邢婷婷 林菡 陳麗娟

摘 ?要： 學(xué)校是國家培養(yǎng)人才的重要場所和機(jī)構(gòu)，學(xué)校的安全也受到越來越多社會(huì)人士的關(guān)注，隨著我國高等教育改革的不斷深化，對校園的安全管理也提出了新的要求，本項(xiàng)目以此為立題依據(jù)，考慮到學(xué)校的特殊性以及綜合經(jīng)費(fèi)情況，參考國內(nèi)外關(guān)于小區(qū)及校園的安防系統(tǒng)研究，旨在基于單片機(jī)建立一個(gè)相對完善且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的校園安防系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī);高校;安防系統(tǒng)

中圖分類號： TP368.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.011

本文著錄格式：邢婷婷，林菡，陳麗娟. 基于單片機(jī)的校園安防系統(tǒng)研究[J]. 軟件，2019，40（5）：5356

【Abstract】： The security of campus gains the increasing concerns of whole society for which campus is a vital institution to cultivate talents for nation. With the deepening of China's higher education reform， the requirement， which is come up with， to security management of campus. Based on the above， with consideration of particular application scenarios and expenditure situation， referring to the related researches of housing estate and campus at home and abroad， this project was put forward， which aimed at establishing a comparatively perfect， economic and practical campus security system.

【Key words】： SCM; Campus; Security and protection system

0 ?引言

高校占地面積大且相對開放，人員流動(dòng)量大。校園內(nèi)設(shè)教學(xué)樓、行政樓、圖書館、體育館、學(xué)生宿舍等建筑，建筑呈現(xiàn)多樣性，且對安防的要求不一。再者學(xué)校安防管理人員有限，依靠安防管理部門預(yù)防險(xiǎn)情是不切實(shí)際的，因此還應(yīng)該配合校園安防系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以預(yù)警為主，后期處理為輔，實(shí)時(shí)確保學(xué)校的財(cái)產(chǎn)和生命安全。

為實(shí)現(xiàn)校園安全管理的任務(wù)，本文提出一種基于單片機(jī)的校園安防系統(tǒng)。系統(tǒng)包含視頻監(jiān)控、報(bào)警管理、車輛管理、人員管理等功能，同時(shí)還應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，以單片機(jī)為中央處理器，能夠進(jìn)行防火防盜，處理各種突發(fā)狀況。

1 ?總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是以高校校園為設(shè)計(jì)主體的基礎(chǔ)整體防護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、報(bào)警管理系統(tǒng)、車輛管理系統(tǒng)、人員管理系統(tǒng)等。本系統(tǒng)以C8051F020單片機(jī)作為中央處理器，以CP2200芯片作為網(wǎng)絡(luò)控制芯片，具備視頻采集模塊、防入侵模塊、火災(zāi)探測模塊、顯示模塊、溫濕度采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊等功能[1]。系統(tǒng)通過前端設(shè)備進(jìn)行檢測和數(shù)據(jù)收集，將采集信息傳輸給核心模塊，核心模塊按照預(yù)先編譯的程序?qū)⑹占男畔⑦M(jìn)行處理和保存，再通過數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)報(bào)告到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心遠(yuǎn)程給出下一步指令或通知相關(guān)安防管理人員進(jìn)行處理。校園安防系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 ?系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 ?主控模塊

本設(shè)計(jì)綜合考慮了資金、功耗以及穩(wěn)定性等多方面因素，最終確定C8051F020單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心器件。C8051F020采用了流水線處理結(jié)構(gòu)，時(shí)鐘系統(tǒng)更加完善，運(yùn)行速度更快，能夠滿足安防系統(tǒng)信息的實(shí)時(shí)處理[2]。C8051F020擁有8個(gè)8位的輸入/輸出端口，大量減少了外部連線和器件擴(kuò)展，滿足了對視頻采集模塊、防入侵模塊、火災(zāi)探測模塊、顯示模塊、溫濕度采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊等模塊的端口分配，有利于提高可靠性和抗干擾能力。另外C8051F020內(nèi)部還帶有數(shù)據(jù)采集所需的ADC和DAC，且外設(shè)增添了三個(gè)串行口，能充分滿足系統(tǒng)對主控模塊的要求。

2.2 ?視頻監(jiān)控模塊

校園安防系統(tǒng)的構(gòu)建主要是在校園主要路口，建筑物門前及走廊內(nèi)安放攝像探頭，由于所采集的信息量巨大，單片機(jī)的存儲(chǔ)容量小，因此單片機(jī)主要承擔(dān)將采集到的信息傳輸給控制中心，由控制中心對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。本次設(shè)計(jì)采用網(wǎng)絡(luò)化的視頻采集方式，視頻監(jiān)控模塊主要由前端檢測設(shè)備、單片機(jī)和控制中心組成[3]。前端攝像機(jī)采集圖像，將收集到的信息傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸給控制中心，控制中心發(fā)送指令，使單片機(jī)控制前端設(shè)備按照要求調(diào)整監(jiān)控角度。

2.3 ?防入侵模塊

防入侵模塊主要針對學(xué)校的一些重要場所，通過安裝報(bào)警探測器識別是否有入侵者，根據(jù)應(yīng)用場合和用途以及元器件的功耗和價(jià)格，本設(shè)計(jì)采用熱釋電紅外線傳感器。當(dāng)發(fā)生入侵時(shí)，紅外探測器檢測到人體發(fā)出的特定波長紅外線，產(chǎn)生報(bào)警電信號，核心單片機(jī)接受到電信號并對電信號進(jìn)行分析，若滿足報(bào)警條件，則控制報(bào)警裝置工作。報(bào)警裝置以聲音報(bào)警為主，由蜂鳴器、電容、電阻組成，單片機(jī)通過異步串行口傳輸信息驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置。當(dāng)險(xiǎn)情處理完畢或發(fā)生誤報(bào)時(shí)，可通過復(fù)位電路恢復(fù)防入侵模塊的正常工作。

2.4 ?火災(zāi)探測模塊

校園中針對火災(zāi)發(fā)生的應(yīng)對方法有很多，比如室內(nèi)消火栓系統(tǒng)、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，而火災(zāi)的發(fā)生不僅容易威脅人身和財(cái)產(chǎn)安全，還易造成人員的恐慌，因此校園安防系統(tǒng)需設(shè)置火災(zāi)探測模塊。本設(shè)計(jì)火災(zāi)檢測模塊的前端檢測設(shè)備為光電感煙探測器，當(dāng)檢測到煙霧達(dá)到設(shè)定的數(shù)值時(shí)，將數(shù)據(jù)傳遞到核心芯片，核心芯片將信息傳遞給控制中心，同時(shí)發(fā)出報(bào)警，通知相關(guān)管理人員前往處理。

除了利用感煙探測器檢測外，還可以通過自動(dòng)噴水系統(tǒng)或室內(nèi)消火栓系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，自動(dòng)噴水系統(tǒng)噴頭受熱開始噴水，水流使水管內(nèi)壓力變化，水流傳感器感受到水的流動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號。

2.5 ?顯示模塊

顯示模塊用于發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)顯示險(xiǎn)情發(fā)生點(diǎn)，但由于校園險(xiǎn)情發(fā)生情況不多，因此顯示模塊可能被閑置，因此設(shè)計(jì)顯示模塊可用于顯示日期時(shí)間以及日常環(huán)境的溫濕度。本系統(tǒng)選用的C8051F020單片機(jī)輸入輸出接口較多，但仍可能發(fā)生需要擴(kuò)展外部接口的可能，因此顯示模塊選用CH451芯片來擴(kuò)展顯示鍵盤接口。CH451芯片占用接口少且傳輸速度快，能很好的減少模塊的復(fù)雜性[4]。

CH451芯片與單片機(jī)的連接主要用到的四個(gè)引腳，分別是串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘線 DCLK連接P6.0端口、串行數(shù)據(jù)輸入線 DIN連接P6.1端口、串行命令加載線LOAD連接P6.2端口、串行數(shù)據(jù)輸出線DOUT。同時(shí)使用到RST和RST#引腳用于實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。

2.6 ?溫濕度采集模塊

溫濕度的采集可以給安防管理人員提供必要的數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可能更好的判斷各個(gè)采集點(diǎn)的狀況。本設(shè)計(jì)采用SHT11傳感器來檢測溫濕度，SHT11傳感器測量精準(zhǔn)度高且精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，可將搜集到的溫度和濕度信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。傳感器在溫度濕度較高的環(huán)境下可能會(huì)造成敏感度下降，影響測量數(shù)據(jù)的精確度，但SH11 芯片上集成了一個(gè)可通斷的加熱元件，能很好的避免凝露現(xiàn)象，但后期測量的數(shù)據(jù)需通過公式進(jìn)行修正，否則容易造成偏差。

2.7 ?網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊將系統(tǒng)中各模塊采集的信息維系起來，單片機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊將收集的信息傳輸給控制中心，等待控制中心進(jìn)行信息處理和命令下達(dá)。本設(shè)計(jì)選用CP2200作為網(wǎng)絡(luò)控制芯片，CP2200集成了IEEE 802.3以太網(wǎng)媒體訪問控制器、10BASE-T物理層、8kB非易失性Flash存儲(chǔ)器，通過CP2200能實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)智能節(jié)點(diǎn)硬件到軟件的設(shè)計(jì)，發(fā)揮出強(qiáng)大的通信與數(shù)據(jù)采集以及控制功能。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中各模塊除了必要的硬件部分以外還需要軟件的配合，比如對前端設(shè)備檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理、核心部件對前端設(shè)備的控制、顯示模塊的分時(shí)復(fù)用等都需要軟件來實(shí)現(xiàn)功能。

3.1 ?核心程序構(gòu)建

單片機(jī)采用外部晶體作為系統(tǒng)時(shí)鐘，當(dāng)無險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，顯示模塊用于顯示當(dāng)前時(shí)間和溫濕度，因此在單片機(jī)和CH451初始化后需設(shè)定每秒刷新CH451以顯示當(dāng)前時(shí)間。同時(shí)，各模塊可通過中斷，申請?zhí)崛〔杉降臄?shù)據(jù)，按照中斷的優(yōu)先等級，單片機(jī)進(jìn)入到中斷子程序中響應(yīng)相應(yīng)的請求。

3.2 ?溫濕度模塊構(gòu)建

溫濕度模塊通信采用串行二線接口SCK和DATA分別作為時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線。采集過程為：初始化SHT11→與SHT11建立通信→傳感器讀取溫度→送入CH451顯示當(dāng)前溫度→傳感器讀取濕度→送入CH451顯示當(dāng)前濕度→判斷按鍵是否松開→返回[5]。

3.3 ?密碼程序構(gòu)建

密碼程序是當(dāng)處理險(xiǎn)情后或發(fā)生誤報(bào)時(shí)停止報(bào)警使用，將人為輸入的密碼與預(yù)先設(shè)定的密碼進(jìn)行比對，若密碼正確則取消報(bào)警，若密碼錯(cuò)誤，則給出密碼錯(cuò)誤警告并判斷錯(cuò)誤次數(shù)是否超過三次，若超過三次或超過輸入密碼時(shí)長則繼續(xù)報(bào)警。

3.4 ?火災(zāi)報(bào)警程序構(gòu)建

火災(zāi)報(bào)警程序通過前端煙霧傳感器采集到的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的煙霧最大值進(jìn)行比對，并綜合采集到的環(huán)境溫度來驅(qū)動(dòng)報(bào)警，當(dāng)同時(shí)滿足這兩個(gè)條件時(shí)驅(qū)動(dòng)報(bào)警并進(jìn)行滅火動(dòng)作，當(dāng)任意一個(gè)條件不滿足時(shí)，繼續(xù)監(jiān)控，不發(fā)生報(bào)警。

3.5 ?視頻采集程序構(gòu)建

視頻采集程序主要實(shí)現(xiàn)將采集的信息傳輸給控制中心以及實(shí)現(xiàn)控制中心對前端檢測設(shè)備的控制。前者可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)，后者則需通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)的基本流程為：單片機(jī)初始化→接頭控制代碼→預(yù)置調(diào)用→判斷功能→調(diào)用→調(diào)用位置→檢測當(dāng)前位置→與所調(diào)位置的對比→判斷中間的差值→方向操作→返回[5]。

3.6 ?防入侵程序構(gòu)建

防入侵程序通過不斷地檢測是否有報(bào)警信息實(shí)現(xiàn)入侵報(bào)警和地點(diǎn)的判斷。單片機(jī)初始化后開始進(jìn)行循環(huán)檢測判斷有無報(bào)警，若檢測到報(bào)警則經(jīng)過延時(shí)再次檢測該端口，若仍檢測到報(bào)警則顯示報(bào)警信息并發(fā)出報(bào)警信號;若沒有檢測到報(bào)警則繼續(xù)循環(huán)檢測。

4 ?總結(jié)

本文主要介紹了基于單片機(jī)的校園安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，分別從硬件和軟件兩個(gè)方面介紹了系統(tǒng)的視頻采集、防入侵、火災(zāi)探測、顯示、溫濕度采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)饶K的設(shè)計(jì)，為校園的安防管理提供了便捷。但由于資金以及時(shí)間的限制，本系統(tǒng)有些功能未達(dá)到預(yù)期效果，還需進(jìn)一步加強(qiáng)，系統(tǒng)也可通過進(jìn)一步開發(fā)更加完善。

參考文獻(xiàn)

[1] 李澎. 基于單片機(jī)的校園安防系統(tǒng)[D]. 吉林： 吉林大學(xué). 2015.

[2] 孫立香， 趙不賄， 劉星橋. ?C8051F020與80C51單片機(jī)的異同點(diǎn)[J]. 國外電子元器件， 2007（5）： 31-35.

[3] 徐偉恒， 蘇志芳， 榮劍， 張宏翔. 校園安防智能電話報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與買現(xiàn)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程， 2011， 21（03）： 31-33.

[4] 葛超， 王蕾， 倫志新. 基于CH451芯片的LED顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用， 2010（3）： 101-102.

[5] 吳更. 基于單片機(jī)的校園安防系統(tǒng)研究[J]. 通訊世界， 2017（17）： 289-290.

[6] 許可， 許迪文， 楊潤書， 等. 基于ZigBee和GIS的校園環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 軟件， 2018， 39（7）： 116-120.

[7] 丁月林. 基于STM32 的低功耗溫濕度采集器實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件， 2015， 36（5）： 84-88.

[8] 李瑞福. 基于單片機(jī)AT89C51 的一氧化碳濃度檢測儀設(shè)計(jì)[J]. 軟件， 2015， 36（9）： 106-108.