校园电子巡更系统设计

李 坤，孙运强，姚爱琴

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051;2.中北大学信息与通信工程学院，山西太原030051)

0 引言

随着经济的发展，人们对安全防范的要求也越来越高。安防行业迅速发展，其应用范围也在不断扩大，在智能化楼宇和智能化小区相继热潮之后，又一个新兴的领域—校园的智能安全管理系统的建设在各地也相继掀起了热潮［1］。学校是人口密集区，场地分散、管理人员少，而且学生生性好动、防范意识差。不法分子潜入校园进行盗窃、抢劫、以及校园暴力事件时有发生，而保安在校园安全维护方面起着举足轻重的作用，巡更保安必须尽职尽责，以减少校园犯罪事件的发生，对保安系统的规范化管理则显得意义重大，在这种情况下，校园电子巡更系统应运而生。

校园电子巡更系统应用美国的GPS全球卫星定位系统、GIS系统结合现代通信技术，存储保安的巡更时间、巡更路线的地理数据，能够在控制终端重现巡更轨迹，并能够在遇到突发事件的时候及时向控制中心发出警报信号。

1 总体设计

校园电子巡更系统主要包括两部分:手持巡更仪部分利用GPS卫星定位模块接收GPS卫星数据，通过单片机提取时间、经度、纬度等有用数据并对得到的有用数据进行存储和控制，而且在出现紧急突发事件的时候，巡更人员能够通过无线收发模块向控制终端发送携带巡更人员地理位置数据的警报信息。控制终端部分主要由控制界面和具体的校园电子地图组成，巡更人员需要把每天的巡更数据通过串口传送给上位PC机，以便重现巡更人员的巡更轨迹。系统总体框图如图1。

图1 系统总体框图

2 巡更仪电路设计

电路主要包括:Atmega16L单片机控制电路、GPS接收电路、数据存储电路、无线传输电路、电源管理电路。电路结构如图2。

图2 电路结构

2.1 核心控制部分

处理核心选用8位低功耗微控制器ATmega16L，具有片内16 K字节的程序存储器，1 K字节的数据存储器和512字节的E2PROM。它具有32个通用I/O口线、32个通用工作寄存器、实时时钟RTC、1个USART、8通道10位ADC、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行端口、与IEEE 1149.1规范兼容的JTAG测试接口，此接口同时还可以用于片上调试，以及六种可以通过软件选择的省电模式［8］。其中使用了PD0(RXD)引脚接受Leadtek 9548GPS传送的GPS数据，并对数据进行处理，考虑到单片机内部的flash存储空间较小，可利用ATmega16L的PA组口进行存储扩展，这里使用的是K9F3208并口数据存储芯片。可以通过两种方式向上位PC机传送数据，一是通过ATmega16L的串口外接MAX232芯片，辅助外围电路，通过PC机的RS232通用串行接口传输，二是通过ATmega16L的SPI接口外接NRF905无线收发模块向控制中心传输数据，这种传输功耗较大，只在出现突发情况的时候采用这种传输方式。ATmega16L模块控制电路如图3。

图3 ATmega16L模块控制电路

2.2 GPS定位部分

GPS卫星定位部分由Leadtek 9548GPS核心模块，辅助以外围电路组成。Leadtek 9548GPS模块核心采用美国瑟孚公司设计的SIRFStarIII低耗电量卫星定位接收晶片，有20个通道，能够确保最高的接收灵敏度;内部有可充电电池，可以保存星历数据，便于快速定位;标准的MMCX天线接口，便于连接GPS天线;标准NMEA0183信号输出;工作电压低(3.3～5.0 V直流)，工作电流小(49 mA)，接收灵敏度为－159 dBm;TTL电平数据输出，每秒一次GPS全数据;支持多种串口通讯波特率，标准设定为 4 800 bps。Leadtek 9548GPS电路图如图4。

图4 Leadtek9548GPS电路图

2.3 无线部分

无线传输部分以无线收发模块NRF905为核心。该模块使用433 M开放ISM频段，最高工作速率50 kbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，内置硬件CRC检错，最大发射功率:+33 dBm，模块在以最大功率发射信号时瞬间电流<=500 mA，TX Mode:在+33 dBm情况下，平均工作电流小于300 mA;RX Mode:12.5 mA。模块在收发模式切换时间<1 ms，模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便。放置在开阔地无线通信距离可达2 000 m，如果配置高增益天线，则通信距离可以达到更远。由于该模块发射功率较大，在不需要发送数据的情况下要切换到接收模式或者睡眠模式。

NRF905利用SPI接口与ATmega16L进行通信，该模块提供了9×2标准DIP间距接口，方便我们与单片机的连接，接口电路如图5。

图5 接口电路

2.4 数据存储部分

数据存储采用三星公司的K9F3208存储芯片，存储容量4 MB，工作电压(2.7～5.5 V)数据地址共用内部总线，接口简单。

3 上位机PC端

上位机PC端接收数据有两种方式，一是通过标准RS232串口，二是通过带串口扩展的NRF905收发模块，只需要把该模块的串口插头直接插在PC机上供电，通过软件设定收发模块地址相匹配即可正常使用。软件主要包括两部分:一是校园电子地图的制作，针对不同的学校需要制作不同的电子地图。本设计在MapInfo软件平台上载入中北大学jpg格式的校园图，并把实地采集的经纬度信息录入校园图中从而完成电子图的配准。按照高校特点将电子地图分为道路层、教学实验楼、学生公寓楼、教师公寓楼、商业服务建筑、文娱体育设施等图层。运行MapX下的Geoset Manager应用程序，新建一个名为NUC的Geoset文件，将上述图层添加进去，组成一个后缀为gst的地图文件:NUC.gst，通过MapX控件将校园地图图嵌入到系统界面中，从而完成电子地图的绘制和显示。上位机PC端用VB6.0编程［7，4］。

4 PC机通过串口提取数据流程图

本设计中，巡更仪FLASH中存储的数据主要通过标准RS232串行通信口向PC机传送。PC机通过串口向巡更仪发送获取数据请求，巡更仪CPU检测到该请求后开始向PC机发送数据，流程图如图6。

图6 PC机提取数据流程图

5 实验结果

本设计实现了电子地图的制作与控制、巡更仪对巡更人员位置数据的提取与处理。系统运行后的界面如图7。

图7 系统运行后的界面

6 结束语

结合现在电子巡更技术的发展，本文采用ATmega16L、Leadtek 9548GPS、NRF905、K9F3208，在VB 环境下结合MapInfo软件平台设计了校园电子巡更系统。实验表明，该系统性能稳定，通信效率高，功耗低，适合应用于小区电子巡更领域。

［1］钱军平.校园智能安全管理系统的建设与发展［J］.中国安防，2008(8):42－46.

［2］郑三立，张锦孚，周仲晖.基于GPS和单片机的智能线路巡检管理系统［J］.电工技术杂志，2004(9):54－57.

［3］谭永刚，彭其渊，王振.基于GIS校园电子地图的研究与VC++实现［J］.成都信息工程学院学报，2007，22(4):441－444.

［4］冯正.基于MapX的校园导航系统设计［J］.山西电子技术，2009(3):58－59.

［5］王忠礼.基于viusalBasic6.0与Mapx控件的长春市通用电子地图的设计与开发［J］.吉林大学硕士学位论文，2005.

［6］马健.基于Mapx组件开发的车辆监控系统的设计与实现［J］.西南交通大学硕士学位论文，2009.

［7］吴秀琳.Mapinfo9.5中文版标准教程［M］.北京:清华大学出版社，2009.

［8］刘海成.AVR单片机原理及测控工程应用:基于AT-mega48/ATmega16［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008.