基于GSM技术的实训室安防系统的开发与设计
方建华++范军
摘 要： 针对传统实训室安防主要靠人力管理巡逻来实现，其不仅效率低下，且耗费大量的人力资源的问题，以GSM模块为数据传输方式，结合微处理器以及传感器模块，开发了基于GSM技术的实训室安防系統。系统以LPC2138微控制器为主控平台，完成对红外传感模块、温湿度传感模块、玻璃破碎传感模块、烟雾传感模块等数据的采集，并通过GSM模块完成远程报警以及与监控中心进行数据通信和数据传输。此外，通过PC端监控软件对实训室进行实时监控，完成了实训室的安防工作。
关键词： GSM； 安防系统； 远程报警； 传感器模块； LPC2138微控制器
中图分类号： TN948.64?34； TP277 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0055?03
Development and design of training room security protection system
based on GSM Technology
FANG Jianhua， FAN Jun
（Department of Mechanical and Electrical Engineering， Sichuan traffic Vocational and Technical College， Chengdu 633100， China）
Abstract： The traditional training room security mainly depends on human management and security patrol， which is inefficient and spends a lot of manpower resource， a training room safety protection system based on the GSM module for data transmission was developed in combination with microprocessor and sensor module. The LPC2138 microcontroller is adopted as the main control platform of the system to achieve the data acquisition of infrared sensing module， temperature?humidity sensing module， broken glass sensing module and smoke sensing module， and complete remote alarm， data communication and data transmission with the monitoring center through the GSM module. The PC monitoring software is used to realize the real?time monitoring of the training room， and complete the training room security protection.
Keywords： GSM； security protection system； remote alarm； sensor module； LPC2138 microcontroller
传统实训室安防主要依靠人力管理巡逻来实现，其效率低下，耗费大量的人力资源。通过传感器进行数据采集并交由处理器来进行险情判断的形式，结合现代通信技术，能够进行远程数据监控，大幅增加了实训室安防的效率[1?2]。
1 系统设计
1.1 系统总体设计
图1为本文所设计开发的基于GSM的实训室安防系统总体结构图。其主要分为两个模块，即实训室系统模块及监控系统模块[3?4]。
实训室系统模块主要负责采集实训室的环境信息与安全信息，并对采集到的数据包括：温湿度、烟雾浓度、红外传感等进行处理并判断是否处于正常状态。若某一参数处于非正常范围，则将危险信息显示在LCD显示屏上并启动声光报警器发出警报，同时将警报信息通过GSM模块传送到监控中心进行存储备案。实训室系统模块主控平台为恩智浦公司的LPC2138微控制器，其连接着温湿度传感器、红外传感器、烟雾传感器、玻璃破碎、门磁、穿磁传感等，组成一个完整的环境监控与安防系统。同时，其连接了按键控制、LCD显示、声光报警以及GSM等模块，形成了一套完整的危险信息显示、查询与报警系统。
监控系统模块由LPC2138微控制器、GSM模块、PC端、LCD 显示模块以及声光报警模块组成。GSM模块负责接收从实训室系统所采集到的环境与安防信息，并通过LPC2138微控制器来对接收到的信息进行处理，判断哪一项参数处于危险情况，并通过LCD模块显示。同时，将数据发送至PC端对实训室情况进行实时监控。监控系统模块分为有人值班与无人看守模式。在有人值班模式下，当实训室出现险情时，GSM模块将险情传送到控制平台上，启动声光报警模块发出警报，从而通知值班人员前往实训室查看险情情况并处理。在无人看守模式下，当实训室发生危险情况时，GSM模块将自动发送报警短信至实训室管理人员，通知其前往查看并处理险情。
图1 系统总体结构
1.2 系统硬件设计
系统采用恩智浦公司的LPC2138 ARM处理器作为系统的主控平台。LPC2138是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMI?STM CPU的微控制器，并带有32 KB，64 KB，512 KB的嵌入高速FLASH存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。此外，其具有丰富的数/模和模数转换器、PWM通道以及I/O口等，使其适用于控制系统。
红外传感模块[5?6]用于检测实训室是否遭外部人员异常入侵，本文采用的是热释电红外传感器P2288，其驱动电路如图2所示。当实训室的监控区出现人员活动时，此时红外传感器的信号将传送到热释电传感器处理芯片BIS0001，并经处理后其输出端能够产生相应的电平变化。LPC2138微处理器通过识别红外传感模块的D0端电平变化情况，即能判断是否有人异常进入实训室。烟雾传感模块[7?9]主要负责检测实训室是否发生火灾，其电路如图3所示。本文采用QM?N5烟雾传感器来检测烟雾的浓度，以及热敏电阻NTC503D来感知实训室温度的上升，通过两者相结合实现对火灾的检测。其主要工作原理是通过烟雾传感器以及热敏电阻，分别对烟雾与温度的敏感性所造成的阻值变化而使电压比价器两端电压出现高低替换，导致输出电平相应发生变化，从而检测火灾险情。当实训室处于正常状态下时，烟雾传感器以及热敏电阻的阻值较高，使得分压电阻RP1以及RP2的电压变低，U2>U3，输出电压为低。当实训室发生火灾时，烟雾传感器以及热敏电阻的阻值变低，使得分压电阻RP1和RP2的电压变大，U2<u3，输出电压为高。通过d1端口输出电压高低即可检测火灾险情。同样地，当有人打破门窗玻璃时，玻璃破碎传感器发生机械震动也会产生相应的电压变化，从而使输出端电压发生变化，根据电压变化能够检测是否有人破窗而入。其与系统中的红外传感模块均可一同作为防盗使用。
图2 红外传感模块电路
图3 烟雾传感模块电路
键盘模块作为系统的输入设备，其主要用于查看LCD显示屏的险情信息以及选择系统工作模式。本文采用的是4×4矩阵键盘，其共有16个按键，包括数字键0～9以及6个功能键。键盘采用电平扫描方式来实现按键识别，并采用延迟函数进行消抖。
GSM模块采用德国Siemens的TC35i GSM模块。TC35i是一款双频900/1 800 MHz高度集成的GSM模块，其能传输语言和数据信号，并通过连接器分别与SIM讀卡器以及天线连接。TC35i通过AT命令能够实现双向传输数据与指令，可支持TEXT及PDU编码格式的数据与指令，且支持AT指令进行GSM模块的重启与故障恢复。
1.3 系统软件设计
系统软件程序[10]框图如图5所示。
一旦发现险情，即通过GSM模块将险情信息发送至监控端或直接发送警报信息至管理人员。同时，启动声光报警器并将险情信息发送至LCD屏幕上显示。键盘模块可实现信息查询及系统工作模式选择，包括查询系统历史数据，设置系统为有人值班或无人看守模式。系统采用定时采集数据形式对传感器数据进行采集。
2 系统测试
系统监控软件界面如图6所示，界面上方分别为菜单管理、功能区、实训室切换区；界面下方为实训室状态信息显示区。由图6可看出，目前系统连接着6个实训室，对其进行实时监控，并能实时显示每个实训室的温湿度状态、是否有人入侵或火灾情况。点击任意一个实训室，进入该实训室的信息显示页面，如图7所示。当处于无人看守模式下，系统会自动发送报警信息至管理人员，提醒相关人员前去查看。
3 结 语
传统实训室安防主要依靠人力管理巡逻来实现，其不仅效率低下，还耗费大量的人力资源。本文以GSM模块为数据传输方式，结合微处理器以及传感器模块，开发了基于GSM技术的实训室安防系统。其以LPC2138微控制器为主控平台，完成对红外传感模块、温湿度传感模块、玻璃破碎传感模块、烟雾传感模块等数据的采集，并通过GSM模块完成远程报警以及与监控中心进行数据的通信和传输。此外，通过PC端监控软件对实训室进行实时监控，完成了实训室的安防工作。测试结果显示，本系统工作稳定，各项功能复合预期结果。
参考文献
[1] 颜彤.物联网技术在高职院校实训室安防系统中的应用[J].电子测试，2015（1）：112?113.
[2] 林宇洪，陈清耀，巫志龙，等.基于物联网的实验室安防系统设计[J].江西科技师范大学学报，2015（6）：70?74.
[3] 张民垒.基于物联网的实验室管理系统的设计与实现[D].大连：大连理工大学，2015.
[4] 崔一然.基于GPRS的实验室设备在线监测系统的设计[J].无线互联科技，2016（18）：53?54.
[5] 毛玲，李振波，张大伟，等.基于红外传感器的移动微机器人定位研究[J].传感器与微系统，2014，33（12）：38?41.
[6] 刘云武.基于红外热释电传感器网络的动态定位技术研究[D].太原：中北大学，2014.
[7] 江杰，宋宏龙.基于GSM短信的烟雾传感报警系统[J].测控技术，2014，33（1）：1?3.
[8] 高金转，彭旭锋，张会新，等.基于ZigBee无线传感网络的环境监测系统的设计[J].电子器件，2016，39（3）：546?550.
[9] 常书林，卢峰，仇成群.基于ZigBee的汽车内环境监测系统设计[J].电子科技，2016，29（4）：66?70.
[10] 巢玉江，袁红兵，冯锋，等.基于ZigBee与GSM技术的智能家居安防系统设计[J].机械制造与自动化，2014，43（1）：138?140.
摘 要： 针对传统实训室安防主要靠人力管理巡逻来实现，其不仅效率低下，且耗费大量的人力资源的问题，以GSM模块为数据传输方式，结合微处理器以及传感器模块，开发了基于GSM技术的实训室安防系統。系统以LPC2138微控制器为主控平台，完成对红外传感模块、温湿度传感模块、玻璃破碎传感模块、烟雾传感模块等数据的采集，并通过GSM模块完成远程报警以及与监控中心进行数据通信和数据传输。此外，通过PC端监控软件对实训室进行实时监控，完成了实训室的安防工作。
关键词： GSM； 安防系统； 远程报警； 传感器模块； LPC2138微控制器
中图分类号： TN948.64?34； TP277 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0055?03
Development and design of training room security protection system
based on GSM Technology
FANG Jianhua， FAN Jun
（Department of Mechanical and Electrical Engineering， Sichuan traffic Vocational and Technical College， Chengdu 633100， China）
Abstract： The traditional training room security mainly depends on human management and security patrol， which is inefficient and spends a lot of manpower resource， a training room safety protection system based on the GSM module for data transmission was developed in combination with microprocessor and sensor module. The LPC2138 microcontroller is adopted as the main control platform of the system to achieve the data acquisition of infrared sensing module， temperature?humidity sensing module， broken glass sensing module and smoke sensing module， and complete remote alarm， data communication and data transmission with the monitoring center through the GSM module. The PC monitoring software is used to realize the real?time monitoring of the training room， and complete the training room security protection.
Keywords： GSM； security protection system； remote alarm； sensor module； LPC2138 microcontroller
传统实训室安防主要依靠人力管理巡逻来实现，其效率低下，耗费大量的人力资源。通过传感器进行数据采集并交由处理器来进行险情判断的形式，结合现代通信技术，能够进行远程数据监控，大幅增加了实训室安防的效率[1?2]。
1 系统设计
1.1 系统总体设计
图1为本文所设计开发的基于GSM的实训室安防系统总体结构图。其主要分为两个模块，即实训室系统模块及监控系统模块[3?4]。
实训室系统模块主要负责采集实训室的环境信息与安全信息，并对采集到的数据包括：温湿度、烟雾浓度、红外传感等进行处理并判断是否处于正常状态。若某一参数处于非正常范围，则将危险信息显示在LCD显示屏上并启动声光报警器发出警报，同时将警报信息通过GSM模块传送到监控中心进行存储备案。实训室系统模块主控平台为恩智浦公司的LPC2138微控制器，其连接着温湿度传感器、红外传感器、烟雾传感器、玻璃破碎、门磁、穿磁传感等，组成一个完整的环境监控与安防系统。同时，其连接了按键控制、LCD显示、声光报警以及GSM等模块，形成了一套完整的危险信息显示、查询与报警系统。
监控系统模块由LPC2138微控制器、GSM模块、PC端、LCD 显示模块以及声光报警模块组成。GSM模块负责接收从实训室系统所采集到的环境与安防信息，并通过LPC2138微控制器来对接收到的信息进行处理，判断哪一项参数处于危险情况，并通过LCD模块显示。同时，将数据发送至PC端对实训室情况进行实时监控。监控系统模块分为有人值班与无人看守模式。在有人值班模式下，当实训室出现险情时，GSM模块将险情传送到控制平台上，启动声光报警模块发出警报，从而通知值班人员前往实训室查看险情情况并处理。在无人看守模式下，当实训室发生危险情况时，GSM模块将自动发送报警短信至实训室管理人员，通知其前往查看并处理险情。
图1 系统总体结构
1.2 系统硬件设计
系统采用恩智浦公司的LPC2138 ARM处理器作为系统的主控平台。LPC2138是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMI?STM CPU的微控制器，并带有32 KB，64 KB，512 KB的嵌入高速FLASH存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。此外，其具有丰富的数/模和模数转换器、PWM通道以及I/O口等，使其适用于控制系统。
红外传感模块[5?6]用于检测实训室是否遭外部人员异常入侵，本文采用的是热释电红外传感器P2288，其驱动电路如图2所示。当实训室的监控区出现人员活动时，此时红外传感器的信号将传送到热释电传感器处理芯片BIS0001，并经处理后其输出端能够产生相应的电平变化。LPC2138微处理器通过识别红外传感模块的D0端电平变化情况，即能判断是否有人异常进入实训室。烟雾传感模块[7?9]主要负责检测实训室是否发生火灾，其电路如图3所示。本文采用QM?N5烟雾传感器来检测烟雾的浓度，以及热敏电阻NTC503D来感知实训室温度的上升，通过两者相结合实现对火灾的检测。其主要工作原理是通过烟雾传感器以及热敏电阻，分别对烟雾与温度的敏感性所造成的阻值变化而使电压比价器两端电压出现高低替换，导致输出电平相应发生变化，从而检测火灾险情。当实训室处于正常状态下时，烟雾传感器以及热敏电阻的阻值较高，使得分压电阻RP1以及RP2的电压变低，U2>U3，输出电压为低。当实训室发生火灾时，烟雾传感器以及热敏电阻的阻值变低，使得分压电阻RP1和RP2的电压变大，U2<u3，输出电压为高。通过d1端口输出电压高低即可检测火灾险情。同样地，当有人打破门窗玻璃时，玻璃破碎传感器发生机械震动也会产生相应的电压变化，从而使输出端电压发生变化，根据电压变化能够检测是否有人破窗而入。其与系统中的红外传感模块均可一同作为防盗使用。
图2 红外传感模块电路
图3 烟雾传感模块电路
键盘模块作为系统的输入设备，其主要用于查看LCD显示屏的险情信息以及选择系统工作模式。本文采用的是4×4矩阵键盘，其共有16个按键，包括数字键0～9以及6个功能键。键盘采用电平扫描方式来实现按键识别，并采用延迟函数进行消抖。
GSM模块采用德国Siemens的TC35i GSM模块。TC35i是一款双频900/1 800 MHz高度集成的GSM模块，其能传输语言和数据信号，并通过连接器分别与SIM讀卡器以及天线连接。TC35i通过AT命令能够实现双向传输数据与指令，可支持TEXT及PDU编码格式的数据与指令，且支持AT指令进行GSM模块的重启与故障恢复。
1.3 系统软件设计
系统软件程序[10]框图如图5所示。
一旦发现险情，即通过GSM模块将险情信息发送至监控端或直接发送警报信息至管理人员。同时，启动声光报警器并将险情信息发送至LCD屏幕上显示。键盘模块可实现信息查询及系统工作模式选择，包括查询系统历史数据，设置系统为有人值班或无人看守模式。系统采用定时采集数据形式对传感器数据进行采集。
2 系统测试
系统监控软件界面如图6所示，界面上方分别为菜单管理、功能区、实训室切换区；界面下方为实训室状态信息显示区。由图6可看出，目前系统连接着6个实训室，对其进行实时监控，并能实时显示每个实训室的温湿度状态、是否有人入侵或火灾情况。点击任意一个实训室，进入该实训室的信息显示页面，如图7所示。当处于无人看守模式下，系统会自动发送报警信息至管理人员，提醒相关人员前去查看。
3 结 语
传统实训室安防主要依靠人力管理巡逻来实现，其不仅效率低下，还耗费大量的人力资源。本文以GSM模块为数据传输方式，结合微处理器以及传感器模块，开发了基于GSM技术的实训室安防系统。其以LPC2138微控制器为主控平台，完成对红外传感模块、温湿度传感模块、玻璃破碎传感模块、烟雾传感模块等数据的采集，并通过GSM模块完成远程报警以及与监控中心进行数据的通信和传输。此外，通过PC端监控软件对实训室进行实时监控，完成了实训室的安防工作。测试结果显示，本系统工作稳定，各项功能复合预期结果。
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