基于GSM和LPC2138的实验室安防系统的设计

摘要：文中介绍了一种基于GSM和LPC2138的高校实验室智能自动安防系统。该系统采用高性能ARM微处理器LPC2138为主控芯片，通过传感器采集实验室各项环境数据，将危害实验室安全的信息通过GSM网络发送给实验室管理员，实现了对实验室的智能化监控。
关键词：全球移动通信系统；实验室；安防系统

0 前言
    实验室是高校教学过程的重要环节，是综合应用型人才培养和教师进行科学研究的重要场所。近年来，随着高校规模的扩大，各高校实验室也得以飞速发展，实验室器材占高校固定资产的比重也越来越大。但是，由于很多院校没有实验中心，实验室主要依附于院系而存在，比较分散。这样，集中实现实验室的安全维护和管理存在较大困难。
    基于上述问题，文中提出了基于GSM和LPC2138的实验室安防系统的设计。系统采用32位ARM系列单片机LPC2138作为主控芯片，通过各种传感器采集实验室信息，如有危害实验室安全的因素出现，通过GSM模块发送短消息给监控中心或者实验室管理员，及时对实验室进行维护，从而提高了实验室安全运转的可靠性。

1 系统总体结构
    系统总体结构框图如图1所示。系统由控制模块、信息采集模块、报警模块三部分组成。

    控制模块由单片机芯片、LCD显示、按键控制和电源电路组成。控制模块主要控制协调系统的正常工作，单片机芯片将传感器送来信息进行处理、识别，并将关键信息在LCD显示屏上显示出来；用户可通过按键控制和LCD显示查看实验室当前状态，可以进行手动布防和撤防操作，使用方便灵活。
    信息采集模块由各类传感器及信号处理电路组成，主要功能是采集实验室的环境信息和安全信息。传感信号经信号处理电路处理后送主控模块进行处理。
    报警模块由声光报警和GSM模块组成，在接收到危害实验室的信息时，按照预先设定的警情处理模式，开启相应的报警方式。

2 系统硬件电路设计
2．1 主控模块硬件电路设计
    主控模块主要由单片机最小系统、按键控制电路和LCD显示电路组成。
    单片机采用菲利普公司的LPC2138，这是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32／16位ARM7 TDMI-STMCPU的微控制器，带有512kB的嵌入的高速Flash存储器，128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。它对代码规模有严格控制的应用，使其可用16位的Thumb模式将代码规模降低超过30％，而性能损失却很小。
    按键控制和LCD显示硬件电路如图2所示。按键控制电路提供了4个独立按键，每个按键都具有复合功能。用户可通过4个按键和LCD显示屏方便地查看安防系统当前状态和历史警情信息，可以选择合适的安防模式，而且还可以通过按键实现实验室的布防和撤防。

2．2 信息采集模块硬件电路设计
    该模块硬件电路主要由各类传感器和信号处理电路组成，可大体分为两部分。一部分采集实验室环境信息，包括温度传感器和湿度传感器。而剩余的传感器则采集实验室安全信息，如盗警和火警。
    温度和湿度的采集采用集成化的传感器，无需处理电路，可以直接读取实时的温度、湿度信息。
    烟雾传感器是用来探测室内气体中的烟雾的，在系统中，用于火灾报警。烟雾传感信号处理电路原理图如图3所示。烟雾传感器一般安装于房间的天花板上，采用散射式光感烟器件做烟雾传感器CA3302B。J1的1、4引脚连接传感器的内部光源，2、3引脚连接传感器的光敏元件。正常状态下J1的2引脚为高电平，也就是IC2A的2脚是高电平，由于IC1A的1脚是高电平，所以输出低电平，然后经IC2B反向输出高电平；当烟雾进入传感器的暗室时，光线散射照在光敏元件上，其电阻率降低，IC2A的第2引脚变成低电平，其输出高电平，经IC2B反向，最后输出低电平。单片机可以通过检测IC2B的输出判断是否有烟雾报警即火灾报警。

    热释电红外传感器是检测实验室中是否有人员活动的，即属于防盗报警。文中应用Hamamatsu Corp公司的产品P228。信号处理电路原理图如图4所示。P2288的1脚为电源引脚接+5V电源，2脚为输出引脚，3脚接地，有效探测范围在7m左右。在正常状态下，若没有人员的活动，P2288的2脚没有输出，处理电路的输出端口保持低电平；若在其探测范围内有人员的活动，则P2288的输出引脚就输出一个微弱的电流，经R1转化成电压值加在一个单管共射放大电路的输入端，经放大后送至LM324组成的比较器，产生一个高电平输出。
    当有人打破玻璃时，玻璃破碎传感器受到机械振动，会给出一个信号，这信号经放大、处理后可用于报警。此传感器可与门磁、窗磁一起作为盗警的参考报警信号。
2．3 报警模块硬件电路设计
    声光报警采用带警灯的报警器，由单片机控制的继电器控制报警器的工作电源。
GSM通信模块采用TC35。TC35是Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块，可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务和传真。模块的工作电压为3．3～5．5V，可以工作在900MHz和1800MHz两个频段，所在频段功耗分别为2W(900M)和1W(1800M)。模块有AT命令集接口，支持PDU模式的短消息。TC35和LPC2138之间通过UART连接。

3 系统软件设计
    系统软件设计时，采用模块化设计，程序流程图如图5所示。根据系统不同的功能模块，设计相应的子程序。具体讲可分为主程序和GS-MS通信、按键控制、LCD显示三个子程序组成。

    主程序包括设备的初始化、数据的采集、信息处理和相关子程序的调用。数据采集时，将红外和烟雾传感器的信号设为外部中断，火警中断优先级高于盗警中断。而对于玻璃破碎传感器、门磁和窗磁、温度和湿度传感器的信号进行轮询检测、采集。信息处理对采集到的信息进行处理，识别报警信息，按照安防状态选择合适的报警模式，并将当前实验室安全状态送LCD显示。
    火警和盗警的处理除了启动声光报警外，还需通过GSM通信模块发出短消息通知实验室管理和维护人员。系统采用的TC35通信模块，支持PDU消息模式。根据系统的通信协议信息的发送是以发送数据帧为主要方式，一个完整的数据帧包括起始标志单元、命令单元、CRC校验单元、结束标志单元等四部分。采用PDU模式时，一个数据帧能够包含140个字节(70个汉字)的数据量，中文字符按照UNICODE进行编码。发送数据时其格式为：服务中心地址／PDU类型／接收主地址／协议识别码／数据译码方案／有效周期／用户数据长度／用户数据；接收数据时其格式为：服务中心地址／PDU类型发信方地址／协议识别码／数据译码方案／服务中心收到消息的时间／用户数据长度／用户数据。在软件设计时根据PDU数据格式编写相应的AT命令，即可实现短信息的收发。
    按键控制子程序设为中断服务子程序，按键中断的优先级低于火警、盗警的优先级。它可以实现查询和设置两大功能。查询主要查询系统当前信息和历史告警信息：设置功能除了进行实验室的布防和撤防外，还可设置不同的防范状态。依据学校工作的特点，可将安防模式设为学期模式和假期模式，在这两种模式下安防等级相同，不同的是报警的方式。学期模式下警情信息主要交由实验室管理员处理；而在学校寒暑假期间，则采用假期模式，警情信息由学校安保处值班人员处理。

4 结束语
    本系统利用GSM无线网络实现对分散实验室的集中监控及管理，能实时监控实验室的运转状态，及时发现警情以便于快速排除，对实验室进行维护，实现了高校实验室集成化、智能化、网络化监控，节约人力资源，提高了高校实验室安全运转的可靠性，使实验室平稳发挥自身职能。