基于ARM單片機的小區智能安防報警系統設計與實現

劉紅恩，劉金龍

（淮海工學院電子工程學院，江蘇 連云港 222005）

基于ARM單片機的小區智能安防報警系統設計與實現

劉紅恩，劉金龍

（淮海工學院電子工程學院，江蘇 連云港 222005）

介紹了一種基于ARM單片機的小區智能安防報警系統，它包括報警主機、報警接收機、上位機管理軟件3個部分。這個系統可以實現火災報警、防盜報警、可燃性氣體泄漏報警、遠程求助報警，同時，利用RS232總線能夠將這些報警信息穩定地傳送到小區的安防中心，安防中心人員接到報警提示后通過報警接收機和上位機管理軟件能夠快速掌握報警的業主家庭住址、報警類型、業主的聯系方式，從而快速組織人員到達報警地點處理報警事件。

安防報警系統；ARM單片機；上位機管理軟件；報警接收機

1 背景介紹

安防報警系統[1]是將火焰傳感器、可燃性氣體檢測傳感器、紅外對射傳感器等其他傳感器連接到主控芯片，以實現火災、防盜和可燃性氣體泄漏自動報警的系統。通常情況下，根據實際情況，可將不同的傳感器安裝在不同的位置，當有警情發生時，主控芯片就會控制聲光報警器工作，提醒人們處理緊急情況。

一般的報警系統有2種：①基于GSM的家庭安防報警系統[2]。這種報警系統利用移動通信網絡將報警信息以文本短息或者電話呼叫的形式告知用戶家中有警情發生。②基于物聯網的家庭安防報警系統[3]。此系統由報警主控芯片、WiFi聯網模塊、各類傳感器和手機APP軟件構成。WiFi聯網模塊將主控芯片采集到的傳感器信息通過網絡上傳到指定的服務器，用戶通過手機APP軟件接收上傳到服務器的傳感器信息。當住戶家中的報警主控檢測到有警情發生時，服務器會主動傳輸報警信息到用戶的APP上，提醒用戶盡快處理家中發生的警情。在使用這兩種家庭安防報警系統時存在極大的不便性，雖然它能夠監測家中是否有警情發生，并把警情通過GSM網絡或者互聯網告知用戶，但是，用戶接收到報警信息后，并不能及時趕回家中處理突發事件，這些系統明顯不能及時有效地解決家庭安防問題。本文介紹了一種小區智能安防報警系統，它采用聯動報警方式，能夠實現向小區業主家中和小區安防管理中心同時報警，能夠有效解決突發事件。

2 報警系統整體框架

該系統主要包括報警主機、報警接收機、上位機管理軟件3個部分。系統整體硬件如圖1所示。此系統能夠實現多種監測報警，比如防盜報警、遠程求助報警、火災報警和可燃性氣體泄漏報警。利用單片機的串口將這些報警信息傳送到小區安防中心的接警主機上，接警主機通過TTL轉RS232模塊和USB轉RS232模塊將報警信息發送給上位機軟件，安防中心人員接到報警提示后通過接警主機和上位機管理軟件能夠快速了解報警的相關信息，從而快速組織人員到達報警地點處理報警事件。系統采用通信總線連接，小區業主家中的每個報警主機都連接到通信總線上，通信總線的終端連接到小區安防中心的接警主機上，接警主機與電腦連接。系統通信網絡如圖2所示。

圖1 系統整體框圖

圖2 系統通信網絡圖

2.1 報警主機框架

報警主機是由ARM單片機主控模塊、遙控器發射模塊、遙控器接收模塊、OLED液晶顯示模塊、聲光報警模塊、可燃性氣體檢測模塊、紅外對射模塊和火災檢測模塊組成的。遙控器發射和接收模塊可以用于設置報警主機的工作方式和遠程求助報警；OLED液晶顯示模塊用于顯示報警主機的工作方式和報警的類型；可燃性氣體檢測模塊、紅外對射模塊和火災檢測模塊直接與單片機的引腳相連，用于監測家庭環境是否安全；聲光報警模塊在有警情發生時工作，提醒人們有突發事件發生。報警主機有2種工作方式，分為報警模式和防盜報警模式。當其處于一般報警模式時，可以實現火災報警、遠程求助報警、可燃性氣體泄漏報警；當其處于防盜報警模式時，可以實現火災報警、遠程求助報警、可燃性氣體泄漏報警和防盜報警。當小區業主回到家中時，可通過遙控器設置報警主機，使之在一般報警模式工作；當業主出門時，可通過遙控器設置報警主機，使之在防盜報警模式工作。這兩種報警模式可以根據小區業主的實際情況切換。報警主機單片機主控模塊如圖3所示。

圖3 報警主機框圖

2.2 接警主機框架

圖4 接警主機結構框圖

接警主機主要是由ARM單片機主控模塊、12864液晶顯示模塊、聲光報警模塊、TTL轉RS232模塊和USB轉RS232模塊構成得，它能夠接收并顯示報警信息，實現聲光報警，并向電腦軟件端傳送報警信息。12864液晶顯示模塊用于顯示報警的類型，報警的地址；TTL轉RS232模塊和USB轉RS232模塊將報警信息通過通信總線傳輸給上位機軟件。接警主機結構如圖4所示。

3 系統硬件設計

3.1 主控芯片

報警主控和接警主控使用的都是嘉善凱諾電子公司的KN02芯片。KN02系列芯片采用的是以ARMcortex-M0為核心的32位單片機（MCU），其在滿足高性能、高集成、高保密和低功耗的條件下，成本僅相當于傳統的8位單片機。KN02Gxx系列的主頻時鐘高達25MHz，適用于要求高效能單片機（MCU）的工業領域。該芯片提供4K～28Kbytes程序存儲FlashROM、EEPROM。該芯片擁有豐富的外設功能，比如GPIO端口、定時器、UART、SSP/SPI、IIC、PWM、看門狗定時器、12位SARADC和低電壓檢測器。該系統采用的是SOP28L芯片。

3.2 遙控器模塊

無線電遙控器模塊分為2個部分，即遙控發射模塊和遙控接收模塊。遙控發射模塊負責發送控制指令；遙控接收模塊負責接收遙控器發射模塊傳輸的信息，并在對應的引腳輸出單片機能夠識別的電平信息，控制指令在空中以電磁波的形式傳輸。此次設計使用的是4鍵自鎖遙控器，遙控器的發射端有4個按鍵，即A鍵、B鍵、C鍵、D鍵；接收端有5個輸出端口，D0、D1、D2、D3和VT。實際設計中使用了遙控器的A鍵和B鍵，A鍵用于報警模式的切換，B鍵用于遠程求助。遙控器接收端的輸出端口D0和D1分別與單片機的輸入端口P2.0和P1.7連接，單片機通過檢測輸入端口的電平信息判斷遙控器的發射端是否有按鍵按下。上電時，遙控器接收端的D0、D1輸出端口輸出的都是低電平，當A鍵按下時，D0端口輸出高電平，主控單片機檢測到P2.0的高電平后進入防盜報警模式，再按一下A鍵，D0端口輸出低電平，主控單片機檢測到P2.0的低電平進入一般報警模式；B鍵按下時，遙控器接收端的D1端口輸出高電平，單片機檢測到P1.7端口的高電平后觸發報警主機的遠程求助報警，并通過串口向接警主機上傳報警信息，再次按下B鍵，D1端口輸出低電平，遠程求助報警解除。

3.3 顯示模塊

該系統使用了2種顯示模塊，報警主機顯示模塊采用的是OLED液晶顯示屏，接警主機顯示模塊采用的是12864液晶顯示屏。

3.3.1 OLED顯示模塊設計

該設計中，OLED液晶顯示模塊用于顯示報警主機當前所處的報警模式，即一般報警模式和防盜報警模式。報警模式可以通過遙控器發射模塊切換，當有突發情況發生時，顯示屏還能夠顯示報警類型。

3、多家保險公司并進發展。2012年，我市由陽光農業保險公司一家開展試點，經過幾年的發展，到2016年，形成了陽光互助農業保險公司、陽光農業保險公司、中國人保財險、平安保險公司等多家保險公司齊頭并進，共同發展的良好勢頭，為保險部門在創新農業保險產品，提高服務質量等方面，起到了積極的促進作用。

3.3.2 12864液晶顯示模塊設計

1286LCD是由128×64個微型液晶顯示發光二極管組成的一個128列64行的陣列，每個顯示點都由一位二進制數控制，寫入0時，相應的點陣熄滅，寫入1時，相應的點陣點亮。12864液晶顯示模塊用于顯示報警的類型和報警的小區業主地址，當發生報警事件時，小區安防人員通過液晶顯示模塊就可以了解警情，進而采取對應的報警處理方式。

3.4 火災檢測模塊

火災檢測模塊用于檢測用戶家中是否發生火災，但是，僅僅依靠紅外接收管來檢測是否有火災發生的辦法是不科學的。因此，在此次設計中，將溫度傳感器DS18b20與遠紅外火焰傳感器結合起來使用。溫度傳感器的數據輸出端口與報警主機的P2.4引腳相連，遠紅外火焰傳感器的模擬輸出接口AO與報警主機的P0.4引腳相連，報警主機的P0.4引腳可以復用為單片機ADC的ADC2通道。傳感器輸出的模擬信號經過主控芯片的ADC模塊轉換后與系統預設的數據對比，如果轉換后的數值小于系統預設值，并且溫度傳感器采集到的溫度大于正常室溫時，單片機就會控制聲光報警模塊工作，并通過串口向接警主機傳達火災報警信息。

3.5 防盜模塊

系統中使用的紅外對射模塊可用于防盜報警，可以將此模塊放置在窗戶和門的旁邊，當物體越過紅外對射模塊探測區域時，就會遮斷紅外發射管發出的紅外光而引發報警主機報警。紅外對射模塊主要是由紅外發射管、紅外接收管和LM393電壓比較器組成。模塊的數字輸出端口接到報警主控的P0.2引腳，當發射管與接收管之間沒有遮擋物時，LM393電壓比較器的6端電壓比7端口電壓高，1引腳輸出低電平；當發射管與接收管之間有遮擋物時，LM393電壓比較器的6端電壓比7端口電壓低，1引腳輸出高電平；接警主控的P0.2端口檢測到高電平時，就會控制聲光報警模塊工作，然后通過串口上傳報警信息到接警主機。

3.6 可燃性氣體泄漏檢測模塊

系統中的可燃性氣體檢測模塊使用的是MQ-2煙霧傳感器，它適宜于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測。MQ-2模塊的探測范圍非常廣、穩定性好、壽命長、靈敏度高、反應速度快、驅動電路簡單。可燃性氣體泄漏檢測模塊安置在住戶的廚房中，用于檢測小區業主家中是否有可燃性氣體泄漏的警情發生。當業主家中發生可燃性氣體泄漏事件時，MQ-2傳感器的電阻率就會變小，從而導致模擬輸出端口AO的數值變大。

經過主控單片機的ADC模塊轉換后，模擬端口轉換后的數值與系統預設的報警值進行對比，如果大于預設的數值，報警主控就會控制聲光報警模塊工作，并通過RS232總線向接警主控上傳可燃性氣體泄漏報警信息。

3.7 聲光報警模塊

聲光報警模塊是由NE555芯片、全彩發光二極管和有源蜂鳴器組成。模塊的控制引腳與主控單片機的P3.0端口連接，當有警情發生時，單片機的P3.0端口輸出高電平，同時，三極管Q10導通，NE555芯片通電開始工作；當芯片輸出的方波為低電平時，全彩二極管D1開始發光，三極管Q1導通，蜂鳴器開始工作。

3.8 TTL轉RS232模塊

單片機的串口是TTL電平，輸出能力很弱，傳送數據的距離比較近。RS232接口是主流的串行通信接口之一，其傳輸距離比較遠，抗干擾性相對比較高，接線也比較簡單，因此，適合串口遠距離傳輸數據。但是，單片機的串口電平與RS232接口的電平不同，不能直接通信，必須通過TTL轉RS232模塊將單片機的TTL電平轉換為RS232的電平。

3.9 USB轉RS232模塊

RS232接口是計算機的通訊接口之一，但是，現在此接口只存在臺式電腦上，而USB接口是所有電腦的必備接口，考慮到此次設計的實用性和兼容性，采用USB轉RS232模塊將接警主機與電腦連接，這樣，下位機就能通過TTL轉RS232模塊和USB轉RS232模塊與電腦通信。

4 系統軟件設計

4.1 報警主機軟件設計

報警主機主要完成報警模式設置、報警模式顯示、接收并分析各個傳感器輸入的數據、觸發聲光報警、接收并分析遙控接收器的信息、通過串口傳送報警信息的功能。

報警主控模塊先分析遙控接收器輸入的信息，然后設置報警主機的工作模式，通常采用的是一般報警模式或者防盜報警模式。當處于一般報警模式時，報警主控會使火災探測模塊、可燃性氣體泄漏檢測模塊、遠程求助模塊工作；當處于防盜報警模式時，報警主控會使火災探測模塊、可燃性氣體泄漏檢測模塊、遠程求助模塊和紅外對射模塊工作。

報警主機的報警模式設置完成后，主控MCU就開始接收和分析各個傳感器輸入的模擬信號，利用ARM單片機自帶的ADC功能將這些模擬信號轉變為1到4096數值的數字信號。當這些數字信號的數值低于或者高于單片機預設的報警閾值時，就會觸發主控模塊報警，并使聲光報警模塊開始工作，同時，主控模塊會將這些報警信息通過串口上傳報警。這些信息包括報警的類型和報警的地址，當主控模塊復位時，聲光報警模塊才會停止工作。

4.2 接警主機軟件設計

接警主控主要完成接收報警主機上傳的報警信息、顯示報警類型和報警地址、向上位機傳送報警信息、聲光報警的功能。接警主機接收到報警信息后通過12864液晶顯示屏顯示報警類型和報警地址，同時，控制聲光報警模塊工作，告訴小區安防人員有警情發生，然后通過RS232總線上傳報警信息給上位機軟件。

4.3 上位機軟件設計

上位機管理軟件主要完成接收接警主機上傳的報警信息、顯示報警類型、報警地址、報警地址業主的聯系方式和工作地點、記錄報警信息、查詢報警信息、添加小區業主信息和刪除小區業主信息的功能。當上位機管理軟件收到接警主機上傳的報警信息后，會顯示報警的類型、報警的地址以及報警地址業主的聯系方式和工作地點，然后將報警信息記錄到數據庫中，以方便小區安防部門查閱。

5 系統設計評價

5.1 系統實際設計要求

在傳輸數據時，該系統使用的是TTL轉RS232模塊和USB轉RS232模塊。在遠距離傳輸時，采用TTL轉RS485模塊和USB轉RS485模塊。

該系統使用紅外對射模塊來檢測是否有非法入室的情況發生。此模塊靈敏度比較低，監測范圍有限，并且紅外發射模塊發出的紅外光非常容易受到外界的干擾，這樣就會導致錯誤報警或者有非法入室時不報警的情況發生。所以，在實際設計中，應該使用紅外光柵。

5.2 系統設計創新點

與傳統的基于GSM的家庭報警系統相比，基于ARM單片機的小區智能安防報警系統具有以下優點：①采用32位ARM單片機能夠快速處理數據。②聯動報警。當有警情發生時，小區安防人員能夠通過接警主機和上位機管理軟件的報警第一時間到達相應地點，并及時將處理情況反饋給小區業主，避免業主不在家時不能及時處理警情。③2種報警模式的可操作性比較強，可通過無線電遙控器設置報警模式。④報警主控端口采用OLED液晶顯示模塊，降低了報警主控的功耗。⑤在實際設計中，采用RS485總線接口傳輸數據，它能夠在整個小區中有效傳輸數據。⑥系統成本低，性價比比較高。

6 結論

本文提出的基于ARM單片機的小區智能安防報警系統以上位機作為小區物業管理部門安防監控總系統，以單片機和各類環境參數采集傳感器構成的子系統作為業主家庭安防報警主機，同時，采用具有穩定數據傳輸特性的總線方式向上位機上傳各類報警信息，以有效保證小區業主的人身和財產安全。這對于構建安全小區具有重要意義。

［1］張祖昌.基于STC89C51RC的家居安防報警系統的設計與實現［J］.機電技術，2013（4）：74-77.

［2］尹奇龍，趙龍，王強，等.基于GSM網絡的實驗室安防報警系統設計［J］.林業機械與木工設備，2012，40（11）：48-49.

［3］張自友，楊濟豪.基于物聯網的小區安防報警系統設計［J］.計算機測量與控制，2013，21（5）：1364-1366.

〔編輯：白潔〕

TP274

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.17.048

2095－6835（2017）17－0048－05

劉紅恩（1993—），男，通信工程專業本科生。

劉金龍（1976—），男，博士，講師，主要研究方向是通信與信息系統。