吴健辉, 袁 科, 谭梦霞

(湖南理工学院 信息与通信工程学院, 湖南 岳阳 414006)

基于MSP430单片机的多传感器家居安全告警系统设计

吴健辉, 袁 科, 谭梦霞

(湖南理工学院 信息与通信工程学院, 湖南 岳阳 414006)

设计了一个以MSP430单片机为核心的多传感器现代居家安全告警系统. 以MSP430G2553 单片机为控制核心, 采用多传感器集成的模块化方式进行设计, 系统主要包括电源控制模块、信号处理模块、传感器模块、键盘控制模块、液晶显示模块及告警输出六个模块. 传感器模块采用可扩展设计模式, 告警输出采用分级设计模式, 方便不同用户的需求.同时强化了系统自身安全的监控, 双供电模式、自身震动监控、告警模块防爆设计、紧急告警模式等能有效的保证系统安全并在第一时间内发出告警信息. 实验结果表明系统具备良好的稳定性和可靠性, 达到实际使用要求.

单片机; 多传感器; 家居安全; 告警

引言

随着社会经济的快速发展以及人们生活水平的日益提高, 城市家居中的各种新特点越来越明显, 如人们节假日出游及平时工作日通常三口之家大人上班小孩上学导致的“空巢”, 以及为了提高生活便利性而广泛应用于大部分家庭的液化石油气、管道煤气、天然气, 各种各样的家用电器等. 人们在享受现代化的舒适生活和各类设施所带来便利的同时, 各类安全隐患也随之增加. 近年来, 因家用燃气泄漏而引发的各类惨剧在新闻报道中时有所闻; 各类电器引发的火灾也不少见; 各类极端天气如冰冻导致的室内水管爆裂等. 如果灾难发生时正好不在家, 则不但会让自己损失惨重, 有时还殃及邻居. 同时, 经济的飞速发展伴随着城市流动人口的急剧增加, 给城市的社会治安也带来了新的难题, 盗窃、入室抢劫等刑事案件近年来呈现出不断增长的趋势.

综上所述, 人们越来越渴望有一个安全舒适的生活空间, 无论在不在家, 都希望有一双智慧的“眼睛”监管着自己温馨的家. 但在目前, 大部分的家庭在防止非法入侵方面的主要防盗措施仅限于传统的防盗门窗等被动家居防卫设备, 犯罪分子一旦突破这道防线, 人们的生命和财产安全将受到巨大的威胁. 而家庭火警、燃气泄漏、水管爆裂等则几乎全部寄托于产品的质量和自己平时的生活常识, 但是质量监管再好的产品也有可能出现极少量“漏网之鱼”, 另外, 智者千虑, 必有一失, 再细致的生活习惯也有可能出现粗心的情况, 如果刚好碰巧, 则有可能带来巨大的灾难. 因此人们也越来越希望有各种安全产品来防患于未然. 通过市场调查, 目前单一功能的部分通用报警仪器已经存在, 如天然气泄漏报警器[1], 火灾报警系统[2], 室内超声波运动目标探测[3], 室内红外人体探测[4], 水流量探测[5]等, 但这些设备功能单一, 且因为不是针对居家安全有针对性的进行设计, 所以稳定性和可靠性不高, 不适合一般家庭安全告警要求. 因而有必要针对家居特点研究一种符合普通家庭需求的操作简单, 系统工作稳定, 能实时检测出各种可能的安全隐患并采取应对措施的综合安全告警系统, 以便最大限度的保护人们的生命财产安全.

本文在广泛调研的基础上, 研究并设计了一种基于单片机的多功能家居安全告警综合系统, 系统以MSP430单片机为信号处理核心[6～8], 多传感器综合集成各种信号采集, 信号处理后的结果经过分级后触发不同的警告等级. 系统采用模块化设计, 各个功能模块可根据用户要求进行自由组合, 最大限度的满足不同用户的安全需求. 系统最终的实验结果表明, 本系统具备很高的稳定性和鲁棒性, 对误报率、漏报率和虚警率进行了综合优化, 性能指标达到实际使用需求, 能有效的实现家居安全告警.

1 功能需求分析

由于不同的家庭用户对安全的需求不同, 所以本系统采用分立式模块化方案进行设计. 在功能需求上, 家居安全常用的检测内容有天然气泄漏、火灾、非法入侵、水管爆裂等, 告警根据需要可以分为本地、远程和公安联网三个等级. 为了方便用户进行功能选择, 系统各个模块可进行自由组合, 并由用户进行功能自主设定. 基于此, 本系统设计原则为:

(1) 以MSP430G2553单片机为核心的多路数据处理系统, 采用模块化可扩展方式解决不同用户对产品的不同需求;

(2) 应用同一标准设计多个传感器模块, 解决系统功能的可扩展性问题;

(3) 系统进入监控状态根据实际需求分级进行监控触发. 首先是系统全部监控功能触发, 通过两种方法进行: 第一种是通过装在门锁上的微动开关, 当用户反锁房门时默认触发进入全部监控模式; 第二种是手动按钮, 用户按动即进入监控状态. 其次是除非法入侵检测外的烟雾检测、燃气泄漏检测及水管爆裂检测, 在系统加电后即进入监控状态.

(4) 告警等级功能通过系统算法的优化决策和用户自主设定完成, 综合满足仅本地、仅远程及本地+远程、本地+远程+联网等分级多方式告警, 满足不同用户的安全等级需求.

2 系统硬件设计

本系统以 MSP430G2553 单片机为控制核心, 采用多传感器集成的模块化方式进行设计, 系统主要包括五个模块: MSP430G2553信号处理系统、传感器模块、键盘控制模块、液晶显示模块及告警输出模块. 组成框图如图1所示.

图1 系统框图

2.1 MSP430G2553单片机模块

MSP430G2553单片机是MSP430系列中的一种16位超低功耗单片机, 在一个芯片上集成了多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器单元. 该单片机采用精简指令集(RISC)结构, 具有丰富的寻址方式、简洁的内核指令、大量的模拟指令和寄存器, 片内集成了丰富的资源, 如看门狗、模拟比较器A、定时器A0、定时器A1、定时器B0、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-Δ ADC、DMA、I/O端口、基本定时器、实时时钟和USB, 控制器等. 采用MSP430G2553单片机为核心, 可以采用很少的片外元器件构成一个精简的信号处理系统. 为了提高研发效率, 目前有很多MSP430最小核心系统, 然后根据所设计系统的需求完善外围电路, 可以高效的实现系统研发. 本文采用德州仪器(TI)的MSP-EXP430G2 LaunchPad最小系统为核心进行系统设计, 采用的单片机为 MSP430G2553, 排插式扩展接口, 电路布局如图2所示. 实际使用时以该小板作为核心板直接固定在系统主板上, 系统主板为核心板提供电源、各类输入输出信号接口等外围设备.

图2 单片机核心电路板

2.2 传感器接口模块

本模块采用分体模式收集各个传感器获取的信号,各个传感器安装到室内各个相应的位置, 然后通过电缆将信号连接到本模块. 对于数字式传感器, 将获取的信号直接送到信号编码器, 然后送入单片机进行处理;而对于模拟传感器, 则首先对信号进行放大, 然后再进行 A/D变换成数字信号后送入编码器进行编码, 最后通过排插接入到单片机核心系统. 传感器模块中各个传感器的接口采用通用接口方式, 方便接入各种不同类型的传感器. 传感器接口模块方框图如图3所示.

本系统暂时选用四种传感器实现对四类安全问题进行告警: (1)HC-SR501热释电传感器用于检测室内非法入侵; (2)MQ-2气体传感器用于检测是否存在燃气泄漏和室内烟雾(火灾)探测; (3)FM01水流量传感器装在进户的主水管上, 用于检测某连续时间内的水流量. 各传感器的功能概述如下.

(1) HC-SR501热释电传感器

该传感器是基于红外线技术的自动控制模块, 采用 LHI778 探头设计, 灵敏度高, 可靠性强, 超低电压工作模式, 当人进入其感应范围则输出高电平, 人离开感应范围则自动延时关闭高电平, 输出低电平.同时具备感应封锁时间功能, 即当感应模块在每一次感应输出后(高电平变成低电平), 可以紧跟着设置一个封锁时间段, 在此时间段内感应器不接受任何感应信号. 该传感器自带处理电路, 为数字式传感器, 可以直接送入编码电路进行编码. 传感器形状如图4(a)所示.

(2) MQ-2气体检测器

MQ-2气体检测器为电阻式半导体传感器, 广泛应用于可燃气体探测及各种烟雾探测, 具有TTL和模拟两种信号输出方式. TTL输出为双路TTL电平, 低电平有效, 可以直接接入单片机进行处理, 模拟量输出则为0～5V电压输出, 浓度越高电压越高. 实验表明, MQ-2传感器对燃气响应良好, 为了能线性的体现出燃气泄漏程度, 在作为燃气泄漏检测时该传感器采用模拟输出, 然后经过数字化之后再送入编码电路编码. 而作为烟雾探测器时, 如果只需要检测烟雾的有无, 则直接TTL电平输出, 如果需要体现烟雾浓度,则也可以先采用模拟电压线性输出, 然后再数字化. 本文为了方便显示浓度, 因此该传感器都采用直接模拟输出后再数字化方法. 传感器如图4(b)所示.

(3) FM01水流量传感器

图3 传感器可扩展接口模块框图

FM01水流量传感器是由水阀体、叶轮组件和霍尔传感器组成, 用于水流量监控. 当水通过水流量传感器时, 霍尔传感器输出一个其频率随水流量变化而变化的脉冲信号, 输出脉冲和水流的关系为: 脉冲频率 =, 水流量 Q越大, 传感器输出频率越高. 通过对输出频率进行计数, 以及相应的单片机算法进行决策, 可以对室内水管爆裂进行监控. 水流量传感器如图4(c)所示.

2.3 键盘及控制模块

键盘用于进行系统设置和参数初始化, 采用4×4的矩阵键盘, 用于输入0～9十个数字以及相关的功能控制. 键盘采用HD7279进行控制, HD7279是一片具有串行接口的, 可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED的智能显示驱动芯片, 该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵, 单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能. 键盘模块示意图如图 4(d)所示, 采用排线的方式接入到系统功能主板. 其功能键定义为电源键、键盘和液晶背景光控制键、报警音量控制键、确定键、上下选择键以及0～9数字输入键.

图4 系统使用的传感器及键盘

2.4 液晶显示模块:

系统采用12864液晶作为显示模块, 该液晶模块是一种自带字库的图形点阵液晶显示器, 它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成, 可完成图形显示, 也可以显示8×4个(16×16点阵)汉字, 满足本系统的全部要求. 液晶与外部 CPU接口可采用串行或并行方式控制, 本系统数据通信采用串行模式, 即给 PSB脚接低电位, 使模块进入串口工作模式. 从一个完整的串口传输流程来看, 一开始先传输起始字节, 它需先接收到五个连续的“1”(同步位字符串), 再发送起始字节, 此时传输计数将被重置并且串行传输将被同步, 再跟随的两个位字符串分别指定传输方向位(RW)及寄存器选择位(RS), 最后第八位则为“0”. 在接收到同步位及RW和RS资料的启始字节后, 每一个八位的指令将被分为两个字节接收到: 较高4位(DB7～DB4)的指令资料将会被放在第一个字节的 LSB部分, 而较低 4位(DB3～DB0)的指令资料则会被放在第二个字节的LSB部分, 至于相关的另四位则都为0. 液晶模块外观示意图如图5所示.

图5 液晶显示模块

2.5 告警模块

当检测到潜在的威胁时, 本系统将采用三级告警方式进行告警, 第一级为本地声光报警, 第二级为GPRS远程短信告警, 第三级为电话联网告警. 这三级告警模式采用如下方法进行决策. 首先, 当系统检测到传感器传过来的信号并确定有威胁存在时, 将立即启动本地声光持续报警; 当报警持续10秒(这个时间用户可根据需要设定)未得到处理后, 将在持续并加大声音报警的同时启动第二级告警, 通过 GPRS模块和预设短信给设定手机号发送危险警告短信, 并根据用户设置时间延时或者同步(0延时)启动第三级电话联网报警. 报警电话由用户预设, 可以是保安室, 甚至是本地110, 通话内容为预录语音(录音电话功能),可采用专用录音控制芯片(BLR3808)外加SPI接口的NOR FLASH, 可以获得从30秒至32分钟的录音容量, 且录音信息掉电后不会丢失, 音质好, 可靠性和抗干扰性能强.

告警模块同时具有自我监控和保护功能, 由系统电源模块直接供电(包括外接电源和电池两种方式).报警功能一旦激活, 报警模块即进入自我监控模式. 当外接电源掉电时, 充电电池会自动接入供电, 同时启动本地声光报警和GPRS联网警告通知用户系统掉电. 当系统受到暴力破坏时, 告警模块通过自身震动传感器获取信息, 会立即启动GPRS紧急告警并发送特急警告信息, 同时进行联网拨号, 在受到暴力破坏前保证紧急信息发送成功. 在键盘任意三个或以上按键同时被按下时, 则系统默认出现意外情况, 直接启动紧急告警功能.

告警信号解除通过输入系统密码或长按某个预设的功能键执行. 为了提高安全等级,一般不建议设置直接长按按键取消报警.

告警模块功能示意图如图 6所示, 其中GPRS远程告警模块直接采用外接GPRS模块,通过插入数字 SIM 卡直接接入数字蜂窝网,以手机短信形式将告警信息发送到预置手机上.

图6 告警模块框图

3 系统软件设计

3.1 主程序

系统上电后自动进入初始化状态, 提醒用户输入相关初始化信息, 或者选择默认信息, 这些初始化信息包括: 系统密码设定、传感器初始化信息、告警信息、告警解除、待机画面设置和时间日期设定等. 当完成初始化并退出设置状态后, 系统除入侵检测功能外立即进入实时监控状态, 入侵检测需要用户反锁房门或者手动启动才进入监控. 当警报响起后, 用户在确定威胁排除后可输入预设密码或者长按某预设按键解除报警.

系统初始化后所有信息都将固化保存, 掉电后再上电会自动调用各类信息并进入监控状态. 系统主程序流程图如图7所示, 其执行流程如下: 系统上电后输入系统密码, 密码默认为123456. 如果首次使用系统未初始化则强迫转入执行初始化子程序; 如果已经初始化则对话框询问是否执行初始化; 如果选择是则转入初始化子程序进行相关项目的重新设置, 设置完后重新输入密码进入下一步的判定; 如果选择否则直接进入下一步, 即系统功能激活触发判定. 在激活判定中, 如果检测到门反锁信号或者手动触发激活信号, 则分别执行非法入侵判定子程序、燃气泄漏判定子程序、烟雾判定子程序和水管爆裂判定子程序,并进行循环检测; 若未检测到反锁信号和手动系统触发信号, 则不进行非法入侵判定, 只进行燃气、烟雾和水管三个信号的检测和处理, 并进行循环检测.

图7 系统主程序流程图

图8 初始化子程序流程图

3.2 各子程序流程

(1) 初始化子程序

初始化主要对开机欢迎界面、时间、日期、密码、以及各个功能界面进行初始化设定, 其流程图如图8所示. 首先进行欢迎界面的设定, 程序已经预置若干个欢迎界面, 用户选择一个即可; 然后转入时间和日期设定, 数字可以直接从键盘上输入; 再判断是否修改密码, 系统默认密码为123456, 修改后则用新密码替换掉原密码; 最后对预置的GPRS告警信息、输出录音、单键解除报警以及液晶屏待机界面进行选择, 最后保存退出再进入主程序执行.

(2) 功能检测子程序

非法入侵: 当系统启动非法入侵检测时, 持续对热释电传感器输入的信号进行监控; 当输入为低电平时, 表示传感器没有检测到入侵对象.只有当传感器输入信号持续高电平 10秒以上时,单片机才输出入侵警告信号给告警模块, 并激发告警模块进行本地声光报警; 当高电平持续超过30秒时, 输出高电平锁定, 持续并提高报警音量,同时启动 GPRS远程短信告警, 即给预置的手机发送预置短信, 并准备开始进行自动预置电话拨号. 入侵检测子程序流程图如图9所示.

其它功能子程序: 燃气、烟雾和水管水流量检测流程相同, 当单片机检测到稳定的对应传感器信号输入有效信号后, 向告警系统输出对应等级的触发信号, 告警模块收到后启动对应的各级预警, 子程序流程图略.

图9 入侵检测子程序流程图

4 实验结果及分析

本系统的实验系统各模块布局图如图 10所示. 电源模块对整机进行供电, 采用市电接入和内置充电电池双模式供电.市电供电正常情况下, 充电电池充满后进入休眠状态, 由外接市电供电运行; 当外接电源停电或者意外断电后, 系统会自动启动备用电池供电; 当供电恢复后再切换到外接电源并对电池进行充电. 传感器接口模块与传感器连接采用外接自锁式插头, 方便安装和维护. 告警模块采用防爆加强封装, 以便最大限度保证其安全.

图10 系统的部分PCB板图

根据实际情况对系统灵敏度进行多次微调后, 最终采集了多组数据进行了实验对比, 系统的预警率(系统检测到对应的目标报警率)和虚警率(系统为了保证预警率而适当提高灵敏度导致的误报)如表1所示. 从实验测试数据可知, 如果保证100%的预警率, 则会存在一定的虚警率; 如果降低虚警率, 则预警率也会存在一定降低. 通过多次对比分析后, 我们认为第二组使用数据的参数设置能使系统的预警率和虚警率达到最佳状态. 系统在第二组参数设置模式下连续工作 10天, 运行状态稳定, 可靠性和稳定性良好, 完全达到实际使用需求.

表1 系统测试数据

5 结论

本文根据一般家庭的实际需求设计了一个多传感器家居安全告警系统, 通过设置多传感器的模块化组合以及多级告警模式, 符合不同用户的不同要求, 对现代家居安全有着很好的实际效果. 系统采用模块化设计方式, 运用现代电路系统设计思想, 结构紧凑, 保证工作稳定可靠, 同时结合系统的功能要求, 采用MSP430G2553单片机作为系统主控芯片, 满足高性价比、高效率开发和功能完备三位一体要求. 特别是告警模块设计上充分考虑了现代家庭“空巢”率高的特点, 远程告警和系统自我安全监控能最大限度的保证家居安全. 通过多次实验精确微调各个报警功能的精度, 达到预警率和虚警率的最佳统一, 实验结果表明该系统的功能完备, 具有良好的工作稳定性和可靠性, 达到实际使用要求, 在家居安防上具有一定的实际使用价值.

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Design of a Multi Sensor Security Alarm System in Home Safe Based on MSP430 Chip

WU Jian-hui, YUAN Ke, TAN Meng-xia
(College of Information & Communication Engineering, Hunan Institute of Science & Technology, Yueyang, 414006, China)

A home safe surveillance system was designed based on the MSP430G2553 microcontroller and multi sensor. This system was designed with the multi modules method, and mainly includes a power control module, signal processing module, multi sensor module, keyboard control module, liquid crystal display module and an alarm output module. The sensor module using the extensible design mode, and the alarm output module using the hierarchical design mode, it is convenient for the needs of different users. According to the environment of the system's actual used, the system has a strong of its own security monitoring, such as dual power supply mode, the system vibration monitoring, the emergency alarm output, and the alarm module explosion-proof design mode. All of this can make the system security effectively, and make it send the alarm information in the first time. The experimental results show that the system has a good stability and reliability, achieve the requirement of actual use.

microcontroller; multi sensor; home safe; alarm

TP277; TH83

A

1672-5298(2014)04-0017-07

2014-09-06

湖南省教育厅青年项目基金(13B037); 湖南理工学院大学生研究性学习和创新性实验计划项目(校教通[201453号)

吴健辉(1977− ), 男, 湖南新化人, 博士, 湖南理工学院信息与通信工程学院副教授. 主要研究方向: 信号与信息处理, 模式识别