学生公寓安防系统

摘要：提出了一种学生公寓安防系统的设计方法。整个系统用微机作总控台，每个公寓用单片机控制。用烟雾传感器，实现了防火报警；用人体热释电传感器，实现了防盗报警；用磁条及电磁感应线圈，实现了贵重物品检测报警：用单片机通信技术，实现了异地监控和多个公寓监控。试验数据表明，该系统实现了学生公寓防火防盗及报警功能，并能存储和显示相关信息，配合其它设计模块，可完成整个校园内部远程安防控制及数据库管理。本设计为新一代高科技学生公寓的构建奠定了基础。
关键词：安防系统；人体检测；烟雾检测；贵重物品检测

    学生公寓面临的安防问题引起高校的重视，尤其是失窃、失火是学校和家长最为关注的问题，为此设计了一个学生公寓安防系统。本系统以单片机作为控制核心，配合外围电路进行检测、显示和报警，达到了防盗防火的目的，避免了火灾和被盗事件的发生，保障了学生的人身安全和财产安全安。

1 设计方案
    图1所示为单片机控制系统原理方框图。

    每个公寓以单片机为控制核心，主要由烟雾检测模块、人体热释电检测模块、贵重物品检测模块、光电计数模块、异地检测模块、声光报警模块、显示模块、键盘模块和电源模块等组成。整个系统用微机进行控制和操作，各学生公寓用单片机进行控制，用键盘操作，用LCD显示相关信息。

2 系统硬件设计
2．1 人体检测电路
2．1．1 人体热释电检测原理及方法
    普通人体会发射10μm左右的特定波长红外线，用专门设计的传感器就可以针对性的检测这种红外线的存在与否。当人体红外线照射到传感器上后，因热释电效应将向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生控制信号。这种专门设计的探头只对波长为10μm左右的红外辐射敏感，所以除人体以外的其它物体不会引发探头动作。探头内包含两个互相串联或并联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，于是输出检测信号。
2．1．2 人体热释电检测电路原理图
    如图2所示，是人体检测电路原理图。

    当有人靠近一定距离时，LHI778的输出端S会产生一个较小的电压信号，将这个电压信号送入BISS0001信号处理电路，进行两级放大、窗口电压比较、双向鉴幅后，输出一个5V的电压信号，将此信号送入单片机，由单片机控制报警电路发出声光报警。
2．2 烟雾检测电路
    鉴于发生火灾时伴随产生的烟雾，在设计烟雾检测报警电路时，使用MQ-2烟雾传感器，设定烟雾浓度≥300 ppm时，发出报警信号，以使人们有所警备，及时采取措施，避免火灾发生。如图3所示，是烟雾检测电路原理图。

    图3中，MQ-2是烟雾传感器，当起火有烟雾时，烟雾传感器会输出一个电压信号。通过调节电位器的阻值，可以调节烟雾传感器输出电压的大小，从而调节烟雾报警浓度数值。本设计将输出电压调到1 V。当起火有烟雾时，发出声光报警信号。
2．3 贵重物品检测模块
    贵重物品检测模块功能是检测公寓内贵重物品的进出情况。应用电磁感应原理，在贵重物品上贴上磁条，采用固定安装检测支架，利用检测线圈探测贵重物品上的磁条，实现自动报警。贵重物品检测模块主要由发射电路、接收电路、信号处理电路和两个电感线圈组成。
2．3．1 理论分析及实现
    1)发射线圈内电流及其相关参数的计算
    选矩形线圈，其中I1为线圈内电流，N为线圈匝数，r为线圈线径，a、b分别为矩形线圈的边长，μ为磁导率，U为线圈的端电压，C为输出变压器副边电容。
    根据分段法计算圆截面导线制成的矩形线圈电感，计算一匝线圈的电感为

    2)发射线圈与接收线圈间磁场强度计算
    将发射线圈与接收线圈正对，分别置于通道两侧。建立的磁场空间分布为

    其中，S为接收线圈面积，可用高斯点面积分公式计算。设e为感应电压，则
   
    其中，a=-W／2，b=0，及a=0，b=W／2。两个差动线圈中的电压相减是接收到的信号。通过试验测试，接收线圈中的感应电压值在几十微伏至几毫伏之间。
2．3．2 贵重物品检测电路
    贵重物品检测模块信号处理电路，采用两级放大电路构成。第一级是小信号放大电路，采用自动校零型仪器放大器，放大增益为40dB。第二级采用TLC2460集成运放，放大增益为20dB。如图4所示，是自动校零型仪器放大器电路原理图。

    在图4中，IC1A是主放大器，IC1B是辅助放大器。IC1B配合IC1A完成自动校零功能。当开关S1打在1，开关S2打在1时，完成自动校零；当开关S1打在3，开关S2打在3时，完成小信号放大。其电压放大倍数为：Au=-R2／R1=-100倍(即40dB)，再由第二级放大，放大增益为20dB。

3 系统软件设计
    系统软件采用模块化设计，程序主要分为主控端程序与各监控端程序。主控端程序，主要实现对监测端传来的信息的处理和保存，并及时反馈到监控端，实现与下位机的通信。监控端程序，主要对各传感器监测到的信号进行分析，并及时传给主控端，实现与上位机的通信。
    随着科学技术的日益发展，测量控制系统除了提供相应的测量控制功能外，还必须有好的人性化的界面向导，因此设计了友好的人机交互界面，采用多级层次菜单的设计方法，实时进行各个学生公寓的动态监测，并及时的将各个公寓的信息进行存储，实现了可以方便查询监测情况。当监测到有异常情况时，发出声光报警，具有输入正确密码方可解除报警的功能，提供管理员权限修改密码。
    图5是主程序流程图。

4 试验数据
    表1是学生公寓安防系统试验数据，包括烟雾测试、人体测试、贵重物品进出测试的试验数据，以及异地监控和监控多个学生公寓的试验数据。调节烟雾浓度电位器可改变烟雾报警浓度，人体检测距离可根据需要设置，报警蜂鸣器的响度可根据需要选择和设置。