學生公寓安防系統(tǒng)

摘要：提出了一種學生公寓安防系統(tǒng)的設(shè)計方法。整個系統(tǒng)用微機作總控臺，每個公寓用單片機控制。用煙霧傳感器，實現(xiàn)了防火報警；用人體熱釋電傳感器，實現(xiàn)了防盜報警；用磁條及電磁感應(yīng)線圈，實現(xiàn)了貴重物品檢測報警：用單片機通信技術(shù)，實現(xiàn)了異地監(jiān)控和多個公寓監(jiān)控。試驗數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了學生公寓防火防盜及報警功能，并能存儲和顯示相關(guān)信息，配合其它設(shè)計模塊，可完成整個校園內(nèi)部遠程安防控制及數(shù)據(jù)庫管理。本設(shè)計為新一代高科技學生公寓的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：安防系統(tǒng)；人體檢測；煙霧檢測；貴重物品檢測

    學生公寓面臨的安防問題引起高校的重視，尤其是失竊、失火是學校和家長最為關(guān)注的問題，為此設(shè)計了一個學生公寓安防系統(tǒng)。本系統(tǒng)以單片機作為控制核心，配合外圍電路進行檢測、顯示和報警，達到了防盜防火的目的，避免了火災(zāi)和被盜事件的發(fā)生，保障了學生的人身安全和財產(chǎn)安全安。

1 設(shè)計方案
    圖1所示為單片機控制系統(tǒng)原理方框圖。

    每個公寓以單片機為控制核心，主要由煙霧檢測模塊、人體熱釋電檢測模塊、貴重物品檢測模塊、光電計數(shù)模塊、異地檢測模塊、聲光報警模塊、顯示模塊、鍵盤模塊和電源模塊等組成。整個系統(tǒng)用微機進行控制和操作，各學生公寓用單片機進行控制，用鍵盤操作，用LCD顯示相關(guān)信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 人體檢測電路
2．1．1 人體熱釋電檢測原理及方法
    普通人體會發(fā)射10μm左右的特定波長紅外線，用專門設(shè)計的傳感器就可以針對性的檢測這種紅外線的存在與否。當人體紅外線照射到傳感器上后，因熱釋電效應(yīng)將向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生控制信號。這種專門設(shè)計的探頭只對波長為10μm左右的紅外輻射敏感，所以除人體以外的其它物體不會引發(fā)探頭動作。探頭內(nèi)包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元，而且制成的兩個電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測器無信號輸出。一旦人侵入探測區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，于是輸出檢測信號。
2．1．2 人體熱釋電檢測電路原理圖
    如圖2所示，是人體檢測電路原理圖。

    當有人靠近一定距離時，LHI778的輸出端S會產(chǎn)生一個較小的電壓信號，將這個電壓信號送入BISS0001信號處理電路，進行兩級放大、窗口電壓比較、雙向鑒幅后，輸出一個5V的電壓信號，將此信號送入單片機，由單片機控制報警電路發(fā)出聲光報警。
2．2 煙霧檢測電路
    鑒于發(fā)生火災(zāi)時伴隨產(chǎn)生的煙霧，在設(shè)計煙霧檢測報警電路時，使用MQ-2煙霧傳感器，設(shè)定煙霧濃度≥300 ppm時，發(fā)出報警信號，以使人們有所警備，及時采取措施，避免火災(zāi)發(fā)生。如圖3所示，是煙霧檢測電路原理圖。

    圖3中，MQ-2是煙霧傳感器，當起火有煙霧時，煙霧傳感器會輸出一個電壓信號。通過調(diào)節(jié)電位器的阻值，可以調(diào)節(jié)煙霧傳感器輸出電壓的大小，從而調(diào)節(jié)煙霧報警濃度數(shù)值。本設(shè)計將輸出電壓調(diào)到1 V。當起火有煙霧時，發(fā)出聲光報警信號。
2．3 貴重物品檢測模塊
    貴重物品檢測模塊功能是檢測公寓內(nèi)貴重物品的進出情況。應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，在貴重物品上貼上磁條，采用固定安裝檢測支架，利用檢測線圈探測貴重物品上的磁條，實現(xiàn)自動報警。貴重物品檢測模塊主要由發(fā)射電路、接收電路、信號處理電路和兩個電感線圈組成。
2．3．1 理論分析及實現(xiàn)
    1)發(fā)射線圈內(nèi)電流及其相關(guān)參數(shù)的計算
    選矩形線圈，其中I1為線圈內(nèi)電流，N為線圈匝數(shù)，r為線圈線徑，a、b分別為矩形線圈的邊長，μ為磁導(dǎo)率，U為線圈的端電壓，C為輸出變壓器副邊電容。
    根據(jù)分段法計算圓截面導(dǎo)線制成的矩形線圈電感，計算一匝線圈的電感為

    2)發(fā)射線圈與接收線圈間磁場強度計算
    將發(fā)射線圈與接收線圈正對，分別置于通道兩側(cè)。建立的磁場空間分布為

    其中，S為接收線圈面積，可用高斯點面積分公式計算。設(shè)e為感應(yīng)電壓，則
   
    其中，a=-W／2，b=0，及a=0，b=W／2。兩個差動線圈中的電壓相減是接收到的信號。通過試驗測試，接收線圈中的感應(yīng)電壓值在幾十微伏至幾毫伏之間。
2．3．2 貴重物品檢測電路
    貴重物品檢測模塊信號處理電路，采用兩級放大電路構(gòu)成。第一級是小信號放大電路，采用自動校零型儀器放大器，放大增益為40dB。第二級采用TLC2460集成運放，放大增益為20dB。如圖4所示，是自動校零型儀器放大器電路原理圖。

    在圖4中，IC1A是主放大器，IC1B是輔助放大器。IC1B配合IC1A完成自動校零功能。當開關(guān)S1打在1，開關(guān)S2打在1時，完成自動校零；當開關(guān)S1打在3，開關(guān)S2打在3時，完成小信號放大。其電壓放大倍數(shù)為：Au=-R2／R1=-100倍(即40dB)，再由第二級放大，放大增益為20dB。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，程序主要分為主控端程序與各監(jiān)控端程序。主控端程序，主要實現(xiàn)對監(jiān)測端傳來的信息的處理和保存，并及時反饋到監(jiān)控端，實現(xiàn)與下位機的通信。監(jiān)控端程序，主要對各傳感器監(jiān)測到的信號進行分析，并及時傳給主控端，實現(xiàn)與上位機的通信。
    隨著科學技術(shù)的日益發(fā)展，測量控制系統(tǒng)除了提供相應(yīng)的測量控制功能外，還必須有好的人性化的界面向?qū)?，因此設(shè)計了友好的人機交互界面，采用多級層次菜單的設(shè)計方法，實時進行各個學生公寓的動態(tài)監(jiān)測，并及時的將各個公寓的信息進行存儲，實現(xiàn)了可以方便查詢監(jiān)測情況。當監(jiān)測到有異常情況時，發(fā)出聲光報警，具有輸入正確密碼方可解除報警的功能，提供管理員權(quán)限修改密碼。
    圖5是主程序流程圖。

4 試驗數(shù)據(jù)
    表1是學生公寓安防系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)，包括煙霧測試、人體測試、貴重物品進出測試的試驗數(shù)據(jù)，以及異地監(jiān)控和監(jiān)控多個學生公寓的試驗數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)煙霧濃度電位器可改變煙霧報警濃度，人體檢測距離可根據(jù)需要設(shè)置，報警蜂鳴器的響度可根據(jù)需要選擇和設(shè)置。