基于RS-485总线的宿舍防盗报警系统设计

    如今在学校的寝室里，学生贵重物品被盗、由于学生过失而引起着火等事故时有发生，这些都是一直以来困扰着学生、学工以及学校保卫处的“大问题”。传统的防范措施存在很大的弊端，比如当事故发生时，防护铁门、铁栏杆就会成为主人逃生的最大障碍。而采用智能防火防盗报警系统，便能很好地解决此类问题了。但是市场上防火防盗系统价格对大学生来讲过高，本系统便是针对大学宿舍，从低成本的角度来设计制作的。 
    1系统组成及工作原理 
    本系统通过一个监控室和两个宿舍来模拟，通过RS485总线来实现通信。考虑到现实中监控室要能监控整栋宿舍楼，因此采用功能强大的ARM7芯片LPC2103作为主机控制芯片，从机采用价格低廉的51系列单片机作为控制芯片。宿舍中采用热释电传感器对人体进行检测，烟雾传感器实现烟火检测，红外传感器实现对宿舍进出人员数量的检测，主机通过RS485总线对从机实时监控，当有异常出现时，宿舍和监控室的报警装置会同时响起，只有本宿舍成员在本宿舍通过输入从机的密码才可解除报警状态。 
    2硬件电路设计及相关理论分析 
    防火防盗智能报警系统硬件主要由七大部分组成：主机部分处理器电路，从机部分处理器电路，传感器检测电路部分，声光报警电路，RS485总线接口电路，键盘接口电路及显示电路。
    2.1传感器检测及声光报警电路
    传感器模块由热释电传感器、烟雾传感器MQ211和红外传感器组成。
    烟雾传感器的内部电阻是随着烟雾的浓度的变化而变化，因此要将其转化为变化的电压信号，在此通过电压比较器LM339和几个相应的分压电阻构成，具体电路设计如图2所示。在通电状态下测得传感器的内阻是130kΩ左右，在烟雾较浓时内阻为6kΩ左右，在无烟时比较器的负端输入为2.5V左右，正端为1.2V左右，有烟雾时负端为2.5V，正端为3～5V，此电路能很好地实现电平的转换。热释电红外传感器采用RE200B和信号处理元件BISS0001及少量外接元件组成。
    红外传感器电路由红外发射二极管及1838B组成，用单片机来检测两个传感器低电平的先后顺序来判断人的进出情况。其原理如图4所示。声光报警模块由蜂鸣器、（红，绿）发光二极管和NPN型三极管驱动电路组成。   
    2.2RS485通信电路
    本模块采用用于RS485与RS422通信的低功耗、限摆率收发器MAX485。MAX485的驱动器摆率不受限制，可以实现最高2.5Mb／s的传输速率。
    3.软件程序设计 
    该系统软件部分主要完成了系统及各个模块初始化、警情信号检测（火警／盗情）、系统设置、RS485总线协议及声光报警的程序设计。 
    4.通信协议 
    在RS485总线通信系统中，由于供电、空间噪声以及传输路径等因素的影响，数据传播过程中很容易受到干扰或者信号衰减，造成通信失败，因而需要设计一种传输协议，保证在这种不可靠的物理链路上建立起可靠的数据连接。本系统中，数据采集器与监控室主机是一个简单的多点对一点通信。
    4.1波特率设置及通信方式的选择
    考虑到RS485总线自身的特点并兼顾到数据通信的速度和稳定性，波特率选择2400b／s，这样可以传输更远的距离。由于通信是多对一的关系，串口选择工作方式3。
    4.2数据校验方式的确定
    使用RS485总线通信技术传输数据时，很容易遇上干扰，使传输数据发生改变，从而导致传输错误。考虑到系统的实际要求，本设计采用8位的CRC（循环冗余校验）校验方式。
    CRC校验和的计算是一种循环计算。从数学角度看，CRC校验和是用生成多项式（算法规则）去除一个多项式（由数据块表示），CRC校验为相除后所得的余项。CRC校验是对要传送的一个数据块附加一些校验位，这些校验位（CRC校验位）由该数据块算出，并随同数据块一并传送。在接收端，对收到的数据块重新按规定的算法计算CRC校验和，从而可以判别数据传输过程是否出错。
    4.3通信数据的编码
    为保证数据传输的可靠性和准确性，本设计采用的数据帧格式如表1所示。其中，前2个字节为起始同步信号，地址码占用1个字节（0～255），用它来标示不同床位号；待发数据包括：烟雾传感器信号（1B）、红外传感器信号（1B）、热释电传感器信号（1B）和采集时间（7B）；校验码为8位的CRC校验码。传输顺序为：烟雾传感器信号、红外传感器信号、热释电传感器信号（高位在前，低位在后）、采集时间（依次为：秒、分、小时、日、月、年）；当发送应答命令时，待发数据为2B的0xCC或者0xBB。
    4.4RS485的通信协议
    本系统的RS485总线通信采用轮询的方法。主机向RS485总线上发送各个从机的地址，对各个从机依次询问查看从机部分是否有警报。如果某从机有警报，就会通过RS485总线发送指令报告给主机，然后主机和该从机通信，从机发送数据包，主机接受并解析该数据包，并作出相应处理。主机会不断的查询各个从机的状况，做到实时监控。 
    5系统测试与结果分析 
    本系统经测试，传感器性能稳定，热释电传感器检测距离能达到5～8m，烟雾传感器能够很好地实现防火功能；红外传感器很灵敏，可以有效地检测出人员的进出情况；RS485总线能够很好地实现主机与从机之间的通信，做到实时监控。各个模块能够很好地链接在一起，有较高的稳定性。经过多次调试，该系统实现了设计要求。整体效果令人满意。