李合軍

（湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421005）

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，社會(huì)治安逐漸復(fù)雜，大眾對(duì)生活環(huán)境的安全要求也越來(lái)越高。因此，防止陌生人非法進(jìn)入、避免室內(nèi)燃?xì)庑孤┮约俺霈F(xiàn)火災(zāi)等成為大眾十分關(guān)注的安全防范問(wèn)題。目前，市場(chǎng)上部分防護(hù)系統(tǒng)是作為單獨(dú)單元出現(xiàn)的，僅有單一的報(bào)警功能。因此，該文設(shè)計(jì)了一種基于MSP430 微型單片機(jī)的智能防護(hù)報(bào)警系統(tǒng)，主要具備防止非法進(jìn)入、燃?xì)鈾z測(cè)以及火源監(jiān)控等功能。當(dāng)室內(nèi)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，通過(guò)傳感器感應(yīng)及時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，判定事故后立即進(jìn)行聲光報(bào)警和App 信息傳送。系統(tǒng)采用MSP430 微型單片機(jī)作為主控制器，報(bào)警模塊采用紅外系統(tǒng)，以GQQ7-5 傳感器為主，可以更靈敏地接收并發(fā)送信號(hào)，從而提高安保效率。

1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于MSP430 微型單片機(jī)的智能防護(hù)報(bào)警系統(tǒng)由防盜報(bào)警、遠(yuǎn)程控制組成，是一款功能多樣的安防系統(tǒng)。防盜報(bào)警由核心控制單元、傳感器構(gòu)成，GQQ7-5 負(fù)責(zé)感知門窗附近是否有異常活動(dòng)并識(shí)別氣體，將這些信息實(shí)時(shí)傳輸至單片機(jī)進(jìn)行數(shù)值分析，當(dāng)數(shù)值超出閾值時(shí)，單片機(jī)傳遞指令，利用無(wú)線傳輸技術(shù)快速報(bào)警[1]。遠(yuǎn)程控制使用GZP6887A 模塊，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入報(bào)警程序時(shí)，單片機(jī)向該模塊發(fā)送指令，該模塊將預(yù)設(shè)好的信息發(fā)送至用戶App 進(jìn)行報(bào)警。用戶也可以通過(guò)App 向該模塊發(fā)送信息，控制室內(nèi)電器開閉。該系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 技術(shù)支持

2.1 傳感器技術(shù)

傳感器包括轉(zhuǎn)換元件、敏感元件，是一種可以感受信號(hào)的檢測(cè)裝置，能夠?qū)⒏惺艿降男畔⑥D(zhuǎn)化為可被接收并保存的相關(guān)信號(hào)[2]。因此，傳感器具有極為重要的作用。綜合考慮各方因素，該系統(tǒng)所選擇的傳感器具有紅外傳感、磁電傳感功能。

2.2 無(wú)線傳輸技術(shù)

無(wú)線傳輸通過(guò)電磁波進(jìn)行信號(hào)傳輸，傳輸形式為由信號(hào)源數(shù)據(jù)通過(guò)電路發(fā)射進(jìn)行編碼并傳輸出去，再通過(guò)傳輸介質(zhì)抵達(dá)接收電路，隨后對(duì)接收到的數(shù)據(jù)編碼后傳輸給用戶。在無(wú)線傳輸?shù)倪^(guò)程中，要確保頻率與其他頻率之間有差異，從而避免產(chǎn)生干擾[3]。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控制器

單片機(jī)既是接收智能防護(hù)報(bào)警系統(tǒng)傳感器信息的核心部位，也是將所收集到的信息與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較評(píng)判是否發(fā)出報(bào)警信息的判斷模塊[4]。為了保證系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率、效果，選擇單片機(jī)時(shí)應(yīng)強(qiáng)化對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)算速度的關(guān)注，確保能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，并在快速反應(yīng)后進(jìn)行報(bào)警處理。在綜合各類因素后選擇MSP430 微型單片機(jī)，借助該類型單片機(jī)處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、片內(nèi)資源豐富以及低功耗等優(yōu)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與智能防護(hù)報(bào)警系統(tǒng)指令、管腳程序的有效兼容，該單片機(jī)的管腳電路設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。

圖2 MSP430 管腳電路設(shè)計(jì)

3.2 傳感器

傳感器檢測(cè)收集空間的環(huán)境信息，并將信息發(fā)送至單片機(jī)，確保單片機(jī)將信息與預(yù)設(shè)值比較后給出是否報(bào)警的反饋，以實(shí)現(xiàn)信息處理、系統(tǒng)的相關(guān)功能[5]。該系統(tǒng)選用傳感器GQQ7-5，其適用于各類氣體、外部環(huán)境的檢測(cè)，具有反應(yīng)迅速、靈敏度高、易操作以及電路設(shè)置簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，該傳感器的電路圖如圖3 所示。通過(guò)HS8684CM 電壓比較器的運(yùn)轉(zhuǎn)，比較管腳二與管腳三的運(yùn)行電壓，當(dāng)管腳二的電壓大于管腳三時(shí)，管腳一輸出低電平；當(dāng)管腳二的電壓小于管腳三時(shí)，管腳一輸出高電平，由此實(shí)現(xiàn)傳感器內(nèi)部電壓的匹配。當(dāng)濃度增大時(shí)，傳感器電阻值減小，管腳二的輸出電壓增大，管腳一輸出低電平，系統(tǒng)某端口輸出高電壓，App 信息、蜂鳴器先后發(fā)出。

圖3 傳感器電路

3.3 轉(zhuǎn)換器

在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，因?yàn)閭鞲衅鳈z測(cè)到的數(shù)據(jù)信息以模擬信號(hào)的形式輸出，單片機(jī)中轉(zhuǎn)系統(tǒng)無(wú)法直接對(duì)其進(jìn)行處理，所以需要轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在該過(guò)程中，系統(tǒng)使用的傳感器類型多樣，不同傳感器運(yùn)行電壓參考值也存在差異，因此不可以選擇多通道對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行統(tǒng)一處理，需要選擇對(duì)應(yīng)傳感器數(shù)量的單通道轉(zhuǎn)換芯片對(duì)模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。此時(shí)，傳感器檢測(cè)收集到的模擬信號(hào)從管腳二端口輸入，處理后的數(shù)字信號(hào)從管腳六輸出，同時(shí)傳至單片機(jī)，轉(zhuǎn)換器的管腳示意圖如圖4 所示。

圖4 轉(zhuǎn)換器管腳

3.4 聲光報(bào)警

通過(guò)LED 燈和蜂鳴器進(jìn)行聲光報(bào)警，當(dāng)空間存在煙霧、燃?xì)庖约胺欠ㄟM(jìn)入時(shí)，LED 燈、蜂鳴器根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)信息參數(shù)比較系統(tǒng)預(yù)設(shè)值后，向報(bào)警系統(tǒng)輸出信號(hào)，報(bào)警系統(tǒng)接收后立刻進(jìn)行聲光報(bào)警。

3.5 App 通信

App 通信是借助互聯(lián)網(wǎng)與用戶進(jìn)行聯(lián)系、信息交換的媒介，可以為用戶使用系統(tǒng)提供App 互動(dòng)服務(wù)，便于用戶及時(shí)了解空間安全情況。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括火災(zāi)、燃?xì)庑孤┮约胺辣I3 種報(bào)警功能，在發(fā)送報(bào)警信號(hào)前，系統(tǒng)先通過(guò)內(nèi)設(shè)檢測(cè)模塊檢查收集到的信息，當(dāng)信息與預(yù)設(shè)值參數(shù)不匹配時(shí)，將這些信息傳輸至單片機(jī)處理中心，申請(qǐng)主控制器下達(dá)報(bào)警指令。單片機(jī)根據(jù)信息中斷相關(guān)電路后立刻啟動(dòng)App 預(yù)警功能，根據(jù)各類型的報(bào)警參數(shù)向用戶發(fā)送差異化的顯示數(shù)據(jù)，執(zhí)行與報(bào)警信息一致的聲光報(bào)警功能，具體流程如圖5 所示。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程

在完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)任務(wù)后，根據(jù)設(shè)計(jì)流程編寫代碼，以系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有人非法進(jìn)入識(shí)別為例，其運(yùn)行代碼編制如下。

if（id==193856856）/身份識(shí)別

digita1Write（pinBe11，HIGH）

else{

if（dor==0 & & in==1）{

/身份識(shí)別未通過(guò)

digita1Write（Turn on the warning lamp）；/開啟報(bào)警燈

Serial.print（Send message）；/發(fā)送信息

Serial.println（Someone intruded?。?/p>

Please be attention.

}

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 非法進(jìn)入

通電后，LED 燈根據(jù)是否注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行指示，閃爍1 s 表示未找到信號(hào)，閃爍2 s 表示已找到信號(hào)。當(dāng)注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)后，按下布防開關(guān)，LED 燈亮3 s，單片機(jī)外部中斷，系統(tǒng)開始檢測(cè)傳感器電平變化。當(dāng)傳感器檢測(cè)到輻射信號(hào)時(shí)，傳感器OUT 端口電平出現(xiàn)負(fù)跳變，觸發(fā)單片機(jī)外部中斷，LED 燈閃爍3 s。單片機(jī)檢測(cè)到中斷后的報(bào)警信息，LED 燈亮起，單片機(jī)發(fā)送指令控制，報(bào)警模塊發(fā)送報(bào)警信息。系統(tǒng)發(fā)送信息“有人已進(jìn)入警戒范圍！”到用戶App，LED 燈熄滅，信息發(fā)送后蜂鳴器開始發(fā)出報(bào)警聲。此時(shí)，按下報(bào)警停止鍵，蜂鳴器報(bào)警關(guān)閉。當(dāng)再次按下布防（撤防）鍵時(shí)，LED 燈閃爍4 s，系統(tǒng)開始撤防。在該過(guò)程中，單片機(jī)外部中斷關(guān)閉，系統(tǒng)不再標(biāo)記傳感器信號(hào)檢測(cè)。

5.2 燃?xì)鈾z測(cè)

供給5 V 直流電，如果選擇高低電平，輸出信號(hào)可以接單片機(jī)I/O 口，電位器調(diào)控輸出電平跳變閾值。如果選擇模擬量輸出，那么就不用考慮電位器，直接轉(zhuǎn)換輸入端或接上帶有轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)便可。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，在正常沒(méi)有燃?xì)獾沫h(huán)境下，設(shè)定傳感器輸出電壓為參考電壓值，此時(shí)端口電壓大約為1 V，當(dāng)傳感器檢測(cè)到燃?xì)鈺r(shí)，電壓每升高0.1 V 燃?xì)鉂舛染驮黾?.278 mg/m3，根據(jù)該參數(shù)就可以在單片機(jī)中將測(cè)得的模擬電壓轉(zhuǎn)化為相應(yīng)濃度。傳感器通電之后應(yīng)預(yù)熱15 s，這樣所測(cè)數(shù)據(jù)才更穩(wěn)定。傳感器發(fā)熱屬于正?，F(xiàn)象，其內(nèi)部的電熱絲工作時(shí)會(huì)發(fā)出熱量。該測(cè)試誤差較小，燃?xì)鉂舛葧?huì)隨時(shí)間推移而上下波動(dòng)，并最終減小到一定數(shù)值范圍。測(cè)試過(guò)程考慮安全問(wèn)題，采用安全氣體作為燃?xì)馓娲贰?/p>

5.3 火源監(jiān)控

使用濾波函數(shù)，收集50 組不同數(shù)據(jù)（取均值），將處理后的數(shù)值放于設(shè)定好的數(shù)組內(nèi)。L為濾波數(shù)值，Lmax、Lmin為濾波最大值、最小值，Ln為第n個(gè)數(shù)值，如公式（1）所示。

通過(guò)閾值分析與火焰閃爍性分析可知，4 μm 波長(zhǎng)能夠較好地識(shí)別紅外線，因此先將4 μm 主探測(cè)通道收集到的經(jīng)濾波處理后的數(shù)據(jù)均值記為W，閾值特征為T1。經(jīng)閾值分析后，再取3 段與4 μm 相似的波長(zhǎng)，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、濾波，得出均值W1、W2和W3，閾值特征為T2、T3和T4。隨后再進(jìn)行火焰閃爍性分析，設(shè)定臨界值C，將收集到的數(shù)據(jù)L依次與C進(jìn)行比較，如果L大于C，就給出高電平信號(hào)，反之給出低電平信號(hào)?；鹧孀R(shí)別分析閾值為t1、t2、t3和t4。當(dāng)傳感器發(fā)出報(bào)警信號(hào)的條件分別為T1＞t1、T2＞t2、T3＞t3以及T4＞t4，上述條件缺一不可，只有全部滿足時(shí)方可判斷報(bào)警信號(hào)，這樣能夠較好地降低誤報(bào)率，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。從50 組數(shù)據(jù)中得出，25 組在沒(méi)有火源的情況下，有2 次報(bào)警，誤報(bào)率為8%；25 組在有火源的情況下，提示報(bào)警23 次，正確率為92%，具有較高的實(shí)用性。

表1 火源識(shí)別情況

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該文提出的基于MSP430 微型單片機(jī)的智能防護(hù)報(bào)警系統(tǒng)針對(duì)復(fù)雜環(huán)境有良好的應(yīng)用效果，在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)煙霧火源報(bào)警的同時(shí)又融合了外部人體識(shí)別，綜合考慮了各類報(bào)警觸發(fā)條件，拓寬了報(bào)警器的應(yīng)用環(huán)境。系統(tǒng)自身具有無(wú)線通信功能，配合設(shè)計(jì)的低耗電路，能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)空間不間斷防護(hù)。但是對(duì)部分特殊環(huán)境來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量精度，還需要不斷提高傳感器的精度。此外，在未來(lái)系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程中，應(yīng)引進(jìn)更多的自動(dòng)化防干擾裝置，同時(shí)還可以引入面部識(shí)別、大數(shù)據(jù)管理等技術(shù)，從而不斷拓寬智能防護(hù)報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。