摘要：提出了一種學(xué)生公寓安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。整個(gè)系統(tǒng)用微機(jī)作總控臺(tái)，每個(gè)公寓用單片機(jī)控制。用煙霧傳感器，實(shí)現(xiàn)了防火報(bào)警；用人體熱釋電傳感器，實(shí)現(xiàn)了防盜報(bào)警；用磁條及電磁感應(yīng)線圈，實(shí)現(xiàn)了貴重物品檢測(cè)報(bào)警：用單片機(jī)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了異地監(jiān)控和多個(gè)公寓監(jiān)控。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了學(xué)生公寓防火防盜及報(bào)警功能，并能存儲(chǔ)和顯示相關(guān)信息，配合其它設(shè)計(jì)模塊，可完成整個(gè)校園內(nèi)部遠(yuǎn)程安防控制及數(shù)據(jù)庫(kù)管理。本設(shè)計(jì)為新一代高科技學(xué)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(cè)；煙霧檢測(cè)；貴重物品檢測(cè)

    學(xué)生公寓面臨的安防問(wèn)題引起高校的重視，尤其是失竊、失火是學(xué)校和家長(zhǎng)最為關(guān)注的問(wèn)題，為此設(shè)計(jì)了一個(gè)學(xué)生公寓安防系統(tǒng)。本系統(tǒng)以單片機(jī)作為控制核心，配合外圍電路進(jìn)行檢測(cè)、顯示和報(bào)警，達(dá)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(xué)生的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全安。

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

    每個(gè)公寓以單片機(jī)為控制核心，主要由煙霧檢測(cè)模塊、人體熱釋電檢測(cè)模塊、貴重物品檢測(cè)模塊、光電計(jì)數(shù)模塊、異地檢測(cè)模塊、聲光報(bào)警模塊、顯示模塊、鍵盤(pán)模塊和電源模塊等組成。整個(gè)系統(tǒng)用微機(jī)進(jìn)行控制和操作，各學(xué)生公寓用單片機(jī)進(jìn)行控制，用鍵盤(pán)操作，用LCD顯示相關(guān)信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 人體檢測(cè)電路
2．1．1 人體熱釋電檢測(cè)原理及方法
    普通人體會(huì)發(fā)射10μm左右的特定波長(zhǎng)紅外線，用專門(mén)設(shè)計(jì)的傳感器就可以針對(duì)性的檢測(cè)這種紅外線的存在與否。當(dāng)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(cè)處理后就能產(chǎn)生控制信號(hào)。這種專門(mén)設(shè)計(jì)的探頭只對(duì)波長(zhǎng)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(huì)引發(fā)探頭動(dòng)作。探頭內(nèi)包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元，而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)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(cè)器無(wú)信號(hào)輸出。一旦人侵入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過(guò)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(cè)信號(hào)。
2．1．2 人體熱釋電檢測(cè)電路原理圖
    如圖2所示，是人體檢測(cè)電路原理圖。

    當(dāng)有人靠近一定距離時(shí)，LHI778的輸出端S會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較小的電壓信號(hào)，將這個(gè)電壓信號(hào)送入BISS0001信號(hào)處理電路，進(jìn)行兩級(jí)放大、窗口電壓比較、雙向鑒幅后，輸出一個(gè)5V的電壓信號(hào)，將此信號(hào)送入單片機(jī)，由單片機(jī)控制報(bào)警電路發(fā)出聲光報(bào)警。
2．2 煙霧檢測(cè)電路
    鑒于發(fā)生火災(zāi)時(shí)伴隨產(chǎn)生的煙霧，在設(shè)計(jì)煙霧檢測(cè)報(bào)警電路時(shí)，使用MQ-2煙霧傳感器，設(shè)定煙霧濃度≥300 ppm時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以使人們有所警備，及時(shí)采取措施，避免火災(zāi)發(fā)生。如圖3所示，是煙霧檢測(cè)電路原理圖。

    圖3中，MQ-2是煙霧傳感器，當(dāng)起火有煙霧時(shí)，煙霧傳感器會(huì)輸出一個(gè)電壓信號(hào)。通過(guò)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(bào)警濃度數(shù)值。本設(shè)計(jì)將輸出電壓調(diào)到1 V。當(dāng)起火有煙霧時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。
2．3 貴重物品檢測(cè)模塊
    貴重物品檢測(cè)模塊功能是檢測(cè)公寓內(nèi)貴重物品的進(jìn)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(cè)支架，利用檢測(cè)線圈探測(cè)貴重物品上的磁條，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警。貴重物品檢測(cè)模塊主要由發(fā)射電路、接收電路、信號(hào)處理電路和兩個(gè)電感線圈組成。
2．3．1 理論分析及實(shí)現(xiàn)
    1)發(fā)射線圈內(nèi)電流及其相關(guān)參數(shù)的計(jì)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(zhǎng)，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(jì)算圓截面導(dǎo)線制成的矩形線圈電感，計(jì)算一匝線圈的電感為

    2)發(fā)射線圈與接收線圈間磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算
    將發(fā)射線圈與接收線圈正對(duì)，分別置于通道兩側(cè)。建立的磁場(chǎng)空間分布為

    其中，S為接收線圈面積，可用高斯點(diǎn)面積分公式計(jì)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(gè)差動(dòng)線圈中的電壓相減是接收到的信號(hào)。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)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(cè)電路
    貴重物品檢測(cè)模塊信號(hào)處理電路，采用兩級(jí)放大電路構(gòu)成。第一級(jí)是小信號(hào)放大電路，采用自動(dòng)校零型儀器放大器，放大增益為40dB。第二級(jí)采用TLC2460集成運(yùn)放，放大增益為20dB。如圖4所示，是自動(dòng)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(dòng)校零功能。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1打在1，開(kāi)關(guān)S2打在1時(shí)，完成自動(dòng)校零；當(dāng)開(kāi)關(guān)S1打在3，開(kāi)關(guān)S2打在3時(shí)，完成小信號(hào)放大。其電壓放大倍數(shù)為：Au=-R2／R1=-100倍(即40dB)，再由第二級(jí)放大，放大增益為20dB。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)端傳來(lái)的信息的處理和保存，并及時(shí)反饋到監(jiān)控端，實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信。監(jiān)控端程序，主要對(duì)各傳感器監(jiān)測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行分析，并及時(shí)傳給主控端，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。
    隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，測(cè)量控制系統(tǒng)除了提供相應(yīng)的測(cè)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(jì)了友好的人機(jī)交互界面，采用多級(jí)層次菜單的設(shè)計(jì)方法，實(shí)時(shí)進(jìn)行各個(gè)學(xué)生公寓的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)的將各個(gè)公寓的信息進(jìn)行存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了可以方便查詢監(jiān)測(cè)情況。當(dāng)監(jiān)測(cè)到有異常情況時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，具有輸入正確密碼方可解除報(bào)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(yàn)數(shù)據(jù)
    表1是學(xué)生公寓安防系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括煙霧測(cè)試、人體測(cè)試、貴重物品進(jìn)出測(cè)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及異地監(jiān)控和監(jiān)控多個(gè)學(xué)生公寓的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)煙霧濃度電位器可改變煙霧報(bào)警濃度，人體檢測(cè)距離可根據(jù)需要設(shè)置，報(bào)警蜂鳴器的響度可根據(jù)需要選擇和設(shè)置。