況和工作情況，無報警信號時，總機顯示“NO PROBLEM”，一旦有報警信號傳來，總機立刻顯示詳細報警地點，如“1-201”，表示1號樓201室所在報警子機發(fā)出了報警信號，在顯示同時，拉響報警鈴聲，總機沒有作任何處理之前，報警鈴聲一直響，顯示也一直存在；當按下總機的“應答”按鈕后，報警鈴聲停止，但地址依然顯示，只有當按下總機“復位”按鈕后，顯示器才回到初始狀態(tài)。

報警器分機分布在各個教室和宿舍，通過外露的按鈕接受報警，當按鈕被按下的時候，向總機發(fā)出報警信號，并拉響本地警報鈴聲，在總機沒有回復“收到應答”信號前，一直報警，一直發(fā)送報警信號。只有收到總機發(fā)來的“收到應答”信號后，報警才停止。

（2）總機和子機之間實現語音通信。當報警按鈕被按下，子機一方面向總機發(fā)出報警信號，同時，還向總機發(fā)出語音通信請求。當總機的“應答”按鈕被按下后，本地報警鈴聲停止的同時語音通話打開。

（3）視頻監(jiān)控控制設計。考慮到視頻監(jiān)控數據量比較大，且校園突發(fā)事件發(fā)生的概率相對較小，因此，視頻監(jiān)控在沒有報警的時候處于關閉狀態(tài)，當分機接受報警后，相應的視頻監(jiān)控被打開，視頻監(jiān)控的關閉功能在監(jiān)控室統(tǒng)一完成?？紤]到實際應用時設備成本問題，在設計過程中采用臨近多個報警點共用一個視頻監(jiān)控的方法，即在視頻監(jiān)控范圍內的幾個報警子機只要有任何一個報警，就會把視頻監(jiān)控打開。

（4）多子機同時段報警防干擾處理。在實際生活中，多子機被同時按下的幾率幾乎為0，但存在同一時段被按下的情況，因此系統(tǒng)在設計過程中須考慮多子機同時段報警問題。為防止報警點之間相互干擾，系統(tǒng)設計了優(yōu)先處理功能。當有多個子機同時接收報警信號的時候，主機只響應最先報警的子機，只顯示最先報警的地點，只開啟最先報警點的語音通信及視頻監(jiān)控。只有當主機復位按鈕被按下，才會接收其他子機的報警。

系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1報警系統(tǒng)框圖

2系統(tǒng)硬件設計

（1）主控器件選擇。在本系統(tǒng)設計中，控制器主要實現實時檢測各子機的報警信號；接收報警信號；發(fā)出本地報警信號；控制報警子機發(fā)出報警信號；接收報警子機信息；顯示子機信息；查詢通話命令；關報警聲；等待復位及系統(tǒng)復位等功能。綜上，對于控制器的硬件資源要求不高，但系統(tǒng)程序設計會比較復雜。因此，編程環(huán)境簡單，指令系統(tǒng)兼容性強是控制器選擇的首要條件。另外，由于系統(tǒng)需要長時間安裝在各個教室門口，且需要處于開啟狀態(tài)，因此，低功耗和低成本也是需要考慮的問題之一。綜合上述條件，選擇單片機作為系統(tǒng)主控元件。STC12C5608AD單片機是一款單時鐘/機器周期、高速、低功耗、超強抗干擾的新一代51系列單片機，其指令系統(tǒng)和51單片機完全兼容。與傳統(tǒng)51系列單片機相比，其速度快8至12倍，并且內部集成了MAX810專用復位電路，4路PWM控制，8路高速10位A/D轉換，符合設計要求，選定為本系統(tǒng)的主控元件。

（2）主機顯示電路設計。主機顯示電路主要完成報警子機地址的顯示功能，對于其最主要的要求為顯示穩(wěn)定、清晰、易于閱讀。本系統(tǒng)采用LED作為顯示器件，其驅動電路如圖2所示。

圖2顯示電路

（3）主機報警電路設計。主機報警信號用于提示監(jiān)控人員或者主控室管理員及時發(fā)現報警，當報警子機向主機發(fā)出報警信號后，主機接收到報警信號，在判斷報警無誤后一方面向子機發(fā)送“收到確認信號”，另一方面啟動主控室報警電路實施報警提示。考慮到主控資源問題，本系統(tǒng)選用WTV040典型電路作為報警電路，具體電路如圖3所示。

圖3報警電路

考慮到主子機之間報警信息傳送的可靠性問題，要求子機向主機發(fā)出報警信號后，主機必須有一個應答信號。如果子機沒有收到主機應答，則子機要繼續(xù)發(fā)送報警數據。因此，為確認主機已收到報警數據，設計有回應系統(tǒng)，即子機的報警提示由主機發(fā)出。當主機收到正確的報警數據后，立刻向對應的報警子機發(fā)出“收到應答信號”，并觸發(fā)本地報警電路發(fā)出報警提示。子機收到主機傳回的“收到應答信號”后，立刻啟動子機報警電路，報警者聽到子機報警提示音就可以確認報警已經成功。圖3中，從AUDIO_L輸出分成了兩路，一路輸出到R20，經過LM386音頻放大后直接送往本地揚聲器，產生報警提示音；另一路輸出到R19，經過LM386音頻放大后送往SP管腳，SP管腳和子機報警電路相連，當子機報警電路接通后，主機的提示音就會在子機的揚聲器中發(fā)出［2］。

另外，考慮到輸出信號的強度以及傳輸距離，系統(tǒng)做了提高增益的改動，在1腳和8腳之間加了電容，其中電容C7為信號耦合電容，實現報警信號與后續(xù)電路的無縫對接。

（4）語音通信電路設計。系統(tǒng)考慮采用有線全雙工通信方式。語音通信的關鍵是濾波和放大。為提高通話質量，選擇具有巴特沃斯響應的二階RC有源濾波器作為設計方案。電壓控制電壓源電路是具有巴特沃斯響應的二階RC有源濾波器的常用電路，其電路結構如圖4所示。由于在報警通信電路中，已經采用了LM386作為功率放大電路，因此，語音系統(tǒng)中同樣采用LM386作為功率放大電路。

另外，分機的語音通信電路設計有電子開關電路。當主控室人員按下應答按鈕后，向子機發(fā)出“應答信號”，關閉本地報警。子機收到“應答信號”后，開通子機語音通信電路，實現通話過程，開關電路如圖5所示。

圖4濾波電路

圖5電子開關電路

（5）主分機數據通信電路設計。主分機數據通信電路主要完成子機報警信號、主機“收到應答信號”和主機“應答信號”的發(fā)送，其中，子機報警信號包括樓層信息、具體房間地址和檢驗碼等。

通信協(xié)議定義如下：當子機接收報警信號以后，打開視頻，同時通過數據線發(fā)出報警信號，進入等待總機應答信號階段；總機接收報警信號后，向子機發(fā)送“收到應答”信號，同時開啟控制室報警器，顯示地址；控制人員按下應答信號，關閉控制室報警鈴聲，接通語音通信，子機收到應答信號后關閉本地報警，開啟子機語音通信電路，并進入接收總關閉信號。待事件處理結束以后，控制人員按下“復位”恢復原始狀態(tài)。

根據以上通信協(xié)議和要求，本系統(tǒng)的數據通信可采用無線和有線兩種形式。對于無線通信，具有成本低、結構簡單等優(yōu)點，但其可靠性不是很好，抗干擾能力差，如果需要提高可靠性必定需要增加成本。對于有線通信，具有可靠性高，抗干擾能力強，但線路比較復雜等特點。綜合本系統(tǒng)的用途，側重考慮可靠性和抗干擾因素，因此選擇采用有線通信方式。

本系統(tǒng)中數據通信主要是采用主從方式，且傳輸距離遠近不一，考慮采用RS485傳輸數據，具體電路如圖6所示。

圖6數據通信電路

3系統(tǒng)拓撲結構

本系統(tǒng)作為整個校園智能安保系統(tǒng)的補充設備，其分布方式與原智能安保系統(tǒng)（視頻監(jiān)控系統(tǒng)）一樣，采用主分機方式［3］。主機和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主機一起安裝在主控室，分機安裝在教學樓的教室門口、辦公樓層、實驗實訓中心、體育館、圖書館、學生公寓樓的每個樓層、學生餐廳等，其中教學樓、實訓中心和學生公寓樓安裝比較密集，每個或多個教室（教學單元）配備一個分機；體育館、餐廳、圖書館等以樓層為單位，根據實際情況分布。

在分布比較密集的教學樓、實訓中心和公寓樓需要配備層主機和樓主機，工作時，報警分機向層主機報警，層主機將信號傳遞給樓主機，樓主機再將信息傳遞到監(jiān)控中心；在體育館、餐廳、圖書館等公共場所，需要配備樓主機，工作時，報警分機將信號傳遞給樓主機，樓主機再將報警信號傳遞給監(jiān)控中心。

在實際應用中，雖然經過了層主機和樓主機的中轉，但是信號傳送的協(xié)議和原理是一致的，在層主機將信號傳遞給樓主機時，層主機相當于樓主機的分機，而樓主機向監(jiān)控中心傳遞信息的時候，樓主機相當于監(jiān)控中心主機的分機。

4系統(tǒng)軟件設計

根據系統(tǒng)的功能以及通信的要求，本系統(tǒng)自己定義了數據通信的相關協(xié)議，主要包括通信組網方式、通信接口方式、字符結構和校驗方式等。本系統(tǒng)采用在監(jiān)控室設主機，各樓層設立分機的多機聯動組網方式。主機通過RS485接口連接各分機，實現遠程數據傳送、控制等功能［4］。

在數據通信模塊，其主要包括子機報警信號傳遞給主機，主機查詢到報警信號后發(fā)送“收到應答信號”，主機收到通話按鈕信號后向子機發(fā)送“通話開啟信號”，主機收到復位信號后向子機發(fā)送“復位信號”。根據信號特性，采用RS485接口，異步串行方式，為半雙工傳輸，傳輸速率設定為9 600 bps（此參數根據傳送距離可以調整）。

系統(tǒng)通信中主要涉及以下幾個信息：子機傳向主機的“報警信號”，主機傳向子機的“收到應答信號”，主機傳向子機的“通話開啟信號”，主機傳向子機的“復位信號”。“報警信號”主要由起始位、報警點信息（分機編碼）、校驗碼和結束位組成；“收到應答信號”主要由起始位、報警點信息（分機編碼）、結束位組成；“通話開始信號”主要由起始位、開啟信息（分機編碼）、結束位組成；“復位信號”主要由起始位、復位信息（00H）、結束位組成。

在本通信協(xié)議中設定檢測到1個確認的低電平則認為有數據傳來，即起始位為“0”；設定檔信息和校驗全部接受完成后收到1位高電平則認為是停止接收，即停止位為“1”。分機編碼范圍從01H-FFH，總共可以表示255個分機，由于系統(tǒng)啟動后，如果子機有報警，報警信號向主機發(fā)出后，子機就轉入等待“收到應答信號”的程序，當子機收到“收到應答信號”后才轉入“等待通話信號”的子程序，因此報警點信息和開啟信息可以統(tǒng)一用分機編碼表示，而不會出現沖突。至于復位信號，由于系統(tǒng)在運行過程中，所有的子機同時在檢測或等待通信線路上的信號，只要檢測到00H，子機都會執(zhí)行一次復位程序，因此這里不需要提供分機編碼。

程序中校驗信號是為防止信息出錯設置的一種信息，通常有奇偶校驗、CRC校驗等［5］。為提高數據通信的可靠性，本系統(tǒng)采用CRC校驗。

系統(tǒng)主機程序流程如圖7所示，子機程序流程如圖8所示。

圖7主機程序流程

圖8子機程序流程

5　結語

本文從當前校園安保的現狀出發(fā)，分析了其優(yōu)點和存在的問題。針對存在問題，提出了在現有安保系統(tǒng)基礎上增設實時報警系統(tǒng)的解決方案，可以使學生在突發(fā)事件發(fā)生過程中第一時間方便快捷地完成報警過程，校園報警系統(tǒng)能配合視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時記錄事故過程，其優(yōu)點是：當突發(fā)惡性事件發(fā)生時，每位在場人員都可以通過報警器向監(jiān)控中心發(fā)出報警信號和語音通信，監(jiān)控中心可以根據報警器所顯示的詳細事發(fā)地點，第一時間趕到現場，控制或消除惡性事件的發(fā)展。

參考文獻：

［1］張靖武,劉東駿.單片機程序設計及應用［M］.北京:電子工業(yè)出版社, 2006.

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［4］李曉明.高校安全技術防范問題的探討［J］.閩西職業(yè)技術學院學報, 2007, 12（4）: 124- 126.

［5］拉帕波特.無線通信原理與應用［M］.北京:電子工業(yè)出版社, 1998.

【責任編輯：王桂珍foshanwgzh@163.com】

Design and implementation of the campus accident positioning alarm system

XURui- hua
（College of Continuous Education, Zhejiang Technical College of Posts &Telecom, Shaoxing312016, China）

Abstract:The main topic of design is to help students give the alarm conveniently for the first time, and record the accident process with the real- time video surveillance system. The paper first described the requirements and the functions of the system in detail, and then put forward the overall design process, analysized the technical key points. In the end, the specific design of the host positioning alarm system circuit and sub- circuit were given.

Keywords:campus accidents; alarm; long- distance transmission; microcontroller

文章編號：1008- 0171（2016）01- 0062- 06

作者簡介：徐瑞華（1982-），男，浙江諸暨人，浙江郵電職業(yè)技術學院講師。

收稿日期：2015-01-14

中圖分類號：TP277.1

文獻標志碼：A