崔吉1,，張燕超2,趙軍1

　?。?.中國礦業(yè)大學(xué) 徐海學(xué)院，江蘇 徐州 221000； 2.中國石油天然氣管道第二工程公司,，江蘇 徐州 221000）

　　摘要：為了解決目前開放實(shí)驗(yàn)室管理存在的問題,，研制了一個(gè)以STM32為控制核心的智能監(jiān)控系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì),，并通過實(shí)際測(cè)試,。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)和火災(zāi)預(yù)警、頭像信息采集記錄,、射頻卡門禁系統(tǒng),、單片機(jī)與手機(jī)之間信息通信、利用動(dòng)態(tài)密碼進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室及相關(guān)信息在觸摸屏上顯示,。該智能監(jiān)控系統(tǒng)新穎實(shí)用,，能有效提高實(shí)驗(yàn)室管理。

　　關(guān)鍵詞：智能監(jiān)控系統(tǒng),；GSM,；傳感器；觸摸屏,；模塊化設(shè)計(jì)

0引言

　　為了培養(yǎng)在校大學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力,，許多高校實(shí)驗(yàn)室已開放使用，參考文獻(xiàn)［1］介紹了一種開放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),，借助刷卡機(jī),、管理機(jī)、服務(wù)器和校園網(wǎng)絡(luò)的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng),，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，因材施教,。參考文獻(xiàn)［2］介紹了一種利用構(gòu)件和基于Agent的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室在無管理員的狀態(tài)下對(duì)使用人員和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的監(jiān)控和記錄,，便于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維護(hù)和實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)對(duì)實(shí)驗(yàn)課程開課安排。參考文獻(xiàn)［3］利用PLC和STM32的智能實(shí)驗(yàn)室SCADA系統(tǒng)來監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室環(huán)境,。目前高校開放一些實(shí)驗(yàn)室供學(xué)生使用,，本文針對(duì)開放實(shí)驗(yàn)室管理中存在的諸多問題，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)室智能監(jiān)控系統(tǒng),。

1智能監(jiān)控系統(tǒng)概述

　　實(shí)驗(yàn)室智能監(jiān)控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳輸與處理和圖像監(jiān)控與存儲(chǔ)兩個(gè)方面,。根據(jù)硬件不同，本系統(tǒng)分成4個(gè)子系統(tǒng)：門禁系統(tǒng),、GSM系統(tǒng),、圖像采集系統(tǒng)、煙霧感應(yīng)系統(tǒng),。門禁系統(tǒng)采用射頻卡和動(dòng)態(tài)密碼兩種方式進(jìn)行身份認(rèn)證和開鎖,，負(fù)責(zé)校園卡的識(shí)別與認(rèn)證，GSM系統(tǒng)發(fā)送隨機(jī)密碼到實(shí)驗(yàn)室管理員手機(jī),。圖像采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的人員進(jìn)行圖像采集和備份,。煙霧感應(yīng)系統(tǒng)時(shí)刻監(jiān)視實(shí)驗(yàn)室內(nèi)是否有火災(zāi)發(fā)生,。通過微處理器完成整體控制功能，利用總線及串口通信傳輸信息,。高校實(shí)驗(yàn)室智能監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。主控制板和從控制板聯(lián)系在一起，完成了整個(gè)系統(tǒng)的功能,。單片機(jī)芯片處理傳感器檢測(cè)的信息,，并將處理后的內(nèi)容在TFT顯示屏上顯示。圖1智能監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖用戶可通過TFT觸摸屏來選擇查看實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前狀態(tài),。

2智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)

　　本系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由單片機(jī)芯片,、TFT屏顯示、按鍵,、門禁,、GSM和攝像頭組成。單片機(jī)分為主控制器和從控制器,。主控制器主要連接煙霧傳感器,、RFID門禁卡、DS18B20,、GSM模塊,。從控制器連接OV7670、紅外傳感器,、SD卡,。主、從控制器之間相互連接且分別連接一個(gè)TFT屏,。

　　2.1微處理器

　　本系統(tǒng)所用外設(shè)較多,，選用了雙控制芯片［4］的模式，分為主,、從控制器,，芯片為STM32F103RBT6。STM32F103RBT6單片機(jī)共有64個(gè)引腳,，需要合理分配,。主控制器由STM32處理器及其外圍電路（TFT屏、運(yùn)行指示燈,、電源穩(wěn)壓）組成,；從控制器由STM32處理器及其外圍電路（TFT屏、運(yùn)行指示燈,、電源穩(wěn)壓,、SD卡）組成,主控制器電路如圖2所示，從控制器與其類似，在此不再詳述,?！?/p>

　　SIM300是一款雙頻高度集成的GSM模塊，具有性能穩(wěn)定,、功耗低的特點(diǎn),。主控制器產(chǎn)生動(dòng)態(tài)密碼，SIM300將密碼以短信的方式發(fā)送至管理員手機(jī),，通過索取密碼,、按鍵輸入實(shí)現(xiàn)無鑰匙進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室［5］。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了SIM300自動(dòng)開機(jī)電路,，開機(jī)引腳為第34腳,，電容為330 μF/16 V。使用SIM300的RXD和TXD與單片機(jī)模擬的全串口相連,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和指令的發(fā)送,，部分原理圖如圖3所示。

　　2.3TFT真彩2.8英寸觸摸屏顯示模塊

　　本系統(tǒng)使用的是TFT液晶屏,，由ILI9320驅(qū)動(dòng),，采用16 bit的并行方式與外部連接。該模塊功耗低,支持8 bit,、16 bit總線接口,模擬I/O控制,，彩屏模塊上配置ADS7843觸摸控制器,支持一個(gè)SD卡（SPI方式），支持一個(gè)SPI的Data Flash,構(gòu)成人機(jī)交互圖形界面,。設(shè)計(jì)時(shí)TFTLCD模塊的RST信號(hào)線與STM32的復(fù)位腳是直接相連的,，雖無法通過軟件方式進(jìn)行復(fù)位控制，但可以有效節(jié)約芯片上的引腳,。TFTLCD的背光是由專門一個(gè)的引腳進(jìn)行控制的,。因此總共需要21個(gè)I/O口。

　　2.4攝像頭模塊

　　本系統(tǒng)選用的攝像頭型號(hào)為OV7670,，CMOS圖像傳感器,，整體尺寸較小,，供電電壓低,，能實(shí)現(xiàn)單盤VGA攝像頭和影像處理器的功能。由紅外檢測(cè)傳感器觸發(fā)攝像頭模塊工作,，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室門打開時(shí),，人體紅外感應(yīng)器一旦感應(yīng)到有人員進(jìn)入就會(huì)啟動(dòng)攝像頭自動(dòng)拍照并將進(jìn)入者的照片保存在SD卡上［68］。OV7670與FIFO相連,，數(shù)據(jù)保存在FIFO中,，從控制器與FIFO引腳相連。OV7670模塊自帶了12 MHz的有源晶振、穩(wěn)壓芯片和FIFO芯片,，整個(gè)模塊與外部的連接是通過2X9雙排實(shí)現(xiàn)的,，其控制原理如圖4所示。

　　2.5室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)

　　溫度傳感器DS18B20［9］通過單總線的模式與STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，轉(zhuǎn)換成溫度顯示在TFT屏上,。煙霧傳感器MQ2感應(yīng)到室內(nèi)煙霧濃度過高時(shí)，會(huì)自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信息到管理員手機(jī)上,。

　　2.6RFIDMFRC522

　　MFRC522是一款基于13.56 MHz無線通信的集成度較高的讀卡芯片,，擁有安全且穩(wěn)定的秘鑰存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ) Crypto1 秘鑰組,。門禁鎖通過SPI與主控制器通信,，MFRC522［1011］識(shí)別已被錄入系統(tǒng)內(nèi)的校園卡或其他IC卡，通過SPI將數(shù)據(jù)傳入主控制器,TFT觸摸屏顯示校園卡卡號(hào),，主控制器進(jìn)行卡號(hào)比對(duì)處理后將結(jié)果顯示在TFT屏上,，驗(yàn)證通過即可進(jìn)入。本系統(tǒng)是通過SPI的方式與MFRC522相連接的,，為其提供3.3 V的電壓,，外接天線實(shí)現(xiàn)讀卡器與卡片的通信，如圖5所示,。

　　實(shí)驗(yàn)室智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件可分為主,、從控制器、攝像頭以及門禁密碼鎖3個(gè)部分,，主要由底層驅(qū)動(dòng)程序,、系統(tǒng)主程序、顯示子程序,、串口通信子程序及GSM子程序等部分［12-15］組成,。編程語言采用 C 語言進(jìn)行編寫。

　　當(dāng)系統(tǒng)上電后,，主,、從控制器STM32F103RBT6開始進(jìn)行工作，首先需要對(duì)其內(nèi)部資源及外圍模塊進(jìn)行初始化,，包括對(duì)系統(tǒng)的時(shí)鐘,、GPIO管腳、中斷向量,、定時(shí)器以及串口等進(jìn)行初始化,。然后從EEPROM中讀取傳感器上下限閾值等固有參數(shù)。之后主控制器通過串口發(fā)送AT命令到GSM模塊對(duì)其進(jìn)行初始化,，當(dāng)初始化成功之后,，就會(huì)進(jìn)入主控制的顯示界面,，然后一直停留在GSM初始化的界面。鑒于篇幅原因,，再此就不再詳細(xì)介紹各模塊程序,。

4系統(tǒng)測(cè)試

　　本智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)物模型如圖6所示。在此基礎(chǔ)上,，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下分別對(duì)主,、從控制板、觸摸屏模塊,、DS18B圖6智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件實(shí)物圖20顯示,、MFRC52等性能進(jìn)行測(cè)試，從其測(cè)試效果來看,，液晶屏上能顯示當(dāng)時(shí)測(cè)試溫度,，

　　則對(duì)比了18B20傳感器的測(cè)量精度；本系統(tǒng)讀卡模塊和顯示模塊正常,，而且程序能正確識(shí)別IC卡,；通過SIM模塊測(cè)試，能發(fā)送動(dòng)態(tài)驗(yàn)證密碼來開啟門禁系統(tǒng),。從測(cè)試結(jié)果來看,，系統(tǒng)硬件運(yùn)行良好，從而進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性,。

5結(jié)論

　　本論文設(shè)計(jì)了一種以STM32F103RBT6為處理器且簡(jiǎn)單易行,、造價(jià)低廉的實(shí)驗(yàn)室智能監(jiān)控系統(tǒng)，并且完成主要功能模塊選型以及軟件設(shè)計(jì)和程序調(diào)試,，實(shí)現(xiàn)通過采用手機(jī)短信,、刷卡方式的門禁系統(tǒng)以及圖像采集、火災(zāi)報(bào)警等功能,。今后將在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上對(duì)模塊進(jìn)行整合,，在減小系統(tǒng)的體積及功能完善等方面做進(jìn)一步工作。

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