摘要：文中介紹了一種基于GSM和ZigBee的實驗室監控系統。該系統采用32位ARM單片機LPC2138作為控制器，通過各種傳感器對實驗室的環境參量進行采集，如有告警信息，通過ZigBee無線網絡傳送至監控中心，由值班人員處理，或者由GSM模塊以短信息的形式通知實驗室管理員前去處理，該系統能夠實現對實驗室安全的實時監控和無人值守。
0 引言
文中介紹了一種基于GSM和ZigBee無線網絡技術的高校實驗室安防系統。該系統通過各種傳感器采集實驗室的環境信息，并通過室內的LCD顯示出來。如有危害實驗室安全的告警信息，可通過ZigBee無線傳感網絡傳送至監控中心，提示監控中心值班員處理或通過GSM通信模塊以短消息的形式通知實驗室管理員處理，實現對高校實驗室安全的實時監控和管理，也可實現實驗室監控的無人值守。
1 系統總體設計
系統由監控中心子系統和實驗室子系統組成。系統總體結構如圖1所示。
監控中心子系統中，主控制器LPC2138通過各種傳感器采集實驗室的環境信息和安全信息，然后將采集到的信息進行處理和識別，溫度、濕度等環境信息和危害實驗室安全的警情信息在LCD上顯示出來，如有警情根據實際情況開啟聲光報警器，然后將警情信息通過ZigBee模塊送往監控中心的同時存儲備案。用戶可以通過鍵盤和LCD查詢實驗室的當前狀態、歷史報警信息，也可進行實驗室的布防和撤防設置。
監控中心子系統由ZigBee模塊、鍵盤、LCD顯示、GSM模塊和聲光報警電路組成。監控中心子系統可根據不同情況設為值班工作模式和無人值守工作模式兩種工作模式，可以通過鍵盤電路和LCD選擇設定。在值班工作模式下，ZigBee模塊接收到來自實驗室子系統發送來的警情信息后，啟動聲光報警電路提示值班員查詢警情信息并前去處理和維護；而在無人值守工作模式下，ZigBee模塊接收到來自實驗室子系統發送來警情信息后，如在白天，系統通過GSM模塊發送警情短消息給實驗室管理員，通知其前去維護；如在晚上，系統則發送短消息給安保處夜間值班室，通知前去巡查。無論監控中心子系統工作在哪種工作模式下，接收到的警情信息會按照報警時間、實驗室房間號和警情種類保存起來，以供日后查詢，存儲警情的存儲器存滿后，可以進行覆蓋存儲，也可以由值班人員通過鍵盤和LCD手動清空存儲器。
2 系統硬件設計
2.1 實驗室子系統硬件設計
實驗室子系統采用菲利普公司的ARM微處理器LPC2138作為主控芯片。LPC2138微控制器是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU，多個串行接口，包括2個16C550工業標準UART、2個高速I2C總線(400kbit/s)、SPI和具有緩沖作用和數據長度可變功能的SSP。多個32位定時器、2個10位8路的ADC、1個10位DAC、PWM通道、47個GPIO以及多達9個邊沿或電平觸發的外部中斷使它們特別適用于控制系統。
環境信息和安全信息的采集主要通過各種傳感器。其中，溫度傳感器和濕度傳感器采用集成器件，直接讀取相應數值即可。
紅外傳感器用于探測實驗室內部人員異常入侵，文中采用熱釋電紅外傳感器P2288，其輸出信號處理電路如圖2所示。BIS0001為紅外信號處理芯片，如在監控區域有人員活動，P2288就會輸出電信號，經BIS0001處理后產生相應電平變化，LPC2138通過檢測D0端的電平變化就可以判斷是否有人員異常入侵，這是防止實驗室設備被盜的有效檢測手段。
煙霧傳感器用于火災的報警，文中采用QM-N5煙霧傳感器，其輸出信號處理電路如圖3所示。沒有發生火災的情況下，周邊環境溫度下，熱敏電阻NTC503D的阻值是比較大的，分壓原理可知，可變電阻RP2分得的電壓就比較小。對比之下，參考電壓U2>U3，輸出為低電平。一旦有火災發生的情況下，周邊環境溫度相應地升高， 空氣中充滿一定濃度的煙霧，熱敏電阻和煙霧傳感器的阻值都快速降低，可變電阻RP1，RP2相應的電壓都增大，結果導致U3>U2，輸出為高電平。通過檢測D1端電平變化可以實現檢測火災的目的。當入侵者破窗而入時，玻璃破碎傳感器受到機械振動，會給出一個信號，這信號經放大、處理后可用于報警。此傳感器可與門磁、窗磁一起作為盜警的參考報警信號。
ZigBee模塊采用Chipeon公司推出的首款符合2.4GHzIEEE 802.15.4標準的單片射頻收發芯片CC2420，能夠進行魯棒的無線通信，能夠確保在短距離通信中的有效性和可靠性。它內置一個數字直接序列擴頻調制解調模塊，提供擴頻增益9dB。CC2420具有超低的電流消耗(RX-18.8mA；TX-17.4mA)，高接收靈敏度(-95dBm)，抗鄰頻道干擾能力強(39dB)，并且CC2420為包處理、數據緩沖、突發通信、數據加密、數據驗證、空閑信道評估、鏈路質量指示和包定時信息等提供了強有力的硬件支持。這些硬件支持減輕了主控制器的負擔，使得它能夠使用低成本的微控制器。利用此芯片開發的無線通信設備支持數據傳輸率高達250kbps，可以實現多點對多點的快速組網。LPC2138通過SPI總線接口和控制信號線與CC2420射頻收發器進行通訊并控制射頻芯片的運行狀態。SPI總線支持全雙工數據傳輸，可以同時發送和接收數據，其中微處理器充當SPI主設備而CC2420收發器充當從設備。
2.2 監控中心子系統硬件設計
監控中心子系統也采用LPC2138作為主控制器，采用ZigBee模塊與實驗室子系統通信。
鍵盤與LCD查看警情信息和選擇工作模式，為了方便實現功能，鍵盤電路采用4×4矩陣鍵盤，其電路原理圖如圖4所示。鍵盤包括16個按鍵，即0～9十個數字鍵和六個功能鍵。系統采用掃描法，實現各按鍵的確認。通過軟件消除抖動保證讀鍵正確。
LPC2138內部有一個512kB的Flash存儲器，可定義一部分空間作為警情存儲器，將各實驗室子系統的報警信息存儲起來備案，存滿時自動從低地址開始覆蓋。
GSM通信模塊采用西門子公司的TC35。TC35是Siemens公司推出的新一代無線通信GSM模塊，可以快速安全可靠地實現系統方案中的數據、語音傳輸、短消息服務和傳真。TC35通過異步串行口與LPC2138相連接。
3 系統軟件設計
系統軟件設計時，采用模塊化設計，在ADS1.2集成編譯環境下，用C語言編寫而成。
3.1 實驗室子系統的軟件設計
實驗室子系統的軟件流程圖如圖5所示。
程序分為主程序和聲光報警、ZigBee發送數據、LCD顯示、鍵盤操作四個子程序，前三個子程序被主程序主動調用，鍵盤操作則采用中斷模式。主程序對紅外傳感器信號和煙霧傳感器的處理也采用中斷模式，中斷優先級高于鍵盤操作中斷，對于其他傳感器信號采取輪詢采集，并調用LCD顯示子程序將環境信息在LCD屏上顯示。鍵盤操作可進行系統查詢和安防設置兩部分的功能，查詢模式主要查詢系統的當前狀態和歷史告警信息；安防設置包括布防、撤防和安防等級等的設定，其中安防等級根據學校教學工作的需要設置了三種等級，正常教學日程為最低級別，周末與小假期為第二等級，寒暑假等較長假期可選擇最高等級即第三級。
3.2 監控中心子系統軟件設計
監控中心子系統程序主要完成警情信息讀取、存儲和通知等工作，也可通過鍵盤與LCD查看系統狀態與歷史告警信息和設置系統工作模式。在無人值守工作模式下，需要GSM模塊發送告警短消息。TC35支持PDU消息模式，根據系統的通信協議，信息的發送是以發送數據幀為主要方式，一個完整的數據幀包括起始標志單元、命令單元、CRC校驗單元、結束標志單元等四部分。一個數據幀能夠包含140個字節(70個漢字)的數據量，中文字符按照UNICODE進行編碼。發送數據時其格式為：服務中心地址/PDU類型/接收主地址/協議識別碼/數據譯碼方案/有效周期/用戶數據長度/用戶數據；在軟件設計時根據PDU據格式編寫相應的AT命令，即可實現短信息的收發。
4 總結
本系統通過各種傳感器實現了對實驗室環境信息和安全信息的采集與處理，能及時發現警情以便于快速排除，對實驗室進行維護。本系統由于利用ZigBee無線通信模塊，實現了各實驗室子系統與監控中心子系統的無線組網，不僅避免了有線組網重新布線的麻煩，而且易于實現系統的模塊化，安裝維護方便。本系統實現了高校實驗室集成化、智能化、網絡化監控，節約人力資源，提高了高校實驗室安全運轉的可靠性，使實驗室平穩發揮自身職能。
