實驗室是高校教學過程的重要環(huán)節(jié),，是綜合應用型人才培養(yǎng)和教師進行科學研究的重要場所,。近年來,，隨著高校規(guī)模的擴大，各高校實驗室也得以飛速發(fā)展,，實驗室器材占高校固定資產(chǎn)的比重也越來越大,。但是，由于很多院校沒有實驗中心,，實驗室主要依附于院系而存在,，比較分散。這樣,，集中實現(xiàn)實驗室的安全維護和管理存在較大困難,。
基于上述問題，文中提出了基于GSM" title="GSM">GSM和LPC2138" title="LPC2138">LPC2138的實驗室安防系統(tǒng)" title="安防系統(tǒng)">安防系統(tǒng)的設計,。系統(tǒng)采用32位ARM系列單片機LPC2138作為主控芯片,，通過各種傳感器采集實驗室信息,，如有危害實驗室安全的因素出現(xiàn)，通過GSM模塊發(fā)送短消息給監(jiān)控中心或者實驗室管理員,，及時對實驗室進行維護,，從而提高了實驗室安全運轉(zhuǎn)的可靠性。
1 系統(tǒng)總體結構
系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示,。系統(tǒng)由控制模塊,、信息采集模塊、報警模塊三部分組成,。
控制模塊由單片機芯片,、LCD顯示、按鍵控制和電源電路組成,?？刂颇K主要控制協(xié)調(diào)系統(tǒng)的正常工作，單片機芯片將傳感器送來信息進行處理,、識別,，并將關鍵信息在LCD顯示屏上顯示出來；用戶可通過按鍵控制和LCD顯示查看實驗室當前狀態(tài),，可以進行手動布防和撤防操作,，使用方便靈活。
信息采集模塊由各類傳感器及信號處理電路組成,，主要功能是采集實驗室的環(huán)境信息和安全信息,。傳感信號經(jīng)信號處理電路處理后送主控模塊進行處理。
報警模塊由聲光報警和GSM模塊組成,，在接收到危害實驗室的信息時,，按照預先設定的警情處理模式，開啟相應的報警方式,。
2 系統(tǒng)硬件電路設計
2.1 主控模塊硬件電路設計
主控模塊主要由單片機最小系統(tǒng),、按鍵控制電路和LCD顯示電路組成。
單片機采用菲利普公司的LPC2138,，這是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7 TDMI-STMCPU的微控制器,，帶有512kB的嵌入的高速Flash存儲器，128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行,。它對代碼規(guī)模有嚴格控制的應用,，使其可用16位的Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能損失卻很小,。
按鍵控制和LCD顯示硬件電路如圖2所示,。按鍵控制電路提供了4個獨立按鍵，每個按鍵都具有復合功能,。用戶可通過4個按鍵和LCD顯示屏方便地查看安防系統(tǒng)當前狀態(tài)和歷史警情信息,，可以選擇合適的安防模式,，而且還可以通過按鍵實現(xiàn)實驗室的布防和撤防。
2.2 信息采集模塊硬件電路設計
該模塊硬件電路主要由各類傳感器和信號處理電路組成,，可大體分為兩部分,。一部分采集實驗室環(huán)境信息，包括溫度傳感器和濕度傳感器,。而剩余的傳感器則采集實驗室安全信息,，如盜警和火警。
溫度和濕度的采集采用集成化的傳感器,，無需處理電路,，可以直接讀取實時的溫度、濕度信息,。
煙霧傳感器是用來探測室內(nèi)氣體中的煙霧的,，在系統(tǒng)中，用于火災報警,。煙霧傳感信號處理電路原理圖如圖3所示,。煙霧傳感器一般安裝于房間的天花板上，采用散射式光感煙器件做煙霧傳感器CA3302B,。J1的1,、4引腳連接傳感器的內(nèi)部光源，2,、3引腳連接傳感器的光敏元件,。正常狀態(tài)下J1的2引腳為高電平，也就是IC2A的2腳是高電平,，由于IC1A的1腳是高電平,，所以輸出低電平，然后經(jīng)IC2B反向輸出高電平,；當煙霧進入傳感器的暗室時,，光線散射照在光敏元件上，其電阻率降低,，IC2A的第2引腳變成低電平,，其輸出高電平,，經(jīng)IC2B反向,，最后輸出低電平。單片機可以通過檢測IC2B的輸出判斷是否有煙霧報警即火災報警,。
熱釋電紅外傳感器是檢測實驗室中是否有人員活動的,，即屬于防盜報警。文中應用Hamamatsu Corp公司的產(chǎn)品P228,。信號處理電路原理圖如圖4所示,。P2288的1腳為電源引腳接+5V電源,，2腳為輸出引腳，3腳接地,，有效探測范圍在7m左右,。在正常狀態(tài)下，若沒有人員的活動,，P2288的2腳沒有輸出,，處理電路的輸出端口保持低電平；若在其探測范圍內(nèi)有人員的活動,，則P2288的輸出引腳就輸出一個微弱的電流,，經(jīng)R1轉(zhuǎn)化成電壓值加在一個單管共射放大電路的輸入端，經(jīng)放大后送至LM324組成的比較器,，產(chǎn)生一個高電平輸出,。
當有人打破玻璃時，玻璃破碎傳感器受到機械振動,，會給出一個信號,，這信號經(jīng)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。
2.3 報警模塊硬件電路設計
聲光報警采用帶警燈的報警器,，由單片機控制的繼電器控制報警器的工作電源,。
GSM通信模塊采用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(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù),、語音傳輸、短消息服務和傳真,。模塊的工作電壓為3.3～5.5V,，可以工作在900MHz和1800MHz兩個頻段，所在頻段功耗分別為2W(900M)和1W(1800M),。模塊有AT命令集接口,，支持PDU模式的短消息。TC35和LPC2138之間通過UART連接,。
3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件設計時,，采用模塊化設計，程序流程圖如圖5所示,。根據(jù)系統(tǒng)不同的功能模塊,，設計相應的子程序。具體講可分為主程序和GS-MS通信、按鍵控制,、LCD顯示三個子程序組成,。
主程序包括設備的初始化、數(shù)據(jù)的采集,、信息處理和相關子程序的調(diào)用,。數(shù)據(jù)采集時，將紅外和煙霧傳感器的信號設為外部中斷,，火警中斷優(yōu)先級高于盜警中斷,。而對于玻璃破碎傳感器、門磁和窗磁,、溫度和濕度傳感器的信號進行輪詢檢測,、采集。信息處理對采集到的信息進行處理,，識別報警信息,，按照安防狀態(tài)選擇合適的報警模式，并將當前實驗室安全狀態(tài)送LCD顯示,。
火警和盜警的處理除了啟動聲光報警外,，還需通過GSM通信模塊發(fā)出短消息通知實驗室管理和維護人員。系統(tǒng)采用的TC35通信模塊,，支持PDU消息模式,。根據(jù)系統(tǒng)的通信協(xié)議信息的發(fā)送是以發(fā)送數(shù)據(jù)幀為主要方式，一個完整的數(shù)據(jù)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,。采用PDU模式時,，一個數(shù)據(jù)幀能夠包含140個字節(jié)(70個漢字)的數(shù)據(jù)量，中文字符按照UNICODE進行編碼,。發(fā)送數(shù)據(jù)時其格式為：服務中心地址/PDU類型/接收主地址/協(xié)議識別碼/數(shù)據(jù)譯碼方案/有效周期/用戶數(shù)據(jù)長度/用戶數(shù)據(jù),；接收數(shù)據(jù)時其格式為：服務中心地址/PDU類型發(fā)信方地址/協(xié)議識別碼/數(shù)據(jù)譯碼方案/服務中心收到消息的時間/用戶數(shù)據(jù)長度/用戶數(shù)據(jù)。在軟件設計時根據(jù)PDU數(shù)據(jù)格式編寫相應的AT命令,，即可實現(xiàn)短信息的收發(fā),。
按鍵控制子程序設為中斷服務子程序，按鍵中斷的優(yōu)先級低于火警,、盜警的優(yōu)先級,。它可以實現(xiàn)查詢和設置兩大功能。查詢主要查詢系統(tǒng)當前信息和歷史告警信息：設置功能除了進行實驗室的布防和撤防外,，還可設置不同的防范狀態(tài),。依據(jù)學校工作的特點，可將安防模式設為學期模式和假期模式,，在這兩種模式下安防等級相同,，不同的是報警的方式。學期模式下警情信息主要交由實驗室管理員處理,；而在學校寒暑假期間,，則采用假期模式，警情信息由學校安保處值班人員處理,。
4 結束語
本系統(tǒng)利用GSM無線網(wǎng)絡實現(xiàn)對分散實驗室的集中監(jiān)控及管理,，能實時監(jiān)控實驗室的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)警情以便于快速排除,，對實驗室進行維護,，實現(xiàn)了高校實驗室集成化、智能化,、網(wǎng)絡化監(jiān)控,，節(jié)約人力資源，提高了高校實驗室安全運轉(zhuǎn)的可靠性,，使實驗室平穩(wěn)發(fā)揮自身職能,。