原标题：基于ARM LM3S1138的智能安防测控系统设计

针对宿舍安全需求,遵循可靠性、独立性、安全性、联动性、扩展性、实用性、经济性的原则设计出了一个基于ARM的智能化公寓防盗防火报警系统。该系统采用Easyarm LM3S1138、RS232总线和多种传感器,实现了异地控制和多终端网络同步控制。经测试表明,该系统不仅实现了人体检测、烟雾检测、声光报警、键盘密码解警以及宿舍内贵重物品进出情况记录等功能,且具有电路设计简单、可靠性高、人机交互友好和成本低的特点。

纵观目前校园安防的现状,无论高校还是中小学校都不容乐观,学生在学校寝室里物品被盗以及学生使用电器不当引起火灾,是高校管理中的一个“大问题”。随着传感器技术、网络技术、控制技术和通信技术的调整发展,为学生公寓的现代化动态管理,提升学生公寓的居住安全性,把安全事故控制在最低限,解除学业生和学校的后顾之忧提供了可能。本文遵循可靠性、独立性、安全性、联动性、扩展性、实用性、经济性的原则设计出一个基于ARM的学生公寓智能安防测控系统。该系统由采集终端和异地集中控制终端两部分组成,两者通过RS232总线进行串行通信,可实现异地控制和多终端网络同步控制,不仅具有人体检测、烟雾检测、声光报警、键盘密码解警、以及宿舍内贵重物品进出情况记录等功能,且具有电路设计简单,可靠性高,针对性强,人机交互友好,成本低的特点。

1.智能安防系统组成及基本原理

本系统由多个宿舍监控站和一个楼管站组成,示意图如图1所示。宿舍监控站安装在宿舍需要防范的部位,完成宿舍里不现探测区域内的各种灾情发生前的各种参数(如人体热释电红外信号,火灾烟雾浓度)等的可靠探测,并通过RS232总线传输到楼管站。楼管站设在值班区域,为方便查询,存储功能等,采用PC机实现,通过PC机上显示的信息监控各个宿舍,以便及时报警并通知管理员采取相应的措施。

图1 系统示意图

宿舍监控站由各种探测器、微处理器、声光报警、显示及接口电路组成,其框图如图2所示。采用人体探测器实现监测人体非法侵入和人员进出信息:采用红外探测器和烟雾传感器实现火灾现场信息的采集:采用磁传感器实现监测贵重物品移动信息。其工作流程如下:微处理器通过对数据采集模块提供的信息,按照预先设定的程序处理和保存,同时将盗窃情况、火灾情况实现声光报警,并通过RS232接口发送到异地PC管理终端。

楼管站由主控计算机,通信接口芯片、监控管理软件、铺设总线及电源组成。其T作过程为:楼管站通过主控计算机显示的信息监测宿舍监控站的情况,当宿舍监控站发来报警信息时对其进行保存和处理,并通知管理员采取必要的措施。

图2 宿舍监控站总体框图

2 硬件电路设计

由于楼管站的功能主要由监测管理软件实现,因此系统的电路设计主要是宿舍监控站的电路设计。

主控模块:本系统采用基于ARM的Easyarm LM3S1138作为主控制模块芯片,用于处理和保存数据采集模块送来的信息。Easyarm LM3S1138[5]具有32位代码指令、32位地址总线、34个中断源、共64 KB单周期Flash、16 KB单周期SRAM、寻址范围32位地址宽度,两个同步串行端口(SSI)、3个完全可编程的串口、ADC以及多个GPIO.且具有丰富的内部资源,其高性能的32位运算能力可以轻松控制整个系统,同时其低功耗、低成本符合应用环境,尤其是其具有丰富的中断源为接收采集器的数据提供了很大的方便。

红外探测模块:采用E18-D80NK红外避障传感器,该模块南门外红外壁障、门内红外壁障两个传感器装置并排组成。

当有人进入时,门外装置先被遮住并检测到信号,传送低电平信号至主控芯片,门内开关冉被遮住检测到信号,传送低电平门至主控芯片,当门内、外两侧传感器电平信号均消失后,即为该终端检测到进入一人,若人离开房间,原理相反。

人体检测模块:主要采用DYP-ME003人体感应模块,当人数纪录为零时开启该模块电路。若有人进入感应范围则输出高电平,声光模块报警:若人进门之前通过键盘输入正确密码解锁,声光模块停止报警,实现防盗功能。如若计数器为零且门开关电路为断开时,该模块输出高电平,声光模块报警,实现门锁提示功能。

烟雾检测模块:主要采用GH-312烟雾感应模块,可以检测到有害气体和烟雾的产生。当室内烟雾超出阈值时输出高电平,由ARM处理使声光模块报警,实现防火功能。

贵重物品检测模块:该模块采用SEN-65磁感应器,可检测到贴有特定磁条的物体。当有人携带贴有磁性标签的贵重物品离开房间时,磁感应装置检测到并向主控模块发出高电平,控制器使报警系统工作,实现检测贵重物品进出情况的功能。

通信模块:系统通信模块采用程控电阻通信协议,ARM和PC之间通过MAX232完成电平转换。对安装好的系统设置通信的基本参数,如表1所示。

表1基本参数取值

图3 电路原理图

3 软件设计

本系统的软件设计是采用C语言和IAR系统嵌入式Workbench 工具同实现的。WorkbenCh 工[6]具是一种用于开发应用各种不同日标处理器的灵活的集成环境。它提供了一个方便的窗口界面用于迅速的开发和调试。嵌入式Workbench支持多种不同的目标处理器,用户用不同的日标处理器开发的工程(Projects)可以在工程的基础上逐个规定日标工程。

3.1 宿舍监控站的软件设计

宿舍监控站主要进行信息(人体探测器获得的人体非法入侵信息和人员进出信息、用红外探测器和烟雾传感器捕捉到的现场火灾信息、由磁传感器捕捉到的贵重物品移动信息采集,数据采集的软件流程如图4所示。

图4 数据采集软件流程图

3.2 楼管站的软件设计

楼管站利用人机界面上显示的各个宿舍监控站上传的信息来监测各宿舍站的情况,利用串口实现与宿舍监控站之间的数据传输,接收宿舍监控站发来的报警信息,对其保存和处理,同时通知管理员采取必要的措施。楼管站数据处理的流程图如图5所示。

图5 数据处理软件流程图

楼管站采用串口通信,利用PC上位机的人机界面实现对网络中各报警系统安防状态的实时查询并显示,并记录安防情况以供查询,其中人机界面是在VC开发环境[7]下开发的,如图6所示。

图6人机界面

4 系统实现及测试

该系统主要由室内热释电传感器及烟雾传感器,红外避障装置,ARM控制器和PC电脑6部分组成。其中控制器部分置于门外右框架离地大约155 cm的地方,方便人员输入密码解锁,两个红外避障传感器则并排在右侧门框两侧离地大约145 cm的地方,磁感应模块置于门框右侧离地120 cm的位置,房梁上放置室内烟雾传感器,左侧门框离地160 cm的地方放置室内热释电传感器,主控器通过RS232总线与PC相连,实现异地监控,系统安装图如图7所示。然后对系统的功能和性能进行测试,具体结果如表2、3所示。

图7 系统安装图

表2/3风、光对检测角度的影响测试结果

测试结果表明:在有风、无风自然光条件下的最大平均检测角度分别为70.2。和100.8。,平均最大检测距离分别为5.5 m和7 m;而在无风情况下,强光对最大检测角度及最大检测距离影响均较大。

5 结束语

通过对系统功能与性能测试,结果表明本系统不仅实现了人体检测、声光报警、密码输入解警、进出人员计数、最后人员出门时的锁门提示、贵重物品出人检测、网络信息传输等功能,而且具有电路设计简单、可靠性高、人机交互友好和成本低的特点,符合学生公寓智能化管理的需求,有助于提升学生公寓的安全性,解决学校和学生的后顾之忧。但是本系统还存在一些不足,如本系统采用有线传输,当有线网络发生中断时,采集的数据无法及时传输到监测终端,不能及时报警,凶此系统还有待于继续完善。

【LM3S1138】

Stellaris LM3S 微控制器

描述

The Stellaris® LM3S1138 microcontroller is based on the ARM® Cortex™-M3 controller core operating at up to 50 MHz, with 64 kB flash and 16 kB SRAM. The LM3S1138 also features real-time industrial connectivity, with 2 SSI / SPI controllers, 2 I2C interfaces, and 3 UARTs. The microcontroller also features intelligent analog capability, including 3 analog comparators and 8 channels of highly accurate 10-bit analog-to-digital conversion - with the ability to sample at speeds of 1M samples per second. Finally, the LM3S1138 microcontroller provides a 24-bit systick timer, 4 32-bit or 8 16-bit general-purpose timers, a watchdog timer, a battery-backed hibernation module with RTC and 256 bytes of non-volatile state-saving memory, a low drop-out voltage regulator so that only one supply voltage is required, brown-out reset, power-on reset controller, and up to 46 GPIOs.

特性

32-bit ARM® Cortex™-M3 50-MHz processor core with System Timer (SysTick), integrated Nested Vectored Interrupt Controller (NVIC), Memory Protection Unit (MPU), and Thumb-2 instruction set

Full-featured debug solution with debug access via JTAG and Serial Wire interfaces, and IEEE 1149.1-1990 compliant Test Access Port (TAP) controller

64 KB single-cycle flash and 16 KB single-cycle SRAM

Lower-power battery-backed Hibernation module with Real-Time Clock

9-46 GPIOs (depending on configuration) with programmable control for GPIO interrupts and pad configuration

ARM FiRM-compliant Watchdog Timer ; plus four General-Purpose Timer Modules (GPTM), each of which provides two 16-bit timers/counters and can be configured to operate independently

10-bit Analog-to-Digital Converter (ADC) with eight analog input channels and a sample rate of one million samples/second

Three fully programmable 16C550-type UARTs with IrDA support

Two Synchronous Serial Interface (SSI) modules, supporting operation for Freescale SPI, MICROWIRE, or Texas Instruments synchronous serial interfaces

Two Inter-Integrated Circuit (I2C) Interface modules, providing Standard (100 Kbps) and Fast (400 Kbps) transmission and support for sending and receiving data as either a master or a slave

Three integrated analog comparators configurable for output to initiate an ADC sample sequence, drive an output pin or generate an interrupt

Industrial and extended temperature RoHS-compliant 100-pin LQFP package and industrial-range RoHS-compliant 108-ball BGA package

【LM3S1138】

Luminary Micro公司Stellaris?所提供一系列的微控制器是首款基于ARM? CortexTM-M3的控制器,它们为对成本尤其敏感的嵌入式微控制器应用方案带来了高性能的32位运算能力。这些具备领先技术的芯片使用户能够以传统的8位和16位器件的价位来享受32位的性能,而且所有型号都是以小占位面积的封装形式提供。

LM3S1138微控制器具有的电池备用的休眠模块可以有效地使LM3S1138掉电,在长时间的器件停止工作过程中让器件进入一个低功耗的状态,这非常适合要求最大限度降低功耗的应用。

LM3S1138微控制器的优势还在于能够方便的运用多种ARM的开发工具和片上系统(SoC)的底层IP应用方案,以及广大的用户群体。另外,该微控制器使用了兼容ARM Thumb?的Thumb2指令集来减少存储容量的需求,并以此达到降低成本的目的。最后,LM3S1138微控制器与Stellaris?系列的所有成员是代码兼容的,这为用户提供了灵活性,能够适应各种精确的需求。

为了能够帮助用户产品快速的上市,Luminary Micro公司提供了一整套的解决方案,包括评估和开发板、白皮书和应用笔记、方便使用的外设驱动程序库、以及强大的支持、销售和分销商网络。

特性

LM3S1138微控制器包含了下列特性:

32位RISC性能

-采用为小封装应用方案而优化的 32位ARM? CortexTM-M3 v7M架构

-提供系统定时器(SysTick)、包括一个简单的24位写清零、递减、自装载计数器,同时具有灵活的控制机制

-仅采用与Thumb?兼容的Thumb-2指令集以获取更高的代码密度

-工作频率为50-MHz

-硬件除法和单周期乘法

-集成嵌套向量中断控制器(NVIC),使中断的处理更为简捷

-34个中断,具有8个优先级

-存储器保护单元(MPU)提供一个特权模式来保护操作系统的功能

-非对齐式数据访问,使数据能够更为有效的安置到存储器中

-精确的位操作(bit-banding),不仅最大限度的利用了存储器空间而且还改良了对外设的控制

内部存储器

-64 KB单周期Flash

可由用户管理的Flash块保护,以2KB块为单位

可由用户管理的Flash数据编程

可由用户定义和管理的Flash保护块

-16 KB单周期SRAM

通用定时器

-4个通用定时器模块(GPTM),每个模块都能提供2个16位的定时器/计数器。每个通用定时器模块都能够被配置为独立运作的定时器或事件计数器,用作单个32位的定时器或用作一个32位的实时时钟(RTC)以捕获事件,或者用作脉宽调制输出(PWM),或者触发模数转换

-32位定时器模式

可编程的单次触发定时器

可编程的周期定时器

当接入32.768KHz外部时钟输入时可作为实时时钟使用

当控制器在调试期间使CPU暂停标志有效时,用户可以在周期和单次触发模式中使能中止(stalling)

ADC事件触发

-16位定时器模式

通用定时器功能,带一个8位的预分频器

可编程的单次触发定时器

可编程的周期定时器

当控制器在调试期间使CPU暂停标志有效时,用户可以使能中止(stalling)

ADC事件触发

-16位输入捕获模式

提供输入边沿计数捕获功能

提供输入边沿时间捕获功能

-16位PWM模式

简单的PWM模式,对PWM信号输出的取反可由软件编程决定

遵循ARM FiRM规范的看门狗定时器

-32位向下计数器,带可编程的装载寄存器

-带使能功能的独立看门狗时钟

-带中断屏蔽功能的可编程中断发生逻辑

-提供锁定寄存器保护,以防止软件跑飞(runaway)的情况

-带使能/禁能的复位发生逻辑

-当控制器在调试期间使CPU暂停标志有效时,用户可以使能中止(stalling)

同步串行接口(SSI) 2个SSI模块,每个具有下列特性:

-主机或从机操作

-可编程控制的时钟位速率和预分频

-独立的发送和接收FIFO,16位宽,8位深

-可编程的接口,与Freescale的SPI接口,MICROWIRE或者TI(Texas Instruments)器件的同步串行接口相连

-可编程的数据帧大小,范围为4到16位

-内部循环测试模式可用于诊断/调试测试

UART

-3个完全可编程的16C550-type UART,支持IrDA

-带有独立的16×8发送(TX)和16×12接收(RX)FIFO,减轻CPU中断服务负载(loading)

-可编程的波特率发生器,带有小数分频器

-可编程设置FIFO长度,包括1字节深度的操作,以提供传统的双缓冲接口

-FIFO触发水平可设为1/8、1/4、1/2、3/4和7/8

-标准异步通信位:起始位、停止位、奇偶位

-无效起始位检测

-行中断的发生和检测

ADC

-单输入和微分输入配置

-用作单终端输入的8个10位通道(输入)

-采样速率:1,000,000样片/秒

-灵活、可配置的模数转换

-从1到8单元(entries)长的4个可编程采样转换序列,带有相对应的转换结果FIFO

-每个序列由软件或内部事件(定时器、模拟比较器、PWM或GPIO)触发

-片上温度传感器

模拟比较器

-3个独立集成的模拟比较器

-可以把输出配置为:驱动输出管脚、产生中断或者ADC采样序列

-比较两个外部管脚输入或者将外部管脚输入与内部可编程参考电压相比较

I2C

-2个I2C模块

-在标准模式下主机和从机接收和发送操作的速度可达100Kbps,在快速模式下可达400Kbps

-中断的产生

-主机带有仲裁和时钟同步功能,支持多个主机,以及7位寻址模式

GPIO

-多达9-46个GPIO,具体数目取决于配置

-输入/输出可承受5V

-中断产生可编程为边沿触发或电平检测

-在读和写操作中通过地址线进行位屏蔽

-可启动ADC采样序列

-GPIO端口配置的可编程控制

弱上拉或下拉电阻

2mA、4mA和8mA端口驱动

8-mA驱动的斜率控制

开漏使能

数字输入使能

电源

-片内低压差(LDO)稳压器,具有可编程的输出电压,用户可调节的范围为2.25V到2.75V

-休眠模式处理上电/掉电3.3V序列并控制内核数字逻辑和模拟电路

-控制器的低功耗选择:睡眠模式和深度睡眠模式

-外设的低功耗选择:软件控制单个外设的关断

-LDO带有检测不可调整电压和自动复位的功能,可由用户控制使能

-3.3V电源掉电检测,可通过中断或复位来报告

灵活的复位源

-上电复位(POR)

-复位管脚有效

-掉电(BOR)检测器向系统发出电源下降的警报

-软件复位

-看门狗定时器复位

-内部低压差(LDO)稳压器输出变为不稳定

其它特性

-6个复位源

-可编程的时钟源控制

-可对单个外设的时钟进行选通以节省功耗

-遵循IEEE 1149.1-1990标准的测试访问端口(TAP)控制器

-通过JTAG和串行线接口进行调试访问

-完整的JTAG边界扫描

工业范围内遵循RoHS标准的100脚LQFP封装

参考文献:

[1]陈岩,高校学生公寓智能安防测控系统研究与设计[D]。合肥:合肥工业大学.2008:3-10.

[2]王洪建.AT89C2051在小区防盗报警系统中的应用[J]。开发与应用,2006(12):50 -52.

WANG Hong-jian. Application of AT89C2051 in communityanti-theft alarm system [J]。 Development and Application,2006(12): 50 -52.

[3]孙晓松,曹雪瑞,张俊武.基于单片机系统的智能化学生公寓的改造[J].自动化技术与应用,2007, 26 (3):125 -127.

SUN Xiao-song, CAO Xue-rui, ZHANG Jun-wu.A smartboarding house for students [J]。 Automation Technology andApplication, 2007, 26(3): 125-127.

[4]张美琪.LM3S系列微控制器的高效RS485通信设计与实现[J]。 ARM开发与应用,2010,26(2):136-138.

ZHANG Mei-qi. Design and realization of high efficientRS485 communications in LM3S ARM[J]。 Development andApplication of ARM, 2010,26(2): 136-138.

[5]张志霞,纪飞,高勋,等.基于ARM LM3S1138处理器便携式实验板的开发[J].辽宁大学学报,2010, 37(2): 105 -106.

ZHANG Zhi-xia, JI Fei, GAO Xun,et al. Development of aportable test board based on ARM LM3S1138[J]。 Journal ofLiaoning University, 2010, 37(2):105-106.

[6] ARM工作中心.ARM Workbench IDE [EB/DL]。 (2010-02)[2011-04]http: //www.arm.com/products/tools/software-tools/rvds/arm-workbenc-h-idephp.

[7]宋金珂,高丽华,张迎新,等.VC++基础程序设计教程[M].北京:清华大学出版,2010: 80-200.