一種新的監控告警系統設計

摘 要： 當前監控告警系統大都是根據用戶具體某一種應用需求而設計的，這限制了系統應用擴展性。針對這一問題，設計一種新的系統。系統中相應的傳感器對監控區域的信息數據進行實時采集，然后發送給單片機進行處理。單片機首先根據收到的各傳感器數據對當前環境狀態進行判斷并向告警裝置發送相應工作指令，然后將接收到的數據打包發送給后臺計算機的應用軟件，實現監控區域各項數據的可視化以及告警狀態的可視化。系統的特點是能夠根據具體應用環境組合搭配啟用系統傳感器，因此應用范圍得到極大擴展。

關鍵詞： 傳感器； 串行數據； 監控告警系統； 門限值

中圖分類號： TN948.64?34； TP368 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）10?0124?05

Design of a new monitoring and alarm system

YANG Yujie1，2， WANG Yali1，2， TAO You3

（1. College of Computer and Information Engineering， Henan Normal University， Xinxiang 453007， China；

2. Henan Engineering Lab of Intelligence Business Internet of Things Technology， Xinxiang 453007， China；

3. China North Communication Technology Co.， Ltd.， Xinxiang 453007， China）

Abstract： The current monitoring and alarm systems were mostly designed to meet the specific application requirement of the user， which limited the application scalability of the system. To solve this problem， a new system was designed. The corresponding sensor in the system is used to collect the information data of the monitoring area in real time， and sent the data to the single chip microcomputer （SCM） for processing. The SCM firstly judges the current environmental status according to the collected sensor data and sends the corresponding work instructions to the warning device， and then packs the received data and sends them to the application software of background computer to realize the visualization of the various data in monitored area and alarm status. The feature of the system is to combine and enable the sensor in the system according to the specific application environment， so its application range is expanded widely.

Keywords： sensor； serial data； monitoring and alarm system； threshold value

0 引 言

近年來，隨著電子信息技術的發展以及人們生活中對監控告警的應用需求，促使監控告警系統不斷朝著智能化、網絡化的方向發展。然而現有的監控告警系統的監控變量單一，無法同時監控多種環境變量，而且系統往往是根據不同的監控環境而設計的，因此會受到監控環境的約束，從而影響整個系統的應用范圍。同時隨著物聯網技術的發展，基于物聯網技術能夠進行協同感知。在入侵活動發生時，前端傳感器節點能通過數據處理中心將報警信息傳輸至后臺監控中心，后臺監控中心對入侵行為進行識別并執行與之對應的預警動作，實現全天候、全天時、實時主動地防護，這樣的系統將成為下一代監控告警系統的發展方向。

為改善當前監控告警系統的應用不足，以及適應下一代監控告警的發展方向，本文提出一種監控告警系統的設計方法。該系統是以多種傳感器為前端的信息采集裝置，以單片機為數據處理和控制中心，同時配有一套自主開發的后臺應用軟件。前端的傳感器實時采集監控環境的信息并將這些信息數據發送給單片機進行處理分析，單片機將處理分析完畢后的數據打包轉發至后臺應用軟件，后臺應用軟件根據這些數據信息對監控區域狀態進行識別并實現監控區域狀態可視化和監控數據可視化。系統目前可同時接入7種不同的傳感器分別監控7種不同的環境變量。這7種傳感器在實際應用中可根據不同的監控需求而啟用，使得系統的應用范圍得到極大的擴展。開發的后臺應用軟件能夠在后臺實時顯示監控區域的各項監控信息，實現監控信息數據和告警信息可視化以及對系統的遠程控制。

1 系統簡介

1.1 系統組成

圖1為該系統的組成圖。系統由傳感器、單片機、告警裝置和兩臺安裝有監控告警系統應用軟件的PC（Personal Computer）機組成。其中傳感器主要包含能夠采集溫度、濕度、煙霧濃度、人體紅外、聲音、振動、觸摸等信息的7種傳感器。告警裝置主要由正常狀態指示燈、告警狀態指示燈和一個蜂鳴器組成。單片機與7種不同的傳感器直接相連接以便于控制傳感器工作，PC機對單片機控制，同時為實現遠程管理控制，安裝后臺軟件的PC機可通過接入互聯網實現與遠端的安裝相同后臺軟件PC機的互聯互通，以此達到遠程化控制的目的。

1.2 系統工作原理

系統通過各傳感器實時采集環境信息數據并發送給單片機[1]。單片機首先根據收到的數據對監控區域的環境狀態進行判定，當某一個或幾個傳感器采集的數據出現異常或達到預先設定的門限值，單片機就向告警裝置發出告警指令，相應的告警指示燈會發出告警信號。完成上述工作后，單片機將收到的各傳感器采集的環境信息數據統一打包并采用串行方式發送給PC機，PC機中的后臺應用軟件根據接收到的數據進行分析、判斷，同時控制工作界面會顯示當前監控環境的狀態信息。聯網的計算機會將環境狀態信息發送上網，便于進一步的分析和使用。當警報解除后，按動圖1中的控制按鍵可以關閉告警，并對系統進行初始化。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器模塊設計

系統首先要通過各種傳感器獲得環境信息數據，因此傳感器的靈敏度和準確度直接影響整個系統的工作性能。為避免各傳感器之間的相互干擾及保證系統的靈活性，除了溫度和濕度集成在一個模塊中，其他各傳感器均為獨立模塊。為了方便系統的供電，各傳感器均采用5 V直流電源供電[2]。

2.1.1 溫濕度傳感器

系統中采用DHT11數字溫濕度傳感器[3]采集監控區域的溫度及濕度信號。DHT11內部由感濕器件、NTC（Negative Temperature Coefficient）測溫器件、集成單片機等原件組成，以串行方式輸出具有較高精準度的信號數據。該傳感器的溫度量程范圍為：0～50 ℃，濕度量程范圍為：20%RH～90%RH，溫度分辨率為1 ℃，濕度分辨率為1%RH。溫度精度為±1 ℃，濕度精度為±4%RH。輸出的數據采用串行格式，在一個大約4 ms的通信周期內傳輸的有效數據為40 b。數據具體格式如圖2所示，其中校驗和數據為前4 B數據和的低8位。

DHT11只有在接收到單片機的使能信號并返回響應信號建立通信鏈路連接后才進行一次溫濕度采集， 并向單片機發送采集到的40 b的溫濕度數據。在未建立連接前，該傳感器不會工作[4]。當單片機發出時間大于18 ms的低電平使能信號后表示一個通信周期的開始。使能信號結束后，DHT11發送80 μs低電平響應信號，雙方正確讀取相應信號后成功建立通信連接，單片機切換到輸入模式準備讀取傳感器發送的數據。該過程相當于外部處理器和傳感器之間的握手過程，如圖3所示。

2.1.2 人體紅外傳感器

人體紅外傳感器采用一種探測性能好、價格低廉的被動式紅外探測器PIR（Passive Infrared Sensor）[5]。工作原理是：凡是溫度在絕對0 ℃（-273 ℃）以上的物體都能夠產生熱輻射，而溫度在-273～1 725 ℃之間的物體產生的熱輻射光譜則在紅外光譜區，同時物體在不同溫度時的熱輻射波長也是不一樣的。一般人體的熱輻射紅外波長為3～50 μm，其中一般的波長分布在8～14 μm，而PIR恰好能夠感應8～12 μm的紅外變化。PIR作為一種被動式紅外探測器，本身不發射任何信號只是被動接受來自環境的紅外輻射，通電后經幾秒適應環境輻射后，環境無人或動物移動時，PIR受到的紅外輻射是穩定的，其輸出電信號也將保持穩定。一旦有人或動物進入監控區域，將會引起PIR輸出電信號發生突變。PIR的探測距離大約為10 m，能夠有效滿足整個系統的工作需求。

雖然PIR能夠在監控環境中出現人體移動時輸出突變的電信號，但是由于該信號十分微弱，同時攜帶的噪聲較多，不能直接被識別。因此采用BISS0001芯片[6]對PIR輸出信號進行濾波放大處理。當探測到有人體進入監控區域時，傳感器輸出高電平，觸發報警器工作。

2.1.3 振動傳感器電路設計

系統中的振動傳感器在感應到監控環境出現振動時輸出高電平，在未感應到振動時持續輸出低電平。電路如圖6所示。

振動開關在無振動時處于斷開狀態，當感應到振動時將處于閉合狀態。所以當監控環境無振動時，振動傳感器斷路，電壓比較器U1A的反向輸入電壓[7]等于VCC。由于受到可調電位器R5的分壓，電壓比較器U1A的正向輸入電壓將小于VCC，即小于其反向輸入電壓。電壓比較器輸出為低電平0，發光二極管D2導通發光。二極管在此用來指示振動傳感器的工作狀態，亮表示振動傳感器未感應到振動。當監控環境中出現振動時，振動傳感器導通，電壓比較器U1A的反向輸入端被斷路到地，正向輸入端電壓不變，所以此時電壓比較器U1A輸出為高電平，此時振動報警器報警。

2.1.4 聲音傳感器、煙霧傳感器

聲音傳感器和煙霧傳感器的電路及工作原理與振動傳感器基本一致。聲音傳感器在檢測到超出門限值的聲音后輸出低電平，此時聲音報警器報警。平時沒有問題時聲音傳感器將保持高電平輸出。在監控環境無煙霧時，煙霧探頭處于長閉狀態，傳感器輸出高電平，當監控環境的煙霧濃度達到設定的閾值時煙霧探頭斷開，傳感器電路輸出低電平，這時煙霧報警器被觸發將進行報警。

2.1.5 觸摸壓力傳感器電路設計

該傳感器是一個基于觸摸檢測集成芯片（TTP223B）的電容式點動型觸摸檢測傳感器。當用手指觸摸相應位置時，會使得觸摸感應區域的電容發生改變，使得觸摸檢測芯片的輸出發生改變，最終使得傳感器輸出高電平。

2.2 控制按鍵電路設計

為了降低系統誤告警的影響，同時也為了保證告警處理后該系統能夠恢復正常工作，設計了控制按鍵電路。當系統產生告警后，通過觸發控制按鍵控制單片機解除告警，恢復正常監控狀態。控制按鍵是一個簡單的與地相連的開關電路，按鍵按下電路接通到地，觸發低電平，解除警報。

2.3 告警裝置

系統中的告警電路主要發光二極管和蜂鳴器組成，其電路如圖7所示。

電路中的D1為綠色發光二極管，在整個監控系統處于正常狀態，電路工作正常且無任何告警產生時，該二極管導通，指示整個系統工作正常無告警產生。當單片機根據接收的傳感器信號判定有告警產生時，單片機會發出告警控制指令，使得紅色發光二極管D2按照一定頻率閃爍，蜂鳴器發出告警聲音，同時D1截止。

2.4 單片機

系統采用STC89C52RC單片機作為系統的數據處理和控制中心。時鐘晶振采用11.059 2 MHz的外部晶振。為了便于實際操作中的調試，為系統的單片機配置外部復位電路。復位電路既有高電平復位又有低電平復位，能夠與大部分芯片匹配，能夠有效提高系統的擴展性。單片機和計算機的通信以及自身供電均通過與計算機連接的USB（Universal Serial Bus）端口，通信標準采用RS 232串行通信標準[8]。

3 后臺應用軟件開發

為了能夠實現監控區域各項數據的可視化以及后臺遠程告警，系統配套自主開發的后臺應用軟件。軟件是基于Microsoft Visual Basic 6.0開發環境所開發出的一個簡單應用軟件[9]。該軟件主要由登錄界面和工作界面組成。登錄界面如圖8所示。

圖8 系統軟件登錄界面

工作界面如圖9所示。

工作界面可實時顯示系統當前的時間、各監控指標的狀態、串口接收的數據、溫濕度的實時數值和趨勢圖[10]。當出現告警時，應用軟件通過分析收到的數據來判斷告警是由哪一種傳感器所觸發，對應界面中的傳感器狀態會轉換為告警狀態。告警狀態下，傳感器指示燈會呈現紅色，狀態提示框也會出現“告警！！”字符。特別是溫濕度出現告警時，其數值顯示區域的背景顏色也將變為紅色。為便于識別溫濕度的告警門限值，在溫濕度趨勢圖中特別標出所設定的門限值的刻度線。

后臺的應用軟件不僅能夠實現后臺告警和各項數據可視化，也能夠實現對系統的遠程控制。安裝此后臺軟件的多臺計算機可通過現有互聯網實現互聯互通，實現監控數據的共享和對監控系統的協同管理。在實際工作中可以根據監控區域的實際需求來組合啟用傳感器，例如對于普通家庭的應用需求可以組合選擇該系統中的溫濕度傳感器、煙霧傳感器和紅外傳感器，以達到防火、防盜的目的。應用于博物館展臺時可以組合選擇該系統中的振動傳感器和觸摸傳感器，以保護展品。通過后臺應用軟件，在上述應用實例中均可實現對系統的遠程控制和信息共享。

后臺軟件登錄界面部分源代碼如下。這部分代碼主要實現登錄界面的搭建和對登錄用戶身份的驗證。

Private Sub Form_QueryUnload（Cancel As Integer， UnloadMode As Integer）

If MsgBox（\"您確定要退出系統？\"， vbYesNo， \"警告！\"） = vbYes Then

unloadmod = True

Else

Cancel = True

End If

End Sub

Private Sub 登錄_Click（）

Dim ues As String

Dim psw As String

use = 用戶名.Text

psw = 密碼.Text

If （use = \"admin\" And psw = \"123456\"） Or （use = \"taoyou\" And psw = \"123456\"） Then

Load Form2

Form2.Show

Form1.Hide

Else

提示.Caption = \"登錄失敗！請重新輸入或聯系管理員。\"

End If

End Sub

Private Sub 退出_Click（）

Unload Me

End Sub

后臺軟件工作界面部分源代碼，這部分代碼主要實現在工作界面實時更新顯示時間、各項監控傳感器的工作狀態，接收監控數據、顯示監控數據、繪制溫濕度趨勢圖的功能：

Private Sub Timer1_Timer（）

Label14.Caption = Now ′實時顯示時間

End Sub

Private Sub 打開串口_Click（）

On Error GoTo uer

MSComm1.CommPort = Cb1.ListIndex + 1

MSComm1.PortOpen = True

Shape1.FillColor = vbGreen

Exit Sub

uer：

MsgBox \"端口無效\"， vbOKOnly， \"提示\"

End Sub

Private Sub 關閉監控_Click（）

指示燈1.FillColor = H808080

指示燈2.FillColor = H808080

指示燈3.FillColor = H808080

指示燈4.FillColor = H808080

指示燈5.FillColor = H808080

指示燈6.FillColor = H808080

指示燈7.FillColor = H808080

Timer1.Enabled = False ′定時器關閉

MSComm1.RThreshold = 0 ′串口收關閉

Label14.Caption = \"系統已關閉\"

Text9.BackColor = H808080

Text8.BackColor = H808080

Text9.Text = \" \"

Text8.Text = \" \"

End Sub

Private Sub 關閉串口_Click（）

If MSComm1.PortOpen = True Then

MSComm1.PortOpen = False

Shape1.FillColor = HC0C0C0

End If

End Sub

Private Sub 開啟監控_Click（）

指示燈1.FillColor = HFF00

指示燈2.FillColor = HFF00

指示燈3.FillColor = HFF00

指示燈4.FillColor = HFF00

指示燈5.FillColor = HFF00

指示燈6.FillColor = HFF00

指示燈7.FillColor = HFF00

Pic1.Cls ′溫度

Pic1.Line （0， 0）?（200， 0）， vbBlue ′畫中線

Pic1.Line （0， 50）?（200， 50）， vbRed ′畫告警線

Pic2.Cls ′濕度

Pic2.Line （0， 0）?（200， 0）， vbBlue ′畫中線

Pic2.Line （0， 70）?（200， 70）， vbRed ′畫告警線

Me.Timer1.Interval = 50 ′定時器間隔

Me.Timer1.Enabled = True ′定時器使能

MSComm1.InputLen = 1

MSComm1.RThreshold = 1 ′串口接收計算設置

End Sub

4 結 語

本文設計了一種新型的監控報警系統。系統基于單片機，裝載各種不同的傳感器，并與計算機相連接。設計的計算機軟件對環境條件進行監控同時控制系統，根據不同的環境需求啟用相應的傳感器，以達到能在多種不同場景下使用的目的。同時，若將軟件安裝于計算機網絡中，更可以實現控制的遠程化和網絡化，具有應用范圍廣泛、監控內容多樣、數據可視、可遠程控制等優點，符合新一代基于物聯網技術的監控告警的發展方向。

參考文獻

[1] 湯詩宇.單片機自動控制應用系統的設計探討[J].電子制作，2015（6）：14.

[2] JIANG Zhuangde. MEMS sensor technology [J]. Engineering sciences， 2012， 10（5）： 16?25.

[3] 王啟云.基于狀態機的單片機數字溫度計研究[J].電子制作，2014（1）：37.

[4] 陳瓊.溫度檢測與報警模擬電路綜合設計實驗[J].科教文匯旬刊，2015（1）：71?73.

[5] 王恒迪，翟鑫，秦超.軸承試驗機多點溫度監控系統設計[J].河南科技大學學報（自然科學版），2014，35（5）：15?18.

[6] 薛晨陽，譚秋林，馬游春，等.紅外傳感器的信號提取和數據采集的設計[J].儀表技術與傳感器，2007（2）：45?46.

[7] MAO Xinhua， HUANG Tingting. The design of check and control system for temperature based on the wireless communications of ZigBee [C]// Proceedings of 2010 International Conference on Education and Information Technology. Chongqing： IEEE， 2010： 3879?3883.

[8] RADKEVICH M. Monitoring of pavement state as a basis for economic regulation of greenhouse gases emissions [J]. Annals of Warsaw University of Life Sciences， 2014， 46（2）： 93?100.

[9] SLOCUM T A， YODER S C. Using visual basic to teach programming for geographers [J]. Journal of geography， 1996， 95（5）： 194?199.

[10] ZHANG Tao. Research and application of serial communication modules based on VB [J]. Energy procedia， 2011， 11： 5.