基于GPRS的實驗室安防系統的設計

趙光輝

（菏澤學院物理系 山東 菏澤 274015）

實驗室是高校教學過程中的重要環節。近年來，隨著高校規模的擴大，各高校實驗室建設也得以長足進步。但是，由于實驗室比較分散，給集中實現實驗室的安全維護和管理帶來較大困難。為解決這一問題，文中提出了一種基于GPRS的實驗室監控系統。利用校園內已經建設好的GPRS無線網絡，將各個實驗室連接到一起，實現對實驗室安全的集中監控與管理。

1 系統總體結構

系統總體結構框圖如圖1所示。系統由數據采集模塊、主控模塊和自動報警模塊三部分組成。

圖1 系統結構框圖

主控模塊由控制芯片、LCD液晶顯示、按鍵控制和電源電路組成。主控模塊主要控制協調系統的正常工作，控制芯片將各傳感器的信息進行處理，并在LCD顯示屏上顯示出來；用戶可通過按鍵查看實驗室當前狀態，可以進行手動布防和撤防操作。

信息采集模塊由各類傳感器及信號處理電路組成，主要功能是采集實驗室的環境信息和安全信息。各傳感器信號經信號處理電路處理后送主控模塊。

自動報警模塊由聲光報警和GPRS模塊組成，在接收到危害實驗室的信息時，按照預先設定的警情處理模式，開啟相應的報警方式。

2 系統硬件電路設計

2.1 主控模塊硬件電路設計

主控模塊主要由單片機最小系統、按鍵控制電路和LCD顯示電路組成。

系統采用菲利普公司ARM微處理器LPC2148作為主控芯片。LPC2148芯片支持實時仿真、嵌入式跟蹤的32/16位ARM7/TDMI-STM CPU的MCU，具有串行通信接口(從USB 2.0全速器件、多個 UART、SPI、SSP到 I2C總線)和8kB到40kB的片內SRAM，為通信網關提供巨大緩沖區空間和強大的處理功能；內部集成2個32位定時器、1個10位DAC、2個10位ADC、47個高速GPIO線、PWM通道及9個電平或邊沿觸發的外部中斷口使它們特別適用于控制系統。

系統的按鍵控制電路和LCD顯示電路主要實現實時數據的顯示、歷史告警信息查詢和系統的安防設置等功能，其硬件電路圖如圖2所示。按鍵控制電路由4個獨立按鍵組成，用戶可通過4個按鍵和LCD顯示屏方便的查看安防系統的實時數據和歷史警情信息，還可以手動設置實驗室的布防和撤防。

圖2 按鍵控制與LCD顯示硬件電路圖

2.2 信息采集模塊硬件電路設計

該模塊硬件電路主要由各類傳感器和信號處理電路組成。其中溫度傳感器和濕度傳感器采集的數據為實驗室環境信息，而紅外、煙霧、玻璃破碎、門磁、窗磁等傳感器則采集的數據為實驗室的安全信息。

溫度和濕度傳感器，采用集成化傳感器，無需處理電路，可以直接讀取實時的溫度、濕度信息。

系統中采用CA3302B型光電煙霧傳感器，用于火災報警。煙霧傳感器安裝實驗室內天花板上，用來探測實驗室內空氣中煙霧，根據實驗室內煙霧的濃度判斷是否有火災發生。煙霧傳感信號處理電路原理圖如圖3所示。J1的1，4引腳連接傳感器的內部光源，2，3引腳連接傳感器的光敏元件。正常狀態下J1的2引腳為高電平，也就是IC2A的2腳是高電平，由于IC1A的1腳是高電平所以輸出低電平，然后經IC2B反向輸出高電平；當煙霧進入傳感器的暗室時，光線散射照在光敏元件上，其電阻率降低，IC2A的第2引腳變成低電平，其輸出高電平，經IC2B反向，最后輸出低電平。單片機可以通過檢測IC2B的輸出判斷是否有煙霧報警即火災報警。

圖3 煙霧傳感器信號處理電路圖

系統中采用P2288型熱釋電紅外傳感器檢測人體輻射出紅外線信號。當檢測到人體紅外信號時，在其輸出回路中會產生輸出電流；而檢測區域內沒有人體的紅外信號時，則沒有電流。P2288傳感器對運動的人敏感，應用時常在傳感器的外部家一塊菲涅爾透鏡，這樣可以有效的避免其他紅外線的干擾。因此，當有人在P2288監測范圍內活動時，P2288會輸出一個微弱的電流信號，經信號處理電路可將其轉換為開關信號，主控芯片通過檢測這個開關信號的有無，就可判斷實驗室內是否有人活動，它盜警的主要判斷依據當有人打破玻璃時，玻璃破碎傳感器受到機械振動，會給一個信號，這信號經放大、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。

2.3 報警模塊硬件電路設計

聲光報警采用帶警燈的報警器，由主控芯片控制的繼電器控制報警器的工作電源。

GPRS通信模塊采用西門子公司生產的MC55。該模塊具有GSM模塊的功能，支持分組業務功能，內嵌TCP/IP協議；數據接口采用UART收發器，符合RS232接口標準；具有語音和數據傳輸功能。MC55模塊通過電平轉換芯片MAX232與LPC2148相連。MC55的RXD0、TXD0分別與的R1IN、T1OUT引腳相連，而 MAX232的 T1IN、R1OUT引腳分別與LPC2148的P0.0和P0.0引腳連接，完成數據傳輸；P0.2口通過相應驅動電路與MC55的IGT引腳相連，用來控制MC55模塊的開啟；P0.9口連接MC55的VDD，用來判斷MC55啟動是否正常；P0.3口接MC55的RING0端口用于數據傳輸的信號中斷；在MC55的基帶處理器上有一個綜合SIM接口，連接到外部的SIM卡座。SIM卡 的 6 個 引 腳 CCCLK、CCVCC、CCIO、CCRST、CCIN、CCGND分別與MC55上的相應的第1到第6個端口相連。

2.4 上位機硬件電路設計

監控中心上位機采用PC機，通過與串口相連接的GPRS通信模塊與各實驗通信，實時監控各個實驗室的信息。如有警情出現提示值班人員前去維護。

3 系統軟件設計

系統軟件設計分為實驗室數據采集下位機軟件設計和監控中心上位機軟件設計兩部分。其中，上位機軟件采用VB語言編寫，主要是實現串口數據的收發。但是數據格式必須與下位機的GPRS數據格式一致。

下位機系統軟件設計時，采用模塊化設計。根據系統不同的功能模塊，設計相應的子程序。具體講可分為主程序和GPRS通信、聲光報警、按鍵控制、數據存儲和LCD顯示等多個子程序組成。程序流程圖如圖4所示。主程序包括設備的初始化、數據的采集、信息處理和警情的判斷。其他功能性子程序在應用時直接調用即可。

圖4 煙霧傳感器信號處理電路圖

如有警情信息除了啟動聲光報警外，還需通過GPRS通信模塊相關警情發送至監控中心。下位機與上位機之間利用MC55模塊通過GPRS網絡進行通信。GPRS網絡是以現有的GSM網絡為基礎增加GPRS網關支持節點（GGSN）和GPRS服務支持節點（SGSN）來實現的。系統中采用的GPRS網絡結構如圖5所示。

圖5 GPRS網絡結構

主控芯片LPC2148將警情信息通過RS-232C串行口送至GPRS通信模塊，GPRS通信模塊通過內部嵌入的TCP/IP協議將數據信息封裝成GPRS數據包的形式，并將封裝好的數據包發送至SGSN，然后SGSN與GGSN進行通信，GGSN將數據進行處理后，經由SGSN發送至監控中心的GPRS通信模塊。

系統還可設置不同的防范狀態。依據高校的特點，可將安防模式設為工作模式和假期模式，在這兩種模式下安防等級相同，報警方式不同。工作模式下警情信息主要交由實驗室管理員處理；假期模式下，警情信息由學校安保處值班人員處理。這樣高校可根據具體時間靈活設置。

4 結束語

該系統利用GPRS無線網絡實現對分散實驗室的集中監控，實現了高校實驗室集成化、智能化、網絡化監控，節約人力資源，提高了高校實驗室安全運轉的可靠性。近年來，無線網絡的校園覆蓋率正逐年增長，使系統無需重新組網，而且由于采用無線模式，使系統的應用更加靈活、廣泛。

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