摘要：基于MSP430單片機的智能安防系統能夠實時監測并統計人員及貴重物品進出和防火安全情況，能根據安全情況設置聲光報警，在險情發生時發送短信及時通知安防人員，避免或降低財產損失，保障人員安全。系統基于低功耗單片機MSP430，采用C/S (Client/Server)結構，使用無線傳輸技術進行組網，每個采集終端監控安防信息并通過無線方式發送至總控制平臺，方便管理人員實時了解安防情況。該設計可滿足家庭、倉庫、宿舍等環境的安防需要。

　　關鍵詞：中文核心期刊,MSP430單片機,安防,實時監測,C/S結構,無線通信

　　1 概述

　　隨著經濟發展，人們生活得到改善，同時對人身安全和財產安全也越來越重視。在成本可以接受的情況下，如何利用現代科技提供一個安全的生活環境，成為了越來越多研究人員的關注點[1]。基于MSP430單片機的智能安防系統可以監測人員、貴重物品的進出，在險情發生時及時發出報警信息，起到防盜竊的作用;另外，系統還可監測室內的煙霧濃度、煤氣濃度，在存在火災風險的情況下及時報警，起到防火的作用。本系統在具備防火防盜功能的同時，具備報警實時性強，穩定性高，功耗小，可按需剪裁等特點。

　　2 系統方案設計思路

　　智能安防系統在總控制平臺的協調調度下，實現對各個房間終端安防情況的實時監控。其中，由MSP430F149單片機、無線收發模塊及顯示模塊等組成的總控制平臺實時監控各終端防盜防火情況，及時響應與辨別來自不同終端的報警信號，并及時處理相應信號，在第一時間通過液晶顯示模塊，以及利用GSM模塊以短信方式及時通知給相關人員，確保生命財產安全，總控制平臺結構如圖 1所示。

　　在各個終端中，系統主要實現的是對各個房間的人數統計、人體檢測、煙霧檢測、煤氣檢測及聲光報警，利用矩陣鍵盤以輸入密碼方式完成報警系統的解警，通過無線通訊方式實現異地監控，對房間內人員的進出情況及人數進行詳細統計，在房間無人時提示鎖門，并啟動防盜程序，對于非法進入室內(如從窗戶進入室內)的人進行檢測并進行報警，同時能夠對室內的貴重物品的進出進行監控，終端結構如圖2所示。

　　3 硬件設計

　　3.1 控制器選型

　　系統主要采用電池供電工作方式，對系統功耗有要求，因此系統的主控芯片采用美國德州儀器TI的MSP430系列單片機。TI公司的MSP430系列單片機是一種16位超低功耗的混合信號處理器，采用了精簡指令集(RISC)結構，簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令，還有高效的查表處理指令，較高的處理速度，且中斷源較多，并且可以任意嵌套[2]。由于系統對通用輸入輸出端口(GPIO)需求數量較大，所以選擇具有56個GPIO的 MSP430F149單片機作為主控芯片。MSP430F149單片機電路如圖3所示。

　　3.2 無線模塊

　　本方案的總控制平臺與終端系統進行通訊的無線通信模塊選用nRF24L01。nRF24L01是一款工作在2.4GHz～2.5GHz世界通用的ISM頻段的單片無線收發器芯片，其成本較其它同性能的RF射頻芯片低。nRF24L01具有自動應答及自動重發功能，具有地址及CRC檢驗功能，通過SPI總線接口通信，數據傳輸率能夠達到2Mbps[3]，其在接收模式下可以接收多路不同通道的數據，即可以與多個設置為發送模式的nRF24L01進行通訊，適合高速、信息傳輸量大的通訊系統中，被廣泛應用于安防系統及無線數據通訊領域。同時，nRF24L01具有較低的電流消耗，與低功耗的MSP430系列單片機結合有很好的低功耗優勢，適合電池供電系統。

　　3.3 人員檢測模塊

　　人員檢測包括兩部分，一部分是檢測人員進出情況，進而可計算室內人數;另一部分是在室內人數為零時，檢測非法闖入室內的人員。

　　檢測人員進出情況的傳感器選用紅外光電開關，每個采集終端使用兩對紅外光電開關可有效對人員進出情況進行檢測，進而可精確計算室內人數。檢測非法入室人員采用紅外熱釋電傳感器，紅外熱釋電感應方式主要有主動式和被動式[4]。主動紅外探測器通過接收反射回來的特定波長的紅外線來識別是否有人接近，具有防范距離遠的優點，但成本相對較高，一般多應用在周界防范。被動式紅外探測器采用熱釋電感應元件，能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線。相對于主動式紅外探測器，被動式紅外探測器成本低，電路結構簡單，靈敏度高，可控制范圍大，更易于設計和實現。因此選擇被動式紅外報警。

　　3.4 其他模塊

　　在貴重物品的監控中，采用低成本、低頻率、低速率的無線收發模塊CC1100無線模塊。調整無線收發模塊的發射和接收范圍使其在室內有效。當所監控的貴重物品處于室內時，相應接收模塊能夠接收到置于貴重物品上的發射模塊的信號，不會產生報警;當所監控的貴重物品離開有效范圍時，相應接收模塊無法接收到指定信號而產生報警，從而實現貴重物品的檢測功能。

　　煤氣傳感器可在煤氣泄漏時及時發現并通知處理器，煙霧傳感器可在火災發生時及時響應，二者可選用高靈敏度的MQ系列傳感器[5]。MQ-9可采集煤氣中一氧化碳濃度，并將其轉化成電壓信號;MQ-2可以采集空氣中煙霧和液化氣濃度，并將其轉化為電壓信號。這些電壓信號經過運算放大器OP07[6]放大后接到MCU的ADC接口[7]，根據放大器輸出的電平值，即可判斷煤氣和煙霧濃度。

　　4 軟件設計

　　該系統軟件設計采用C/S (Client/Server)結構，包括兩個部分：總控制平臺軟件設計和終端部分軟件設計。

　　4.1 總控制平臺軟件設計

　　智能安防系統總控制平臺完成對各個終端系統的監控[8]。總控制平臺與各個終端進行通信，處理來自終端的報警信息并將報警信息在液晶屏上顯示出來，通過 GSM模塊以短息方式將報警信息發送給相關人員。智能安防系統總控制平臺軟件設計流程如圖4所示。 　　4.2 終端部分軟件設計

　　終端在 MSP430F149單片機的控制下，處理紅外熱釋電模塊的報警信號，煙霧報警模塊、一氧化碳報警模塊的報警信號和室內貴重物品監控的報警信號，并監測進出人數;在接收到相應報警信號時發出聲光報警進行提示和警告。同時利用無線收發模塊向智能安防系統總控制平臺發出相應的報警信息。

　　根據終端的功能，完成系統軟件的設計。部分函數分析如下：

　　void init_system(void);實現終端的初始化功能;

　　void infrared_alarm(void);實現紅外熱釋電報警的判斷及處理功能;

　　void smoke_alarm(void);實現煙霧報警的判斷與處理功能;

　　void gas_alarm(void);實現煤氣報警的判斷與處理功能;

　　void valuables_alarm(void);實現貴重物品報警的判斷與處理功能;

　　void counter(void);實現進出人員數目的統計功能。

　　智能安防系統終端部分的軟件設計流程如圖5所示。

　　5 測試與分析

　　5.1 煙霧報警靈敏度的測試

　　向煙霧傳感器內連續吹煙，使用單片機內部定時器計算其聲光報警延遲時間。結果如表1所示。出現差別跟煙霧濃度及其他隨機條件有關。

　　表1 煙霧檢測測試數據

　　[次序&聲光報警延遲時間&收到短信延遲時間&1&1.7s&4.3s&2&1.5s&3.5s&3&1.1s&4.2s&4&1.4s&3.7s&]

　　5.2 熱釋電紅外檢測系統靈敏度的測試

　　模擬室內人數為零的條件下，在熱釋電的有效扇區內走動，數據如表2所示。出現的差別與檢測的角度及移動速度有關，在輸入密碼后，報警停止。

　　5.3 其他測試

　　煤氣報警的實驗數據與煙霧報警實驗結果相似，均可滿足安防系統對實時報警的要求;將終端設備放置在室內，距離門大約10米，在將模擬貴重物品拿出室外5 米左右時終端設備發出報警信號，總控制平臺的液晶屏顯示出相應報警信息;模擬人員進出房間，系統可以準確計數，且在最后一人離開時，聲音提示鎖門。

　　6 總結

　　基于MSP430單片機的智能安防系統具備監測室內煙霧濃度、煤氣濃度、人員數目、貴重物品是否被盜等功能，在險情發生時可以將情況實時發出聲光報警信號并短信通知相關人員，很好地起到了防火防盜作用。本設計各模塊接口方便，可根據需要定制系統功能，用戶界面友好。測試結果顯示，系統在功能和性能上滿足實際應用需要。

　　參考文獻：

　　[1] 褚欣媛.基于ZigBee的智能家居安防系統[D].太原：太原理工大學，2013.

　　[2] 沈建華.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

　　[3] 李大江，崔建明.一種基于FPGA的可配置SPI Master接口設計實現[J].電子技術應用，2012(10)

　　[4] 宋耀華，王梅霞.基于物聯網技術的宿舍安防系統設計[J].機械與電子，2013，(5)：75-78.

　　[5] 鄭哲，許岳兵，姜潔，鄒敏.基于GSM的家用煤氣智能監控系統[J].電子世界，2012，3：5-6.