基于单片机的野外作业移动库房安防系统设计.pdf

第 4期 2 0 1 1年 4月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n NO ． 4 Ap r ． 2 01 1 文章编号 1 6 7 1 --2 5 1 X 2 0 1 1 0 4 0 0 3 7 0 4 基于单片机的野外作业移动库房安防系统设计 李林 中国石油大学 华东 信息与控制工程学院，山东 东营2 5 7 0 6 1 摘要 介绍 了一种野外作业移动库房安防系统的设计和 实现方案。该 系统以 C 8 0 5 1 F 1 2 0单片机为主控 制器， 以 S TC 8 9 C 5 2单片机为从控制器， 以热释 电红外感测器 D 2 0 3 S为核心构成人体检测模块， 以烟雾传感 器 MQ一2为核 心 构成 烟 雾检 测模 块 ， 采 用 C RM2 4 0 0 TNC无线模 块 实现 主 、 从控 制 器之 间的通信 ， 可 实现库 房 内人 员监测、 烟雾检测以及库房物品进 出情 况监测及报警功能， 且只有输入正确 的密码 才能关闭报 警系 统。测试结果验证了该系统的有效性和可靠性。 关键 词 野 外作 业 ；移动 库房 ； 安 防 系统 ；人体 检测 ；烟 雾检 测 ；声 光报 警 ；无线 通信 中图分类号 T D 6 7 文献标识码 B De s i g n o f a Su r v e i l l a nc e Sy s t e m f o r Fi e l dwo r k Mo bi l e W a r e h o us e Ba s e d o n Si n gl e c h i p M i c r o c o mp ut e r LI Li n Co l l e g e o f I n f o r ma t i o n a n d Co n t r o l En g i n e e r i n g o f Ch i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m Ea s t Ch i n a ，Do n g y i n g 2 5 7 0 6 1 ，Ch i n a Ab s t r a e t The mob i l e wa r e h ous e p a p e r i n t r o d u c e d a d e s i g n a n d r e a l i z i n g s c h e me o f s u r v e i l l a n c e s y s t e m f o r f i e l d wo r k Th e s y s t e m t a k e s C8 0 5 1 F1 2 o s i n g l e c h i p mi c r o c o mp u t e r a s ma i n c o n t r o l l e r ，S TC 8 9 C5 2 a s s l a v e c o n t r o l l e r ，D2 0 3 S p y r o e l e c t r i c i n f r a r e d s e n s o r a s a c o r e o f h u ma n - b o d y d e t e c t i o n mo d u l e a n d MQ一 2 s mo k e s e n s o r a s a c o r e o f s mo k e d e t e c t i o n mo d u l e ，a n d a d o p t s C RM2 4 0 0 TNC wi r e l e s s mo d u l e t o r e a l i z e 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 1 3 基金项 目 山东省 自然科学基金资助项 目 Z R 2 0 0 9 F L 0 2 7 作者简介 李林 1 9 7 5 一 ， 男， 工程师 ， 硕 士， 主要研 究方 向为智 能信息处理、 计算 机测量 与控制 。E - ma i l u p c l l 1 6 3 ． c o rn 图 8 主程序流程 图 9 读卡程序 流程 无线通信芯片设计 了用于矿难救援 的无线搜救仪。 该无线搜救仪所用 I C集成度高 ， 外 围电路简单 ， 从 而大大提高了仪器 的稳定 性， 为复杂 的井下搜救工 作提供 了良好的解决方案。 参考文献 [ 1 ] [ 2 3 [ 3 ] [ 4 ] 赵琦 ， 陈 佳 品， 李 振 波．基 于 射 频 C C 2 5 2 0实 现 的 Z i g B e e 通信设 计[ J ] ． 微计 算机信 息 ， 2 0 1 0 ， 2 6 5 2 37 3 8。 62 ． 柳兰 ， 何娜 ， 陆明艳． 基于 MS P 4 3 0 F 2 6 1 8和 C C 2 5 2 0无 线楼宇设备监控 系统 设计 [ J ] ． 南华 大学学 报 自然科 学版 ， 2 0 0 9 ， 2 3 4 3 7 4 0 ， 4 8 ． 李文仲 ， 段朝 玉． Z i g B e e 2 0 0 7 ／ P R O 协议栈 实验与 实践 I- M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 9 ． 周 立功 ， 张华． 深入浅 出 AR M7 L P C 2 1 3 x ／ 2 1 4 x 上 册 [ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 5 ． 3 8 工矿 自动 化 2 O 1 1年 4月 c o mmu n i c a t i o n b e t we e n ma i n c o n t r o l l e r a n d s l a v e c o n t r o l l e r ．Th e s y s t e m r e a l i z e s{ u n c t i o n s o f p e r s o n n e l mo n i t o r i n g a n d s mo k e d e t e c t i o n i n wa r e h o u s e ，mo n i t o r i n g o f v a l u a b l e s i n t o a n d o f f t h e wa r e h o u s e a s we l l a s a l a r mi n g．W h a t s mo r e ，a l a r mi n g s y s t e m c a n n o t b e c l o s e d u n t i l i n p u t t i n g c o r r e c t p a s s wo r d．Th e t e s t i n g r e s u l t s h o we d t h e a v a i l a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e s y s t e m ． Ke y wo r d s f i e l d wo r k， mo b i l e wa r e h o u s e ， s u r v e i l l a n c e s y s t e m， h u ma n b o d y d e t e c t i o n， s mo k e d e t e c t i o n ，a c o u s t o - o p t i c a l a r mi n g，wi r e l e s s c o mmu n i c a t i o n 0 引言 矿业生产大多位于开阔的野外环境 ， 操作和生 产人员常常需要在现场停留较长时间 ， 他们的 日常 生活、 住宿、 贵重工具和设备的保管 问题， 通常利用 可移动的铁皮集装箱作为移动库房和宿舍来解决 。 由于现场人员纷杂众多 ， 甲方 、 乙方 、 第三方施工人 员可能都有， 同时因库房和宿舍按照就近原则布置， 其位置比较分散 ， 防火防盗任务艰 巨， 管理较困难， 因此 ， 研究一种安全可靠、 价格低廉的移动库房安防 系统 ， 对于提高管理水平、 节约人力物力具有十分重 要 的意义 。 1 系统方案设计与论证 研究 目标 设计一个低成本报警 系统应用于移 动库房安防， 该系统能 自动监视库房内的安全情况 ， 发生异常情况时能立即发出报警和求助信息 。 具体要求 1 实现人体检测与声光报警功能 ； 2 实现烟雾检测 与声光报警功能 ； 3 能用键 盘 输入密码完成报警系统的解警 ； 4 实现异地监控 ； 5 能反映库房 内人员 的进 出情况及人数的记 录； 6 库房无人时提示锁门。 基于上述要求设计的野外作业移动库房安防系 统总体结构如图 1所示 。 从控制器 模块 1 从控制器 模块H 主 控 制 器 模 块 液晶 显示 模块 键盘 输入 模块 图 1 野 外 作 业 移 动 库 房 安 防 系 统 总 体 结 构 1 ． 1 控 制 器选型 主控点选用 C 8 0 5 1 F 1 2 0系列单片机[ 1 ] 作为主 控制器 ， 其余各个库房的监控点选用 S TC 8 9 C 5 2系 列单片机作 为从控制器 。C 8 0 5 1 F 1 2 0体 积小 ， 集 成 度 高，易 扩 展 ，功 耗 小，运 行 速 度 快 高 达 1 0 0 MI P S ， 且 其 数 据 处 理 量 大，内 部 有 一 个 F L AS H， 可实现掉电保存， 能够满足主控点人员记 录、 安 防情 况显 示 等 要求 。库 房 任务 量 小 ， 使 用 S TC 8 9 C 5 2即可 满足要 求 。 1 ． 2 人 体检 测模 块 方案 采用 B I S S o O 0 1集成调零芯片设计人体检测模 块。B I S S 0 0 0 1 是一款高性能的传感信号处理集成 芯片， 配以热释电红外感测器和少量外接元器件构 成被动式热释电红外开关模块。该模块具有稳定性 好 、 抗干扰能力强、 灵敏度高等优点， 检测距离范围 5 m 内具有很好的覆盖能力 ， 且成本相对较低。 1 ． 3 烟 雾检 测模 块方案 设计 比较电路来采集烟雾传感器检测信 号。利 用 比较电路设定烟雾浓度报警界限， 直接采集 比较 电路输出的高低电平 ， 在提高系统稳定性 的同时使 单片机的数据采集及处理更加方便简单。 1 ． 4主 、 从 控制 器通信 方案 主、 从 控 制 器 之 间 的 通 信 采 用 无 线 模 块 C RM2 4 O 0 TN C的多机通信方 式， 该模块 传输距离 比较理想， 即使受到单片机 的时钟干扰而导致传输 距离下降 ， 仍可达到 2 0 0 m的距离 ] 。 1 ． 5显 示 模 块 方 案 显示模块采用 O C M1 2 8 6 4 ～8图形点阵液晶显 示器 设计 。该显 示 器具 有 功耗 低 、 尺 寸 小 、 轻 巧 、 显 示信息量大 、 字迹清晰、 美观 、 视觉舒服等优点。 2系统 电路设 计 本系统可分为控制部分和检测部分 ] 。其 中控 制部分包括主控制器模块电路、 从控制器模块 电路 、 显示电路 、 声光报警电路 、 存储 电路 ； 检测部分包括 人体检测电路 、 烟雾检测电路。 2 ． 1 单片机最小系统与声光报警电路 为满足系统的异地监控和多机检测功能 ， 结合 系统低成本的要求 ， 采用分立元件焊接了单 片机最 小系统 。最小系统只需复位电路、 时钟电路 、 电源电 路和一个单片机即可构成 ， 如图 2所示 以从控制器 模块为例 。 善 一一一一一一； 一一一一一～ 2 0 1 1 年 第 4期 李林 基于单片机的野外作业移动库房安防系统设计 3 9 图 2 单片机最小系统与声光报警 电路 2 ． 2人体检 测模 块 电路 采用 热释电红外感测器设计人体检测模块 电 路[ 5 ] ， 如图 3所示。当感测器探测到库房有人体移 动 时，采 集 到 人 体 与 背 景 的 温 度 差 异 信 号。 B I S S 0 0 0 1将该 信号放大 ， 输 出标 准的高 、 低 电平。 感测器检测距离为 5 ～7 m。当开启警报之后 ， 发 出 警报 ， 从而确定有人人室盗窃， 并传到主控制器进行 声光报警。 2 ． 3 烟 雾检 测模 块 电路 烟雾检测模块电路如图 4所示[ 6 ] 。采用 MQ一 2烟雾传感器 ， 当检测 区内烟雾达到一定浓度时， 烟 雾 传 感 器 输 出 信 号 经 L M3 2 4 放 大 后 输 入 S T C 8 9 C 5 2 ， 经 S TC 8 9 C 5 2处理后进行现场报警 ， 并 将报警信息传送给主控制器 。 图 3 人体检测模 块电路 图 4 烟雾检测模块电路 3系统 程序 设计 3 ． 1 软 件设 计 思路 ‘ 。 ] 1 从控制器采集检测信号， 包括人员出入、 人 体检测、 烟雾检测 、 贵重物品检测 。 2 从控制器负责开启系统， 并将开启信息传 送给主控制器 ， 当检测到人体时报警 。 3 从控制器统计信息， 并通过 串口传给主控 制器 。 4 主控制器实现密码的设 置与解 除警报 ， 显 示库房出入人数统计和最近几天 的安防情况 ， 同时 解 除安全防盗 。 5 主控制器通过无线模块 由串 口与从控制器 通信 ， 可传送控制信息和数据 。 3 ． 2软件 设 计流程 系统主、 从控制器程序流程分别如图 5 、 图 6所 示 。 4系统测 试 4 ． 1人体 检 测模 块 测试 经 B I S S 0 0 0 1 处理后的信号接入一个 L E D发光 二 极管 ， 将带有菲涅尔透镜的热释电红外感测器探 4 0 工矿 自动 化 2 0 1 1年 4月 图 5 主控制器程序流程 烟雾传感器与 热释电红外感测器 外部中断 探测人员进出情况 检测到屋内 人数为零 ＼／ N ＼ 竺 ／ ＼ ／ ＼ ／ 囱 亟 将 信 息 传 送 给 主 控 制 器 l 1 一 图 6从 控 制 器 程 序 流 程 头固定在某方向上， 测试人员由远处逐渐接近系统， 当 L E D由灭变亮时 ， 说明系统检测到人体的存在。 经测试 ， 该模块检测范 围可达 5 m， 完全符合现场设 计要求。 4 ． 2烟 雾检 测模块 测试 将点燃 的香烟接近 MQ一2烟雾传感器探头 ， 用万用表测量调压电阻两侧输出信号的大小。经测 试 ， 随着烟雾浓度的变化 ， 输 出信号电压在 1 ． 2 5 ～ 3 ． 5 V范围内变化， 并且两者具有一定的线性关系。 4 ． 3 出入 人 数 检 测 将红外对射开关安放在合适的位置 ， 当测试人 员从左往右经过对射开关后 ， 液晶显示进人数加 1 ， 总人数加 1 ； 当测试人员从右往左经过对射开关后 ， 液晶显示进人 数减 l ， 总人数减 1 。当总人 数为 0 时， 指示灯 、 液晶和蜂鸣器发出相应的警告和提示。 4 ． 4 总体测 试 将各模块匹配级联 ， 构成完整的移动库房安防 系统。对系统进行初始化设置， 进 、 出人数设 为 0 ， 开启 防盗开 。 当红外探头检测到库房内有人员存在时， 系统 报警 ， 黄灯亮， 蜂鸣器发 出警报， 同时主控制器液晶 显示防盗报警。从主控制器键盘输入密码之后 ， 警 报解 除 。 当检测到库房 内有烟雾时 ， 系统报警 ， 红灯亮 ， 同时主控制器液晶显示火灾报警， 直到烟雾全部消 失之后 ， 警报解除。 当有人经红外对射开关进入库房之后 ， 主控制 器液晶显示进人数加 1 ， 总人数加 1 ； 当有人经红外 对射开关离开库房之后 ， 主控制器液晶显示进人数 减 1 ， 总人数减 1 ； 当总人数为 0时， 指示灯 、 液晶显 示器和蜂鸣器发出相应的警告 和提示， 按下相应 的 键位后 ， 警报解除。 5 结语 采用 C 8 O 5 1 F 1 2 O 、 S T C 8 9 C 5 2 、 热 释 电红 外 感 测 器、 烟雾传感器 、 矩阵键盘、 无线模块、 声光报警装置 等设计了一种野外作业移动库房安防系统。该系统 成本低廉 ， 性能稳定 ， 可实现人体检测 、 烟雾检测 、 异 地监控、 声光报警等功能 ， 且具有较高的精度和灵敏 度。经实地测试 ， 该系统能够较好地满足现场的实 际需要 ， 具有 良好的推广和使用价值。 参考文献 f 1 ] 鲍 可进． C 8 0 5 1 F单片机原理及应 用[ M] ． 北京 中 国电 力出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 龚运新． 单片机 c语言开发技术f M] ． 北京 清华大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 孙业 明． 基于 C 8 0 5 1 F 0 2 0 单 片机的 车床数控 系统设计 [ J ] ． 机床 电器 ， 2 0 1 0 ， 3 7 1 3 7 4 1 ． [ 4 ] 韦雪文 ， 宋 爱 国． 基 于 C 8 0 5 1 F 3 4 0的多 直 流电机 控 制 系统的设计 [ J ] ． 测控技术 ， 2 0 0 9 ， 4 3 1 3 8 4 0 ． [ 5 ] 刘润华 ， 李震梅． 模拟 电子技术基础 [ M] ． 东营 中国石 油大学出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 6 ] 谭浩强． C语言程序设计[ M] ． 3版． 北京 清华大学出 版社 ， 2 0 0 7 ． [ 7 ] 高吉祥． 全 国大学生电子设计竞赛培训系列教程 [ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 8 ] 张智耀． 全 国大学生 电子设计竞赛获奖作 品选 编[ M] ． 北京 北京理工大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． ■ 一 器 一 制置 一 控设 一 主