周紅志 秦 敏 墨子向

(阜陽(yáng)師范學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236041)

1.概述

1.1.設(shè)計(jì)背景

近年來(lái)，由于社會(huì)對(duì)人才的需求量越來(lái)越大和社會(huì)生活水平的提高，高校學(xué)生的數(shù)量越來(lái)越龐大，這使得生活中存在的安全隱患越來(lái)越多，而大學(xué)生的安全意識(shí)卻越來(lái)越薄弱。于是，對(duì)學(xué)生宿舍的安全信息的把握已成為各大高校重要工作之一。

現(xiàn)在，各大高校采取的安全監(jiān)控主要以攝像頭監(jiān)控為主，這種監(jiān)控系統(tǒng)雖然能對(duì)全局進(jìn)行把握，但存在著監(jiān)測(cè)面小、資源消耗大、實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)。它只能對(duì)某個(gè)樓層的人員流動(dòng)進(jìn)行把握，而對(duì)于每個(gè)獨(dú)立的宿舍則顯得無(wú)能為力，并且對(duì)圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)會(huì)消耗大量的資源。攝像頭監(jiān)控對(duì)于一些突發(fā)狀況也很難及時(shí)分辯和把握，如宿舍火源、空氣成分等無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控，更無(wú)法發(fā)出警報(bào)引起周邊宿舍警覺(jué)，一旦事故發(fā)生，難以及時(shí)采取保障措施。

1.2.系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

隨著嵌入式系統(tǒng)、無(wú)線通信等技術(shù)的發(fā)展，利用不同傳感器獨(dú)立檢測(cè)特定的安全指標(biāo)，再通過(guò)短距離通信，可以全面、實(shí)時(shí)地對(duì)宿舍安全情況進(jìn)行監(jiān)控而不涉及任何學(xué)生隱私。面對(duì)突發(fā)狀況也能及時(shí)報(bào)警，并且能夠提供一定的人機(jī)交互，最大限度地采取行動(dòng)進(jìn)行處理，避免不必要的損失。

該系統(tǒng)應(yīng)用了嵌入式和無(wú)線通信技術(shù)，而嵌入式系統(tǒng)和無(wú)線通信技術(shù)本身高度的靈活性，賦予了系統(tǒng)自由和易拓展性的特點(diǎn)，可以不受復(fù)雜線路的控制，即裝即用，可根據(jù)實(shí)際需要輕松增加或減少數(shù)量，更可以根據(jù)具體學(xué)校實(shí)際情況而擴(kuò)展不同的功能。其體積小、功耗低、穩(wěn)定性高、使用簡(jiǎn)單、功能全面，真正能夠做到遍及每一個(gè)宿舍。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目組成主要分為主機(jī)和從機(jī)兩大部分，通過(guò)組建的網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器進(jìn)行通信。主機(jī)檢測(cè)宿舍內(nèi)部的各類(lèi)信息，并在出現(xiàn)不安全事件時(shí)，將分析結(jié)果和檢測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送給從機(jī)；從機(jī)終端所在的后勤管理中心發(fā)現(xiàn)突發(fā)狀況后，可通過(guò)從機(jī)給主機(jī)發(fā)送控制命令，達(dá)到預(yù)處理目的，并立即采取行動(dòng)去解決事故。

2.1.主機(jī)部分

主要由各類(lèi)傳感器、MCU最小系統(tǒng)、WIFI模塊、天線和揚(yáng)聲器等電路構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)宿舍安全信息，MCU通過(guò)分析各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)宿舍有不安全狀況出現(xiàn)時(shí)，立即自動(dòng)控制WIFI模塊通過(guò)無(wú)線串口向監(jiān)控人員的目標(biāo)終端發(fā)送信息，另一方面激活揚(yáng)聲器電路，向周?chē)奚岚l(fā)出報(bào)警信息。（如下圖）

2.1.1.傳感器電路

主要由溫度傳感器、氣體傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯冉M成，傳感器將其感受到的信息，如宿舍的實(shí)時(shí)溫度、火焰輻射強(qiáng)度、氣體體積分?jǐn)?shù)等情況，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)后輸入到MCU，即各個(gè)傳感器各自的終端節(jié)點(diǎn)中，以供MCU分析數(shù)據(jù)并采取控制。

2.1.2.微控制單元

MCU連續(xù)地接收傳感器節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的電信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部的A/D(模擬量/數(shù)字量)轉(zhuǎn)換模塊將模擬電信號(hào)按照一定的分辨率轉(zhuǎn)換為控制單元可處理的數(shù)字信號(hào)。當(dāng)數(shù)值超過(guò)程序中經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)算法預(yù)設(shè)定的正常值時(shí)，則認(rèn)為宿舍出現(xiàn)不安全狀況。此時(shí)，MCU發(fā)現(xiàn)電路硬件故障時(shí)，會(huì)立即激活WIFI模塊將宿舍各項(xiàng)檢測(cè)信息發(fā)送給目標(biāo)終端節(jié)點(diǎn)，并激活揚(yáng)聲器電路，對(duì)周?chē)奚岚l(fā)出警報(bào)。

當(dāng)MCU接收到WIFI模塊輸入的來(lái)自監(jiān)控中心的回應(yīng)消息后，立即執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。如：由于傳感器失靈誤報(bào)，監(jiān)控中心發(fā)出關(guān)閉警報(bào)信息，MCU則根據(jù)指示取消休眠揚(yáng)聲器電路。

由于微控制單元的功能越來(lái)越強(qiáng)大，使系統(tǒng)具有高度的可擴(kuò)展性，給系統(tǒng)提供了一個(gè)很大的升級(jí)空間。如擴(kuò)展攝像頭組，當(dāng)事故發(fā)生時(shí)激活攝像頭，將采像信息傳給管理中心，可以更準(zhǔn)確地辨別和應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況。

2.1.3.無(wú)線傳輸模塊

模塊的串行口使用異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口，使用MAX3232芯片可以實(shí)現(xiàn)向TTL電平的轉(zhuǎn)化。在模塊的自動(dòng)工作模式下，串口始終工作在透明數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，把來(lái)自控制單元的數(shù)據(jù)，通過(guò)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳送給終端設(shè)備。

其組網(wǎng)方式為：系統(tǒng)硬件電路搭建完畢后，無(wú)線設(shè)備第一次上電時(shí)，設(shè)定好特定的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及必須的TCP/UDP連接參數(shù)，即可自動(dòng)連接到指定的無(wú)線路由器，進(jìn)入到預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器，服務(wù)器再與目標(biāo)終端連接。（如下圖）

網(wǎng)絡(luò)組建完成后，進(jìn)入自動(dòng)工作模式，在微控制單元的協(xié)調(diào)下進(jìn)行串口的無(wú)線透明的數(shù)據(jù)收發(fā)。當(dāng)MCU對(duì)各個(gè)傳感器輸入的數(shù)據(jù)未檢測(cè)到異常情況時(shí)，無(wú)線模塊處于休眠狀態(tài)，不產(chǎn)生任何數(shù)據(jù)流量；一旦MCU分析出異常，無(wú)線模塊立即被激活，將危險(xiǎn)信息經(jīng)過(guò)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到后勤管理中心的監(jiān)控設(shè)備，并等待并接收從機(jī)傳來(lái)的控制指令，使系統(tǒng)根據(jù)指令及時(shí)對(duì)突發(fā)事故做出反應(yīng)。

2.2.從機(jī)部分(Android上位機(jī))

基于Android系統(tǒng)終端(平板電腦或PC端Android虛擬機(jī))，運(yùn)行軟件版本要求Android2.3以上，即可使用上位機(jī)軟件完成來(lái)自服務(wù)器數(shù)據(jù)的檢測(cè)、分析和存儲(chǔ)等。

2.2.1.Android系統(tǒng)的特性

Android系統(tǒng)是當(dāng)代一種移動(dòng)平臺(tái)的靈魂，從系統(tǒng)本身來(lái)說(shuō)，它基于Linux內(nèi)核并且絕對(duì)開(kāi)源，是針對(duì)移動(dòng)設(shè)備而設(shè)計(jì)。移動(dòng)設(shè)備對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系越來(lái)越緊密，這使得Android系統(tǒng)的移動(dòng)互聯(lián)優(yōu)勢(shì)日益增強(qiáng)，且從機(jī)的檢測(cè)可以脫離監(jiān)控中心而無(wú)處不在，直接滿足了本系統(tǒng)的靈活性要求。即使在非工作時(shí)間，也能保證警報(bào)信息的及時(shí)傳達(dá)。

Android設(shè)備的發(fā)展很快，其硬件配置已經(jīng)達(dá)到媲美個(gè)人計(jì)算機(jī)的程度，保證了本系統(tǒng)運(yùn)行在此平臺(tái)上的穩(wěn)定性。

2.2.2.系統(tǒng)上位機(jī)程序

上位機(jī)軟件主要使用JAVA語(yǔ)言在Eclipse集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下編寫(xiě)出來(lái)。主要工作是驅(qū)動(dòng)設(shè)備內(nèi)置的WIFI模塊，使設(shè)備連接到特定的網(wǎng)絡(luò)，接收服務(wù)器端傳來(lái)的對(duì)應(yīng)宿舍的位置信息和監(jiān)測(cè)信息，并將這些數(shù)據(jù)使用圖表等直觀方式分類(lèi)動(dòng)態(tài)地顯示在屏幕上來(lái)進(jìn)行監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)保存成本地日志。同時(shí)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的揚(yáng)聲器，提醒工作人員，在學(xué)生宿舍出現(xiàn)了異常情況，需要立即采取行動(dòng)。（如下圖）

工作人員可以通過(guò)上位機(jī)向事故發(fā)生宿舍發(fā)送控制命令，通過(guò)服務(wù)器找到對(duì)應(yīng)物理地址的無(wú)線模塊，將控制信息經(jīng)過(guò)WIFI模塊反饋給MCU，實(shí)現(xiàn)對(duì)MCU外圍擴(kuò)展功能的遠(yuǎn)程操作，如對(duì)揚(yáng)聲器喊話內(nèi)容的選擇，從而及時(shí)有效地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制，完成無(wú)線串口傳輸過(guò)程的全雙工通信。

3.系統(tǒng)功能說(shuō)明

3.1.智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與警報(bào)

系統(tǒng)組裝完畢后，即進(jìn)入自動(dòng)工作模式，智能實(shí)時(shí)檢測(cè)安全隱患，發(fā)生事故將直接啟動(dòng)揚(yáng)聲器警報(bào)。即使在安全意識(shí)最薄弱的夜間，也能有效地將危險(xiǎn)扼殺在萌芽。

3.2.移動(dòng)遠(yuǎn)程管理與控制

管理員可通過(guò)基于Android系統(tǒng)的上位機(jī)，直接連接到服務(wù)器端，隨時(shí)對(duì)危險(xiǎn)信息進(jìn)行回應(yīng)和處理，而不僅僅是在管理中心辦公室。同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的擴(kuò)展電路可直接發(fā)出控制指令，遠(yuǎn)程遙控進(jìn)行執(zhí)行所需操作。

3.3.集中部署管理

管理員的監(jiān)控設(shè)備上對(duì)整個(gè)宿舍區(qū)的安全狀況統(tǒng)一管理，將所有宿舍傳感器的感應(yīng)信息同步保存成文本日志，卻不需要對(duì)各個(gè)宿舍所有時(shí)刻的所有信息進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，只有危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，才會(huì)接收到數(shù)據(jù)并進(jìn)行檢測(cè)與警報(bào)。根據(jù)傳來(lái)的物理地址，直接定位到對(duì)應(yīng)宿舍。根據(jù)不同的狀況采取行之有效的行動(dòng)。節(jié)約人力物力，操作科學(xué)有效。

4.結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)綜合采用現(xiàn)階段熱門(mén)技術(shù)，有效地在不侵犯入住學(xué)生隱私的情況下，對(duì)每個(gè)宿舍獨(dú)立進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證他們的人身和財(cái)產(chǎn)安全。該系統(tǒng)靈活度高、功耗低、擴(kuò)展性強(qiáng)、實(shí)時(shí)全面報(bào)警監(jiān)控等特點(diǎn)彌補(bǔ)了當(dāng)代高校宿舍安全的空缺。然而該系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控人員的應(yīng)對(duì)異常情況的控制方式有很大的局限性，系統(tǒng)的擴(kuò)展功能單一，因此需要對(duì)該系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)一步擴(kuò)充和改進(jìn)，使系統(tǒng)更加完善。

[1]麻信洛.無(wú)線局域網(wǎng)構(gòu)建及應(yīng)用[M].北京.國(guó)防工業(yè)出版社.2006.

[2]劉連浩.物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[M].電子工業(yè)出版社.2012.

[3]張文梅.宿舍無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù).2014(15):3506-3508.

[4]高峰、姜慶臣、徐青香等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)展[J].浙江林學(xué)院學(xué)報(bào).2010.27(5):762-769.