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高校学生公寓智能安防测控系统研究与设计 摘要 本文针对高校这个特殊的应用环境，研究智能安防系统的应用及设计，实 现高校校园安全防范“人防 到“技防”的转变，为营造安全和谐的校园环境 提供了有力保障。 本文分析了目前高校的构成特点，以及学生公寓管理所面临的问题，设计 了一种基于单片机系统的学生公寓智能安全防范报警系统，这是智能建筑技术 在高校的一个创新应用。本智能化报警系统集防盗、防火、节能以及日常显示 于一体，除了提供时间与温度的显示和自动警情的检测与报警之外，提出了寝 室节能控制的方法，具有一定的创新意义。本系统还配置了备用电源以及具有 断电自诊断功能，增强了系统的安全性和稳定性。 该安防系统不仅能可靠的实现安防报警，还可通过软件协调，实现资源的 分时共用，大大节省了硬件资源。经过大量相关实验和软硬件验证，结果表明 系统能够稳定的工作，达到设计目标的要求，具备一定的实用性，对后续研究 开发有一定的参考意义。 关键词：学生公寓，安防系统，节能控制，单片机控制 一4 一 r e s e a r c ha n dd e s i g no nt h ei n t e l l i g e n ts a f e t yc o n t r o l s y s t e mf o r t h eu n i v e r s i t ys t u d e n t s a p a r t m e n t s a b s t r a c t i n t h i sp a p e r , t h ea u t h o re x p l o r e st h ea p p l i c a t i o na n dd e s i g nf o ri n t e l l i g e n t s a f e t yc o n t r o ls y s t e mi nt h es p e c i a la p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n to fu n i v e r s i t y , s oa st o a c h i e v et h ec h a n g ef r o m ”a i rd e f e n s e ”t o ”t e c h n i c a ld e f e n s e s ”a n dp r o v i d eas t r o n g g u a r a n t e ef o ras a f ea n dh a r m o n i o u sc a m p u s t h i sp a p e ra n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m p o s i t i o no fu n i v e r s i t i e sa t p r e s e n t ，a n dt h ep r o b l e m s f a c e db yt h em a n a g e m e n to fs t u d e n t s a p a r t m e n t s ， d e s i g n sai n t e l l i g e n ts a f e t ya l a r ms y s t e mb a s e d o ns i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r s v s t e r nf o rs t u d e n t s a p a r t m e n t s ，w h i c hi sa ni n n o v a t i v ea p p l i c a t i o ni nu n i v e r s i t yf o r t h ei n t e l l i g e n tb u i l d i n gt e c h n o l o g y t h i ss y s t e mi n t e g r a t e s t h ef u n c t i o no f t h e f t p r o o f , f i r e p r o o f , e n e r g ys a v i n ga n dd a i l yd i s p l a y ，b e s i d e sd i s p l a y i n gt h e t i m e a n dt e m p e r a t u r e ，p e r f o r m i n ga u t o m a t i cd e t e c t i o na n da u t o m a t i ca l a r m ，i ta l s op u t s f o r w a r dt h ea p p r o a c ho fa p a r t m e n te n e r g y s a v i n gc o n t r 0 1 i th a ss o m ei n n o v a t i o n s i g n i f i c a n c e n o to n l yc a nt h es a f e t ys y s t e ma c h i e v er e l i a b l es a f e t ya l a r m ，b u ta l s o c a n r e a l i z et h eu s eo fr e s o u r s e sa td i f f e r e n tt i m et h r o u g ht h ec o o r d i n a t i o no fs o f t w a r e ，i t c a ns a v em u c hm o r eh a r d w a r er e s o u r s e s a f t e ral o to f r e l a t e de x p e r i m e n t s ， h a r d w a r ea n ds o f t w a r ev e r i f i c a t i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a nw o r k s t a b l y ，m e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g ng o a l s ，h a v eac e r t a i np r a c t i c a l i t ya n da c e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o rt h ef o l l o w - u pr e s e a r c h k e y w o r d s ：s t u d e n ta p a r t m e n t ，s a f e t ys y s t e m ， e n e r g y 。s a v i n gc o n t r o l ， m c uc o n t r o l 一5 一 插图清单 图2 1 网络监控系统原理7 图2 2 系统原理框图7 图2 。3 网络通信模块结构8 图2 4 数据采集模块原理9 图2 5 报警接受模块原理图9 图3 1 架构比较1 2 图3 2 利用编码器扩展键盘原理1 5 图3 3 液晶显示模块接口1 5 图3 4d s l 8 8 2 0 温度传感器接口图1 6 图3 5 温度探测器原理图1 7 图3 6 光电式感烟探测器工作原理图1 9 图3 7 光电式感烟探测器电路原路图2 0 图3 8 光电感应电路2 2 图3 9 水表采集数据电路图2 3 图3 1 0 热释电红外传感器的结构示意图2 6 图3 1 1 热释电红外探测器原理框图2 7 图3 1 2 红外探测器电路原理图2 9 图3 1 3 系统5 v 电源电路3 0 图4 1 主程序流程图3 2 图4 2 中断子程序流程图3 3 图4 4 密码子程序流程图3 7 图4 5 节电程序流程图3 7 图5 i d s l 8 8 2 0 数字温度计读数与恒温源误差典型性能曲线4 1 9 _ 表格清单 表3 1p i c l 6 f 8 7 x ( a ) 系列功能配表1 3 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金毽王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：1 惑棠签字日期：舢年月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金墅王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权垒 目垦王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 怒老 签字日期：如拿年f 月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签锢期：滞月尸日 电话： 邮编： 第一章概述 在微电子、计算机和通信技术的基础上，数字图像压缩、光纤通信、宽带 综合业务数字网及多媒体技术等迅速发展起来，信息化浪潮席卷全球，主要表 现为：信息技术智能化、信息网络全球化、国民经济信息化三大特点。信息技 术如此迅速地发展，必然要找寻新的增长点，开创应用市场。而智能建筑正好 适应了这种需求，它是信息技术向传统产业转移的一个结合点。 1 1 国内外智能建筑研究现状 世界上第一座智能大厦诞生于1 9 8 4 年美国康州的h a r t f o r d 市，由于在大 厦的出租率、投资回收率、经济效益和社会效益等方面的巨大成功，引起了各 国的重视和效仿，智能建筑在世界范围内得到了迅猛的发展。据有关方面的统 计，目前美国的智能建筑占新建建筑的7 0 ，日本新建的建筑物中6 0 以上是智 能型的。英国、法国、加拿大、瑞典、泰国等国家也都相继建成一批有自己特 色的智能建筑。 我国智能建筑开始兴建于2 0 世纪9 0 年代初，至2 0 0 1 年底，已建成智能建 筑2 3 0 0 幢，皆按国际标准设计、施工与管理。如深圳图书馆和艺术中心，总投 资约1 6 亿元，智能系统占1 亿元左右；又如北京的京广中心、中华大厦及上海 的上海博物馆、金茂大厦等都是智能建筑。 智能建筑在一般意义上被理解为3 a 或5 a 大厦。5 a 是指： ( 1 ) 通信网络自动化系统( c o m m u n i c a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，c a s ) ( 2 ) 办公自动化系统( o f f i c ea u t o m a t i o ns y s t e m ，o a s ) ( 3 ) 建筑设备自动化系统( b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ，b a s ) ( 4 ) 安全防范系统( s a f e t ya u t o m a t i o ns y s t e m ，s a s ) ( 5 ) 消防自动化系统( f i r ea u t o m a t i o ns y s t e m ，f a s ) 有时，人们把消防自动化系统、安全防范系统归为建筑设备自动化系统， 这样，则可把智能建筑分为三个系统，即所谓的3 a 系统。在我国智能建筑 设计标准( g b t5 0 3 1 4 - - 2 0 0 0 ) 中，智能建筑被定义为以建筑为平台，兼备 建筑设备、办公自动化及通信网络系统，集结构、系统、服务、管理及它们 之间的最优化组合，向人们提供一个安全、高效、舒适、便利的建筑环境晗1 。 智能建筑发展的2 0 多年历史归结为四个阶段，即：1 ) 单功能阶段( 1 9 8 0 ，- - 1 9 8 5 年) ：以闭路电视监控、停车场收费、消防监控和空调设备监控等子系 统为代表；2 ) 多功能系统阶段( 1 9 8 6 - 1 9 9 0 年) ：如综合保安系统、楼宇自 控系统、火灾报警系统和有线通信系统等；3 ) 集成系统阶段( 1 9 9 0 1 9 9 5 年) ：主要包括楼宇管理系统、办公自动化系统和通信网络系统；4 ) 智能管 理阶段( 1 9 9 5 至今) ：以计算机网络为核心，实现系统化、集成化与智能化 管理。智能建筑发展到今天，智能化各子系统不再是各自独立的系统，其中 有三点是非常重要的：一是要具有5 a 系统的硬件部分，这是必不可少的基础； 二是要具有把5 a 系统连接在一起的网络，即系统集成的综合布线；三是要对 集成所有系统的信息进行优化管理，即实现自动监视、自动检测、自动报警、 自动控制、自动协调管理。 美国最近发布的2 1 世纪的技术：计算机、信息和通信白皮书，为2 1 世 纪新技术在智能建筑中的应用与发展指出了方向。研究报告指出：“随着高新科 技的不断发展，未来信息技术的应用将肯定建立在网络之上，并且具有良好的 人机交互能力和多维信息处理能力。在应用上，必须密切结合应用和需求，强 调综合集成；在技术上，发展的重点将是虚拟技术、协作技术、可视化技术。一 【3 】 专家预测，发达国家将在1 0 - 1 5 年内普及智能建筑，我国也将在1 5 2 0 年内普及。根据我国目前的国情国力，这一目标的实现，除新建一部分智能建 筑以外，主要还得靠对旧有建筑实行智能化改造。我国智能建筑总投资额每年 将超过1 0 0 亿元，智能建筑业及其相关的自动控制软件产业将成为推动国民经 济增长的主要产业。而智能建筑业及其相关的自动控制软件产业的发展为实现 高校学生公寓的智能安防测控系统提供了可靠而有效的技术支持。即：从技术 上分析，实现一个集多种功能于一体的智能系统是可行的且比较容易实现的。 1 2 目前高校校园建筑物的特点 我国是世界上人口最多的国家，人均占有的高等教育资源相对匮乏。“十五 期间，我国高等教育逐步完成了由精英化向大众化的转变，目前不论是公立普 通高校还是民办普通高校，招生规模均在不断上升，高校校园中聚集的人员数 量较此之前有了大幅度的攀升，大多数学校的在校生规模均超过万人，有的民 办学校学生数甚至高达十万人。与此相适应，高校校园中的各类建筑物数量也 不断增加。 这就使高校校园构成形成了新的特点h 1 ： 建筑组成多样化：高校校园的建筑必须满足大学教育所承担的各项功能， 其组成除了必要的教学设施，如图书馆、教室、实验室和学生宿舍之外，还包 括了食堂、商场、住宅和其他各类具有特定服务功能的建筑物，使当今的大学 校园形成了功能完备且又具备自身特点的生活小区。近些年，各个学校为了适 应招生规模增加的需要，纷纷开辟和建设新校区，使得高校校园的构成又形成 了跨区域的新特点。 人员构成日趋复杂：高校校园人员构成以学生和教师为主，他们的数量 占到学校人员数量的绝大部分。但是为了完善校园的各种功能，其他人员也渐 渐成为学校人员构成的重要成分。诸如各类服务机构的员工、教师的亲属、学 生的家长、校园的建设者以及其他身份难以确认的流动人口等，使得校园的人 员构成日趋复杂。 2 新旧建筑同时存在：普遍高校拥有多年的校史，大部分建筑，包括部分 学生宿舍都有多年的历史，从建筑材料，到建筑结构都有安全隐患。新的教学 楼、学生公寓、电梯公寓拔地而起，新旧建筑同时存在，给学校的管理增加了 新的课题。 公寓电器多样化，大功率化：学生公寓通常住有2 8 人不等，为了提 高学生的生活水平，寝室里增加了大量大功率电器如空调、饮水机、电脑、电 热水器等，存在用电器的安置和使用时间相对集中的特点，加上学生为了节省 电费私拉乱接，存在很多安全隐患。 伴随着这些变化的产生，人们在大学校园中的工作、生活与通信、信息的 关系也日益紧密，使得学校校园成为既隶属于社会大环境又有别于其他人群居 住场所的独特的小区。 对于高校校园这一特定的小区环境，特别是学生相对集中的学生公寓，必 须利用有效的科技手段和管理方法对其进行稳定的、长期的实时监控，保证高 校校园的安全，积极寻求改变学校的安全防范的手段和途径，使校园的安全防 范模式不断向信息化、综合化、网络化和主动化方向发展，才能适应日益发展 的社会要求。 1 3 学生公寓安防现状 高校后勤社会化是社会主义市场经济发展的必然趋势，是我国高等教育跨 越性发展的前提，是科教兴国战略的客观需要。而在高校的各项后勤工作中， 学生公寓的管理和服务是后勤工作不可或缺的重要组成部分，因此必然成为改 革中的重要内容。1 9 9 9 年1 1 月在上海召开第一次高校后勤社会化工作会议后， 高校后勤社会化被正式提上了议事日程，学生公寓建设取得了飞速发展。据不 完全统计，从1 9 9 9 年至2 0 0 2 年底，4 年内全国新建大学生公寓3 8 0 0 多万平方 米，改造1 0 0 0 万平方米哺1 。全国四年新建的学生公寓超过1 9 9 9 年前5 0 年建设 的总量，大大改善了学生公寓的住宿条件，同时也给公寓管理工作一个广阔的 空间和新的发展机遇。国家教育部从1 9 9 9 年至2 0 0 2 年共召开了四次全国性的 高校后勤工作会议。并于2 0 0 2 年2 月2 2 日以教发( 2 0 0 2 ) 6 号文下发教育部 关于进一步加强高等学校学生公寓管理的若干意见；2 0 0 2 年8 月2 6 日以教 社政( 2 0 0 2 ) 9 号文下发了教育部关于加强高等学校学生公寓安全管理的若 干意见。这些都体现了高校学生公寓建设和管理的重要性。但由于高校校园环 境的特点，也造成了学生公寓管理中的一些问题： 人员安全问题。高校校园的人员鱼龙混杂，很难避免学生公寓的清净， 虽然各个高校采取了一些门禁制度，但学生在公寓被骗事件，更严重的侵害学 生身体、权利的治安案件，以及涉及师生人身安全的各类灾害事故，如火灾或 实验物品爆炸案件等的发生屡见不鲜。 财产安全问题。随着我国居民生活水平的提高，大学生拥有电脑、手机 3 等贵重物品的数量也有很大程度的增长。加之近年来教职工生活条件大为改 善，个人财产快速增加，学生公寓逐渐成为侵财案件的重要目标，所以学生公 寓财产安全同样车成为安全管理的重要内容。 能源浪费问题。当代大学生多为独生子女的一代，由于生活的富裕、家 长的溺爱，多数学生仍然缺乏节约意识和环保意识。造成学生寝室长期出现“长 明灯 、“长流水”的现象，在能源日趋短缺的今天，是对能源的巨大浪费。 针对以上问题，各高校也积极采取了一些措施，如： l 、选派一些高素质的公寓管理人员上岗，并建立各项提高他们管理积极性 的劳资管理制度和激励机制。 2 、建立各项定期、不定期检查制度，对公寓、“长明灯 、“长流水”现象 全面进行检查督促，通过各项检查结果的公布、讲评、表彰，促使同学们自我 管理、自我教育。 3 、广泛开展公寓“三进 工作，让学生辅导员住进学生公寓，让思想政治 工作进公寓，让党团组织教育工作进宿舍，加强对学生在公寓里的各项管理。 4 、建立门禁制度。在公寓公共区，如：走廊设立监视器。 但以上安防措施基本上都以“人防 为主，防范是局部的，如何使学生公 寓的安防工作从“人防 走向“技防”，建立一套低成本的、系统的、智能化的 测控系统是学生公寓管理发展的方向阳1 ，也是必须尽快解决的问题。 1 4 论文研究的主要内容及意义 文章章节组织如下：第一章是绪论，介绍和阐述了国内外智能建筑研究的 现状，我国高校校园的构成特点以及学生公寓安防测控技术的现状、问题，提 出了论文研究的主题内容及意义。第二章阐述了学生安防测控系统设计原则 和设计要求，根据要求选择合适的电路系统方案并完成软件方案设计，最后根 据方案给出了系统的总体框架。第三章是电路系统设计，根据系统的设计要求 和总体框架，按照模块化的设计方法分别设计了主控模块、键盘显示模块、火 灾探测模块、节能模块、防盗模块，完成了电路系统的设计。第四章是系统软 件设计，完成了中断处理子程序、温度测量、密码设定子程序、节能模块子程 序的设计。第五章是对组成的学生公寓安防测控系统的硬件电路进行调试实验 和整体运行调试，找出研究中存在的问题和尚未完成的工作，对下一步的研究 方向提出了意见和建议。 本课题具有重要的实践探索意义：一方面针对高校校园的综合安防系统的 设计研究目前在国内尚不普遍，系统性的描述和论证高校校园安全防范系统的 设计理论和设计方法也不多见。并且，本系统所设计的适合于公寓寝室应用的 节能模块，能较好的解决寝室“长明灯 、“长流水 的问题，是智能安防系统 在学生公寓的一个创新应用。另一方面住宅智能安全防范系统是我国未来智能 住宅建筑的重点发展方向，而智能防盗、防火报警系统又是当前智能报警领域 的技术热点，虽然这方面的资料比较多，但是只是单纯含防盗或防火功能，并 且这些报警器的误报率比较高，即使有部分产品的性能较好，但是价格又比较 昂贵，并且受距离和容量的限制。因此，针对高校的智能化公寓安防系统的研 究很有必要，并且应当有所创新和突破。开发一套功能和结构合理、包含多种 技术和功能的具有针对性和高性价比的新型报警系统具有重要的现实意义。 5 第二章学生公寓智能安防测控系统设计 2 1 智能安防测控系统功能及设计原则 2 1 1 智能安防测控系统功能 智能化住宅小区的系统设计要以人为本，应能满足不同年龄、不同文化层 次的实际要求，以实用、安全、经济、舒适为原则。面对一个完整的智能住宅 的安全防范系统不但要能对各种报警信号进行及时的采集，还要能对采集到的 信号进行实时的分析和处理，而且还要具有报警功能。为此，根据智能住宅安 全防范系统的具体要求，学生公寓智能安防测控系统主要完成一下功能： 各探测器能对所发生的警情进行实时、准确的探测； 可进行判断处理，自动报警； 有密码验证和修改功能； 节能模块能判断并关闭电源和自来水阀门： 无警情时作为时间和温度的显示； 能与上位机实现实时通信。 2 1 2 智能安防测控系统的设计原则 根据学校的现场实际情况，对安防系统进行全面规划，总体设计要以高新 技术为主，本着“力求保证系统先进、实用、安全、可靠、经济、易扩展、易 维护和高性价比的设计原则。 先进性：充分考虑电子信息技术的突飞猛进发展趋势，采用国内外成熟的 技术，起点要高，在技术上具有一定的超前性，保证智能网络监控系统成为先 进的网络化，智能化程度高；防范严密的综合安全防范系统。 实用性：以实用为主，在工程设计和实现的过程中，始终要把使用单位的 实际需求放在首位，做到灵活、好用。充分分析防范需求及学校环境情况，采 用优质设备，满足安防要求，保证操作方便耐久实用。 扩展性：系统可集中管理、监控，分散控制，总体结构具有较强兼容性和 可扩展性，既便于系统的充实、完善、改进和提高，又便于设备的更新、换代。 经济性：系统优化设计，子系统具有标准化、模块化，在实现先进性和保 证可靠性的前提下，达到较优的性能价格比。 基于以上考虑，我们设计了基于单片机控制的学生公寓安防测控系统，所 设计的系统可以做为监控终端应用到校园网络监控系统中去。图2 1 是校园网 络监控系统的原理图，前端设备主要负责对异常情况的监控、报警并将信息通 过校园网传到监控中心。同时由于具备控制和良好的通讯能力，也可以单独使 用，对某栋楼或者作业单元进行监控。 6 戮：蜒：堕：熏】遂髓匿垂匿二蓟 ：； 金数字化网络监控系统j- - -i 拿徽字化网络监控系琏 。二i z 。，。一，。芷。一。 ，鳓p 翰终 ， j ? i ， 气f 丽缮嘲嘲哩骥夔阐遁霪堕壅陋函 图2 1 网络监控系统原理 2 2 系统总体设计 本系统作为一个完整的学生公寓智能化系统，应该包括水电表数据采集模 块、报警接收模块、键盘显示模块、外设控制模块、网络通信模块、以及上位 机系统和数据库的建立。鉴于这是一个复杂庞大的系统工程，考虑到实验经费 以及作者精力有限，本项目作为一个实验性方案，主要工作针对下位机的报警 控制设计，而水电表数据采集，系统通信以及上位机的设计，有待于进一步的 开发研究，在此仅作为完整系统的理论总体方案构建的讨论。本系统已预留扩 展空间，作为后续开发完善之用。 系统的工作流程大致如下：主控模块通过对数据采集模块采集到的温度及 水、电表数据，以及报警模块的报警信息，按照预先设定的程序处理和保存， 然后发送给网络通信模块。终端处理机通过接收的信息保存和处理数据，可以 远程控制系统的工作，也可以通知管理员采取必要的措施。考虑到该系统的实 际应用环境，和实现节能低功耗的目的，本文所介绍的系统在充分考虑了实际 情况和系统的性价比之后，确定采用m i c r o c h i p 公司的8 位微处理器 p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机作为系统的中央处理器，将电子探测、智能控制和通信技术 相结合，形成一个两级联网通信的防盗、防火报警系统。系统总体架构简图如 图2 2 所示。 图2 2 系统原理框图 2 3 系统各模块的主要功能及器件选择 按照要求，将整个系统相应地分成5 大功能模块，其系统原理框图如图2 2 所示，各模块的主要功能如下 正常显示模块：该模块是整个系统空闲时的主要工作模块。通过d s l 3 0 2 时钟芯片为整个系统系统时间基准，扩展1 2 8 6 4 液晶显示模块用于显示时间、 温度等参数。为了节约系统资源，键盘采用编码器的方式扩展，可以通过键盘 设定时间、报警门限等参数。温度数据数字温度传感器d s l 8 8 2 0 测得并由单片 机控液晶屏进行显示。 网络通信模块：基于单片机的t c p i p 协议通信，由单片机和网络接口 芯片共同实现嵌入式t c p i p 协议，如图2 2 所示。采用的网络接口模块是 r e l t e k 公司的r t l 8 0 1 9 a s 全双上网络控制器，它可实现嵌入式t c p i p 协议中 m a c 层的功能，单片机则实现嵌入式t c p i p 协议中的其它协议层的功能，从而 共同实现嵌入式t c p i p 协议。它自带1 6 k b 的s r a m ，并通过r j 4 5 接口实现与 网络通信。系统上电初始化后，该模块工作于服务模式，时刻侦听来自远程计 算机通信程序的请求，并依据远程客户的要求通过主控模块查询或发送控制指 令并获得相关返回信息。 i 传感器 = 令 单 蠼片 i 控制元件卜警 机 刮r t l 8 0 1 9 图2 3 网络通信模块结构 由于学校可以使用自身的局域网实现网络通信而不产生通信费用，所以基 于单片机的t c p i p 协议通信模式可作为本系统远程控制通信的首选方案。而通 过电话线实现的通信模式，必须具备独立的电话号码，在现在手机普遍普及的 情况下，不少寝室没有开通电话座机服务，所以，在实现上有一定的困难。在 本系统中不建议使用此种通信方式。 数据采集模块：要求数据采集模块能完成对水表、电表、实现远距离抄 收和自动化管理。通过对各表的电脉冲信号进行采集、存储，并通过网络与管 理中心连接。另外，通过对电表功率的采集，可作为报警模块功率超限的输入。 其原理框图如图2 4 所示 图2 4 数据采集模块原理 报警接收模块：通过传感器等相应硬件的设计，以及对主控模块单片机 的编程使报警接收模块完成安全防范的任务，原理框图如图2 5 。安全防范主 要包括用电功率超限管理、火灾报警、防盗报警、紧急求助等。 节能模块：节能模块包括节水模式和节电模式。节电模式与防盗模块通 过分时共用红外探头进行对寝室有无人的状态进行采集；节水模块是由传统水 表通过红外对管的改造实现用水数据的采集的。通过单片机的判断实现节能控 制。 j 红外探头 接 单 口 肯 一一。 电 烟雾探测器、r c l 发送电路 k ： 机路 1 一一 求助按键 图2 5 报警接受模块原理图 2 4 系统软硬件功能介绍 在完成了系统的功能需求设计和硬件架构设计以后，接下来就要用软件和 硬件来实现系统各个模块的功能。为了使系统的结构、性能、体积以及成本达 到最优化的组合，必须对完成各功能的软件和硬件作出不同的分工，具体如下： 探测器、键盘密码、报警、控制和电源部分必须使用具体的硬件电路来实 现；连接总控制终端和各分系统之间的通信部分也只能用硬件电路来实现。在 下位机系统中，各传感器所采集到的信号的综合判断以及控制元件执行何种操 作可用软件来实现，因为软件实现比较简单，只需要很短的十几条语句即可。 比如在本系统中，多次用到了元件的复用，这样节省了硬件资源，但是系统何 时，如何分时共用这些器件，就要靠软件来识别、控制。计数、计时、密码校 9 验、在线修改密码、输入信息分析处理等功能模块使用软件编程方式要比硬件 电路简单的多，还可减小系统的体积，降低成本，实现也很容易。所以合理、 充分的协调好系统的软硬件分工，是提高系统执行效率、节省硬件资源、提高 系统性能的关键之处。 综上所述，探测器、电源、通信接口、报警控制等功能模块用硬件电路实 现：而脉冲计数、软件延时、时钟程序、密码校验与在线修改、输入信息的分 析处理以及控制等功能模块使用软件编程完成。我们将在第三章和第四章对系 统硬件和软件部分的设计作详细地介绍。 2 5 本章小结 本章主要介绍了系统的总体结构架构，在理论上提出了完整的智能化学生 公寓安防系统所需的功能模块，以及所要实现的功能。对系统的工作原理和各 子功能模块的结构作了介绍。通过分析所需实现的功能，对系统的硬件构造进 行了优化组合，完成了软硬件的分上，以节省硬件资源、提高系统的执行效率 和性能。 1 0 第三章学生公寓智能安防测控系统电路设计 3 1 微控制器的选择及功能介绍 3 1 1p i c 单片机的特点 p i c 是美国m i c r o c h i p 公司所生产的单片机系列产品型号的前缀。p i c 系列 单片机的硬件系统设计简洁，指令系统设计精练。在所有的单片机品种当中， 它是最容易学习、最容易应用的单片机品种之一。p i c 系列单片机代表着单片 机发展的新动向。以下分几个方面介绍它的特点：c 7 1 哈佛总线结构 p i c 系列单片机在架构上采用了与众不同的设计手法，它既不像m o t o r o l a 公司开发生产的m c 6 8 h c 0 5 0 8 系列单片机那样，其程序存储器和数据存储器统 一编址( 也就是两种存储器位于同一个逻辑空间里，这种架构的微控制器、微处 理器、数字信号处理器或者微型计算机系统，称为普林斯顿体系结构) ，也不像 早期在国内市场上最流行的单片机产品i n t e l 公司开发生产的m c s - 5 i 系列单片 机那样，其程序存储器和数据存储器虽然独立编址( 也就是两种存储器位于不同 的逻辑空间里，这种架构的微控制器、微处理器、数字信号处理器或者微型计 算机系统，称为哈佛体系结构) ，但是它们与c p u 之间传递信息必须共用同一条 总线，而仍然摆脱不了瓶颈效应的制约，于是影响到c p u 运行速度的进一步提 高。 p i c 系列单片机不仅采用了哈佛体系结构，而且还采用了哈佛总线结构。 在p i c 系列单片机中采用的这种哈佛总线结构，就是在芯片内部将数据总线和 指令总线分离，并且采用不同的宽度，如图3 1 ( a ) 所示。这样做的好处是，便 于实现指令提取的“流水作业 ，也就是在执行一条指令的同时对下一条指令进 行取指操作；便于实现全部指令的单字节化、单周期化，从而有利于提高c p u 执行指令的速度。在一般的单片机中，指令总线和数据总线是共用的( 即时分复 用) ，如图3 1 ( b ) 所示。 指令单字节化 因为数据总线和指令总线是分离的，并且采用了不同的宽度，所以程序存 储器r o m 和数据存储器r a m 的寻址空间( 即地址编码空间) 是相互独立的，而且 两种存储器宽度也不同。这样设计不仅可以确保数据的安全性，还能提高运行 速度和实现全部指令的单字节化。在此所说的字节，特指p i c 单片机的指令字 节，而不是常说的8 位字节。例如p i c l 2 c 5 0 x p i c l 6 c 5 x 系列单片机的指令字节 为1 2 位；p i c l 6 c 6 x p i c l 6 c 7 x p i c l 6 c 8 x 系列的指令字节为1 4 位；p i c i t c x x 系列的指令字节为1 6 位。它们的数据存储器全为8 位宽。而m c s - 5 i 系列单片 机的r o m 和r a m 宽度都是8 位，指令长度从一个字节( 8 位) 到3 个字节长度不 ( a ) p i c 单片机内部结构( b ) 普通单片机内部结构 图3 1 架构比较 精简指令集( r i s c ) 技术 p i c 系列单片机的指令系统( 就是该单片机所能识别的全部指令的集合，叫 做指令系统或者指令集，i n s t r u c t i o ns e t 只有3 5 条指令。这给指令的学习、 记忆、理解带来很大的好处，也给程序的编写、阅读、调试、修改、交流都带 来极大的便利。而m c s 一5 1 单片机的指令系统共有1 1 1 条指令，m c 6 8 h c 0 5 单片 机的指令系统共有8 9 条指令。p i c 系列单片机不仅全部指令均为单字节指令， 而且绝大多数指令为单周期指令，以利于提高执行速度。 寻址方式简单 寻址方式就是寻找操作数的方法。p i c 系列单片机只有4 种寻址方式( 即寄存 器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址) ，容易掌握，而m c s - 5 1 单片机 则有7 种寻址方式。 代码压缩率高 i k b 的存储器空间，对于像m c s 一5 1 这样的单片机，大约只能存放6 0 0 条指 令，而对于p i c 系列单片机则能够存放的指令可达1 0 2 4 条。 运行速度高 由于采用了哈佛总线结构，以及指令的读取和执行采用了流水作业方式， 使得允许速度大大提高。 驱动能力强 i o 端口驱动负载的能力较强，每个i 0 引脚吸入和输出电流的最大值可 分别达到2 5 m a 和2 0 m a ，能够自接驱动发光二极管l e d 光电耦合器或者微型继 电器。 i 2c 和s p i 串行总线端口 利用单片机串行总线端口可以方便灵活地扩展一些必要的外围器件。串行 接口和串行总线的设置，不仅大大地简化了单片机应用系统的结构，而且还极 易形成产品电路的模块化结构。 另外，p i c 系列单片机还有低功耗、外接电路简洁、品种丰富、程序保密 性强等其他一些优点。表3 1 列出了p i c l 6 f 8 7 x ( a ) 系列的功能配置阳1 。 表3 1p i c l 6 f 8 7 x ( a ) 系列功能配置 型号 1 6 f 8 7 01 6 f 8 7 11 6 f 8 7 21 6 f 8 7 31 6 f 8 7 41 6 f 8 7 61 6 f 8 7 7 功磊 ( a ) ( a )( a )( a ) 、 工作频率 d c - 2 0d c - 2 0 d c - 2 0d c - 2 0 d c - 2 0 d c - 2 0d c - 2 0 f l a s h 程 2 k 1 42 k 1 42 k 1 44 kx1 44 k 1 48 k 1 48 k 1 4 序区b i t f l a s h 数 6 46 46 41 2 81 2 82 5 62 5 6 据区b r a m b 1 2 81 2 81 2 81 9 21 9 23 6 83 6 8 电压v 2 5 - 5 2 5 - 5 2 5 - 5 2 5 - 5 2 5 - 5 2 5 - 5 2 5 - 5 5555555 中断 1 31 31 31 31 31 3 1 3 i 0 2 22 22 22 22 22 22 2 定时器 333333 3 复位锁定 有有有有有有有 a d i o 位5 8 5 58 5 8 数 并行口 - _ - 无有无 有 c c pl1l2 2 2 2 3 1 2p i c l 6 f 8 7 7 a 硬件系统概况 p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机的指令字节为1 4 位，属于中级产品。它的片内还带有 2 5 6 字节的e e p r o m ( 也叫e 2 p r o m ) 数据存储器；另外，其程序存储器也与众不同， 是用f l a s h 上艺制作的，所以叫f l a s h 存储器( 又称快速擦写存储器或者闪速存 储器) 。这种存储器，可以实现在电路板上快速擦除和写入程序。另外它还含有 4 个8 位通用i o 端口，3 个定时器以及“看门狗”和1 4 个中断源。 借助于m i c r o c h i p 公司专为p i c l 6 f 8 7 x 系列单片机研制的经济型在线调试 器( m p l a b - i c d ) ，以方便地烧写和修改程序。 3 2 显示与键盘设计 单片机在日常不工作的时候，为了充分发挥单片机的功能，为用户提供更 多的便利，在无险情发生的时候，本系统作为普通的电子时钟，并且具有测量 显示室内温度的功能。 3 2 1 显示与键盘模块选型 现代数字式智能仪器中，人机对话配置是不可缺少的组成部分，一般来说， 人对仪器状态的干预和数据输入最常用的设备是键盘，而仪器输出运行状态及 运行结果最常用的是l e d l c d 显示器和数码管等。 单片机在开发过程中，常常会因为资源不足而不得不大量扩展接口芯片以 满足应用系统的需要，其中原因之一是人机界面中的键盘显示占用了系统太多 资源，从而造成系统庞大，同时降低了系统的可靠性。在单片机应用系统中， 键盘显示通常可采用以下几种方式： 采用并行接口的键盘显示专用芯片8 2 7 9 。但8 2 7 9 所需外围元件多( 显示 驱动、译码等) 、占用电路板面积大、综合成本高，在中小系统中常常大材小 用： 采用通用并行i o 芯片扩展( 如用8 1 5 5 等) ，但此方案同样需要驱动显 示，同时键盘显示扫描还需占用c p u 大量时间： 采用专用显示控制器，并用c p u 的i o 引脚完成键盘输入( 如 m c l 4 4 9 9 ，p s 7 2 1 9 ，m a x 7 2 1 9 ，i c m 7 2 1 8 ，t l c 5 9 2 1 等，大多是串行接口并有显示 驱动能力，i o 占用少) 。这种接口方式省去了显示的扫描，而且电路大多也很 简单，通常在系统需要的按键较少时比较适用： 采用带，2c 总线的键盘显示芯片( 如显示用s a a l 0 6 4 ，键盘用p c f 8 5 7 4 ) ， 不过这种方式对于无，2c 总线接口的c p u 来说，编程显得有些不便： 采用串行接口的键盘显示专用芯片，如b c 7 2 8 0 8 1 、d 7 2 7 9 ，c h 4 5 1 等。 这类芯片占用c p u 的资源少，传输速度较快，外围器件要求也较少，在中小系 统中都可得到广泛的应用。 3 2 2 键盘接口电路的设计 。 考虑到p i c 单片机中断源丰富的因素，本系统键盘采用编码器的方式进行 扩展。大大节省了系统的i o 资源，按键的响应通过中断方式获得系统服务。 图3 2 是利用编码器扩展键盘的电路原理。这样做的好处很明显，如果需要扩 展1 6 个按键，只需多出来一根数据线即可。 3 2 3l c d 显示模块选型及接口电路设计 1 4 l c m l 2 8 6 4 a f 为全屏幕点阵显示器件，通过编程可以显示任意字符图形，也 可以显示4 x 8 个( 16 x 1 6 点阵) 汉字。用户只需确定汉字和图形的全部点阵关系 ( 点阵的尺寸及每个像素点的亮灭) ，然后把描述点阵关系的字节( 字模) 送入显 示屏幕位置对应的r a m 单元，就可以在液晶上显示汉字和图形。 图3 2 利用编码器扩展键盘原理 图3 3 液晶显示模块接口 3 3 测温电路设计 测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段： 传统的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器、智能集成温度传感器。目前， 国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化方向 飞速发展伸。 我们选用d a l l a s 公司生产的一线式数字温度传感器d s l 8 8 2 0 作为温度探测 电路的传感器，具有3 引脚t 0 9 2 小体积封装形式，测温分辨率可达0 0 6 2 5 ， 其工作电源由5 v 自流电源自接供电。占用微处理器的端口较少，可节省大量的 引线和逻辑电路，d s l 8 8 2 0 具有以下特点： 独特的单线接口方式d s l 8 8 2 0 与微处理器连接时仅需要一个端口即可实 现微处理器与d s l 8 8 2 0 的双向通信： 在d s1 8 8 2 0 中的每个器件上都有独一无二的序列号。支持多点组网功能， 多个d s l 8 8 2 0 可以并联在惟一的三线上，实现多点测温： 实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温： 测量温度范围在- 5 5 到+ 1 2 5 之间； 数字温度计的分辨率用户可以编程为9 位1 2 位a d 转换精度： 内部有温度上、下限告警设置： 负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工 作。d s l 8 8 2 0 内部主要由4 部分组成：6 4 位r o m ，温度传感器、