摘要：文中介紹了一種基于GSM和ZigBee的實驗室監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用32位ARM單片機LPC2138作為控制器，通過各種傳感器對實驗室的環(huán)境參量進行采集，如有告警信息，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)控中心，由值班人員處理，或者由GSM模塊以短信息的形式通知實驗室管理員前去處理，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對實驗室安全的實時監(jiān)控和無人值守。
0 引言
文中介紹了一種基于GSM和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高校實驗室安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過各種傳感器采集實驗室的環(huán)境信息，并通過室內(nèi)的LCD顯示出來。如有危害實驗室安全的告警信息，可通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)控中心，提示監(jiān)控中心值班員處理或通過GSM通信模塊以短消息的形式通知實驗室管理員處理，實現(xiàn)對高校實驗室安全的實時監(jiān)控和管理，也可實現(xiàn)實驗室監(jiān)控的無人值守。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
系統(tǒng)由監(jiān)控中心子系統(tǒng)和實驗室子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
監(jiān)控中心子系統(tǒng)中，主控制器LPC2138通過各種傳感器采集實驗室的環(huán)境信息和安全信息，然后將采集到的信息進行處理和識別，溫度、濕度等環(huán)境信息和危害實驗室安全的警情信息在LCD上顯示出來，如有警情根據(jù)實際情況開啟聲光報警器，然后將警情信息通過ZigBee模塊送往監(jiān)控中心的同時存儲備案。用戶可以通過鍵盤和LCD查詢實驗室的當前狀態(tài)、歷史報警信息，也可進行實驗室的布防和撤防設(shè)置。
監(jiān)控中心子系統(tǒng)由ZigBee模塊、鍵盤、LCD顯示、GSM模塊和聲光報警電路組成。監(jiān)控中心子系統(tǒng)可根據(jù)不同情況設(shè)為值班工作模式和無人值守工作模式兩種工作模式，可以通過鍵盤電路和LCD選擇設(shè)定。在值班工作模式下，ZigBee模塊接收到來自實驗室子系統(tǒng)發(fā)送來的警情信息后，啟動聲光報警電路提示值班員查詢警情信息并前去處理和維護；而在無人值守工作模式下，ZigBee模塊接收到來自實驗室子系統(tǒng)發(fā)送來警情信息后，如在白天，系統(tǒng)通過GSM模塊發(fā)送警情短消息給實驗室管理員，通知其前去維護；如在晚上，系統(tǒng)則發(fā)送短消息給安保處夜間值班室，通知前去巡查。無論監(jiān)控中心子系統(tǒng)工作在哪種工作模式下，接收到的警情信息會按照報警時間、實驗室房間號和警情種類保存起來，以供日后查詢，存儲警情的存儲器存滿后，可以進行覆蓋存儲，也可以由值班人員通過鍵盤和LCD手動清空存儲器。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 實驗室子系統(tǒng)硬件設(shè)計
實驗室子系統(tǒng)采用菲利普公司的ARM微處理器LPC2138作為主控芯片。LPC2138微控制器是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU，多個串行接口，包括2個16C550工業(yè)標準UART、2個高速I2C總線(400kbit/s)、SPI和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長度可變功能的SSP。多個32位定時器、2個10位8路的ADC、1個10位DAC、PWM通道、47個GPIO以及多達9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它們特別適用于控制系統(tǒng)。
環(huán)境信息和安全信息的采集主要通過各種傳感器。其中，溫度傳感器和濕度傳感器采用集成器件，直接讀取相應(yīng)數(shù)值即可。
紅外傳感器用于探測實驗室內(nèi)部人員異常入侵，文中采用熱釋電紅外傳感器P2288，其輸出信號處理電路如圖2所示。BIS0001為紅外信號處理芯片，如在監(jiān)控區(qū)域有人員活動，P2288就會輸出電信號，經(jīng)BIS0001處理后產(chǎn)生相應(yīng)電平變化，LPC2138通過檢測D0端的電平變化就可以判斷是否有人員異常入侵，這是防止實驗室設(shè)備被盜的有效檢測手段。
煙霧傳感器用于火災(zāi)的報警，文中采用QM-N5煙霧傳感器，其輸出信號處理電路如圖3所示。沒有發(fā)生火災(zāi)的情況下，周邊環(huán)境溫度下，熱敏電阻NTC503D的阻值是比較大的，分壓原理可知，可變電阻RP2分得的電壓就比較小。對比之下，參考電壓U2>U3，輸出為低電平。一旦有火災(zāi)發(fā)生的情況下，周邊環(huán)境溫度相應(yīng)地升高， 空氣中充滿一定濃度的煙霧，熱敏電阻和煙霧傳感器的阻值都快速降低，可變電阻RP1，RP2相應(yīng)的電壓都增大，結(jié)果導致U3>U2，輸出為高電平。通過檢測D1端電平變化可以實現(xiàn)檢測火災(zāi)的目的。當入侵者破窗而入時，玻璃破碎傳感器受到機械振動，會給出一個信號，這信號經(jīng)放大、處理后可用于報警。此傳感器可與門磁、窗磁一起作為盜警的參考報警信號。
ZigBee模塊采用Chipeon公司推出的首款符合2.4GHzIEEE 802.15.4標準的單片射頻收發(fā)芯片CC2420，能夠進行魯棒的無線通信，能夠確保在短距離通信中的有效性和可靠性。它內(nèi)置一個數(shù)字直接序列擴頻調(diào)制解調(diào)模塊，提供擴頻增益9dB。CC2420具有超低的電流消耗(RX-18.8mA；TX-17.4mA)，高接收靈敏度(-95dBm)，抗鄰頻道干擾能力強(39dB)，并且CC2420為包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)通信、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)驗證、空閑信道評估、鏈路質(zhì)量指示和包定時信息等提供了強有力的硬件支持。這些硬件支持減輕了主控制器的負擔，使得它能夠使用低成本的微控制器。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250kbps，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。LPC2138通過SPI總線接口和控制信號線與CC2420射頻收發(fā)器進行通訊并控制射頻芯片的運行狀態(tài)。SPI總線支持全雙工數(shù)據(jù)傳輸，可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，其中微處理器充當SPI主設(shè)備而CC2420收發(fā)器充當從設(shè)備。
2.2 監(jiān)控中心子系統(tǒng)硬件設(shè)計
監(jiān)控中心子系統(tǒng)也采用LPC2138作為主控制器，采用ZigBee模塊與實驗室子系統(tǒng)通信。
鍵盤與LCD查看警情信息和選擇工作模式，為了方便實現(xiàn)功能，鍵盤電路采用4×4矩陣鍵盤，其電路原理圖如圖4所示。鍵盤包括16個按鍵，即0～9十個數(shù)字鍵和六個功能鍵。系統(tǒng)采用掃描法，實現(xiàn)各按鍵的確認。通過軟件消除抖動保證讀鍵正確。
LPC2138內(nèi)部有一個512kB的Flash存儲器，可定義一部分空間作為警情存儲器，將各實驗室子系統(tǒng)的報警信息存儲起來備案，存滿時自動從低地址開始覆蓋。
GSM通信模塊采用西門子公司的TC35。TC35是Siemens公司推出的新一代無線通信GSM模塊，可以快速安全可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù)和傳真。TC35通過異步串行口與LPC2138相連接。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計時，采用模塊化設(shè)計，在ADS1.2集成編譯環(huán)境下，用C語言編寫而成。
3.1 實驗室子系統(tǒng)的軟件設(shè)計
實驗室子系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5所示。
程序分為主程序和聲光報警、ZigBee發(fā)送數(shù)據(jù)、LCD顯示、鍵盤操作四個子程序，前三個子程序被主程序主動調(diào)用，鍵盤操作則采用中斷模式。主程序?qū)t外傳感器信號和煙霧傳感器的處理也采用中斷模式，中斷優(yōu)先級高于鍵盤操作中斷，對于其他傳感器信號采取輪詢采集，并調(diào)用LCD顯示子程序?qū)h(huán)境信息在LCD屏上顯示。鍵盤操作可進行系統(tǒng)查詢和安防設(shè)置兩部分的功能，查詢模式主要查詢系統(tǒng)的當前狀態(tài)和歷史告警信息；安防設(shè)置包括布防、撤防和安防等級等的設(shè)定，其中安防等級根據(jù)學校教學工作的需要設(shè)置了三種等級，正常教學日程為最低級別，周末與小假期為第二等級，寒暑假等較長假期可選擇最高等級即第三級。
3.2 監(jiān)控中心子系統(tǒng)軟件設(shè)計
監(jiān)控中心子系統(tǒng)程序主要完成警情信息讀取、存儲和通知等工作，也可通過鍵盤與LCD查看系統(tǒng)狀態(tài)與歷史告警信息和設(shè)置系統(tǒng)工作模式。在無人值守工作模式下，需要GSM模塊發(fā)送告警短消息。TC35支持PDU消息模式，根據(jù)系統(tǒng)的通信協(xié)議，信息的發(fā)送是以發(fā)送數(shù)據(jù)幀為主要方式，一個完整的數(shù)據(jù)幀包括起始標志單元、命令單元、CRC校驗單元、結(jié)束標志單元等四部分。一個數(shù)據(jù)幀能夠包含140個字節(jié)(70個漢字)的數(shù)據(jù)量，中文字符按照UNICODE進行編碼。發(fā)送數(shù)據(jù)時其格式為：服務(wù)中心地址/PDU類型/接收主地址/協(xié)議識別碼/數(shù)據(jù)譯碼方案/有效周期/用戶數(shù)據(jù)長度/用戶數(shù)據(jù)；在軟件設(shè)計時根據(jù)PDU據(jù)格式編寫相應(yīng)的AT命令，即可實現(xiàn)短信息的收發(fā)。
4 總結(jié)
本系統(tǒng)通過各種傳感器實現(xiàn)了對實驗室環(huán)境信息和安全信息的采集與處理，能及時發(fā)現(xiàn)警情以便于快速排除，對實驗室進行維護。本系統(tǒng)由于利用ZigBee無線通信模塊，實現(xiàn)了各實驗室子系統(tǒng)與監(jiān)控中心子系統(tǒng)的無線組網(wǎng)，不僅避免了有線組網(wǎng)重新布線的麻煩，而且易于實現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化，安裝維護方便。本系統(tǒng)實現(xiàn)了高校實驗室集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，節(jié)約人力資源，提高了高校實驗室安全運轉(zhuǎn)的可靠性，使實驗室平穩(wěn)發(fā)揮自身職能。
