校园事故定位报警系统的设计与实现

徐瑞华

（浙江邮电职业技术学院继续教育学院，浙江绍兴312016）



校园事故定位报警系统的设计与实现

徐瑞华

（浙江邮电职业技术学院继续教育学院，浙江绍兴312016）

摘要：设计一种能够让学生在第一时间方便快捷地完成报警过程，并配合视频监控系统实时记录事故过程的校园报警系统。阐述了该系统的设计要求和系统所要完成的功能，提出了整体设计方案，对涉及的技术要点进行了分析，并对定位报警系统的主机电路和子机电路进行了具体设计。

关键词：校园事故；报警；远距离传输；单片机

随着教育事业的不断发展，校园面积扩大、布局分散、学生众多、周边环境复杂等已经成为各级各类学校普遍存在的现象，传统的人力巡查已经不能满足校园安全管理的需求，已有越来越多的学校开始引入校园安防系统来建设平安校园。

虽然安防系统可以实现监控管理功能，对事件经过的记录也大大提高了事件处理的效率［1］，但目前绝大部分的安防系统无实时报警功能，恶性事件一旦发生，安防人员不能在第一时间赶到现场处理或控制事态发展，导致事件更加恶化。因此，要进一步提高校园安全，必须完善现有安防系统，使之真正体现“防”的功能。本文设计了一种能在第一时间方便快捷地完成报警过程，并配合视频监控系统实时记录事件过程的校园报警系统。

1系统技术要点分析

为体现“防”的功能，系统按如下要求设计：必须具备方便快捷的实时报警功能，恶性事件一旦发生，在场所有人员都能在第一时间发出报警信号；必须具有详细报警地点显示功能，安保室收到报警信号后，能立刻明确报警地点；具有语音通信功能，报警点和安保室之间能够及时交换信息，方便安保室制定正确的处理方案；实时配合已有视频监控系统，记录事件发生整个过程，使安保室第一时间了解现场情况。

根据以上设计要求，系统的技术方案可以确定如下：

（1）用单片机作为主控元件设计一个报警系统总机和若干报警系统分机。报警系统总机实时轮流监测各分机的报警情况和工作情况，无报警信号时，总机显示“NO PROBLEM”，一旦有报警信号传来，总机立刻显示详细报警地点，如“1-201”，表示1号楼201室所在报警子机发出了报警信号，在显示同时，拉响报警铃声，总机没有作任何处理之前，报警铃声一直响，显示也一直存在；当按下总机的“应答”按钮后，报警铃声停止，但地址依然显示，只有当按下总机“复位”按钮后，显示器才回到初始状态。

报警器分机分布在各个教室和宿舍，通过外露的按钮接受报警，当按钮被按下的时候，向总机发出报警信号，并拉响本地警报铃声，在总机没有回复“收到应答”信号前，一直报警，一直发送报警信号。只有收到总机发来的“收到应答”信号后，报警才停止。

（2）总机和子机之间实现语音通信。当报警按钮被按下，子机一方面向总机发出报警信号，同时，还向总机发出语音通信请求。当总机的“应答”按钮被按下后，本地报警铃声停止的同时语音通话打开。

（3）视频监控控制设计。考虑到视频监控数据量比较大，且校园突发事件发生的概率相对较小，因此，视频监控在没有报警的时候处于关闭状态，当分机接受报警后，相应的视频监控被打开，视频监控的关闭功能在监控室统一完成。考虑到实际应用时设备成本问题，在设计过程中采用临近多个报警点共用一个视频监控的方法，即在视频监控范围内的几个报警子机只要有任何一个报警，就会把视频监控打开。

（4）多子机同时段报警防干扰处理。在实际生活中，多子机被同时按下的几率几乎为0，但存在同一时段被按下的情况，因此系统在设计过程中须考虑多子机同时段报警问题。为防止报警点之间相互干扰，系统设计了优先处理功能。当有多个子机同时接收报警信号的时候，主机只响应最先报警的子机，只显示最先报警的地点，只开启最先报警点的语音通信及视频监控。只有当主机复位按钮被按下，才会接收其他子机的报警。

系统原理如图1所示。

图1报警系统框图

2系统硬件设计

（1）主控器件选择。在本系统设计中，控制器主要实现实时检测各子机的报警信号；接收报警信号；发出本地报警信号；控制报警子机发出报警信号；接收报警子机信息；显示子机信息；查询通话命令；关报警声；等待复位及系统复位等功能。综上，对于控制器的硬件资源要求不高，但系统程序设计会比较复杂。因此，编程环境简单，指令系统兼容性强是控制器选择的首要条件。另外，由于系统需要长时间安装在各个教室门口，且需要处于开启状态，因此，低功耗和低成本也是需要考虑的问题之一。综合上述条件，选择单片机作为系统主控元件。STC12C5608AD单片机是一款单时钟/机器周期、高速、低功耗、超强抗干扰的新一代51系列单片机，其指令系统和51单片机完全兼容。与传统51系列单片机相比，其速度快8至12倍，并且内部集成了MAX810专用复位电路，4路PWM控制，8路高速10位A/D转换，符合设计要求，选定为本系统的主控元件。

（2）主机显示电路设计。主机显示电路主要完成报警子机地址的显示功能，对于其最主要的要求为显示稳定、清晰、易于阅读。本系统采用LED作为显示器件，其驱动电路如图2所示。

图2显示电路

（3）主机报警电路设计。主机报警信号用于提示监控人员或者主控室管理员及时发现报警，当报警子机向主机发出报警信号后，主机接收到报警信号，在判断报警无误后一方面向子机发送“收到确认信号”，另一方面启动主控室报警电路实施报警提示。考虑到主控资源问题，本系统选用WTV040典型电路作为报警电路，具体电路如图3所示。

图3报警电路

考虑到主子机之间报警信息传送的可靠性问题，要求子机向主机发出报警信号后，主机必须有一个应答信号。如果子机没有收到主机应答，则子机要继续发送报警数据。因此，为确认主机已收到报警数据，设计有回应系统，即子机的报警提示由主机发出。当主机收到正确的报警数据后，立刻向对应的报警子机发出“收到应答信号”，并触发本地报警电路发出报警提示。子机收到主机传回的“收到应答信号”后，立刻启动子机报警电路，报警者听到子机报警提示音就可以确认报警已经成功。图3中，从AUDIO_L输出分成了两路，一路输出到R20，经过LM386音频放大后直接送往本地扬声器，产生报警提示音；另一路输出到R19，经过LM386音频放大后送往SP管脚，SP管脚和子机报警电路相连，当子机报警电路接通后，主机的提示音就会在子机的扬声器中发出［2］。

另外，考虑到输出信号的强度以及传输距离，系统做了提高增益的改动，在1脚和8脚之间加了电容，其中电容C7为信号耦合电容，实现报警信号与后续电路的无缝对接。

（4）语音通信电路设计。系统考虑采用有线全双工通信方式。语音通信的关键是滤波和放大。为提高通话质量，选择具有巴特沃斯响应的二阶RC有源滤波器作为设计方案。电压控制电压源电路是具有巴特沃斯响应的二阶RC有源滤波器的常用电路，其电路结构如图4所示。由于在报警通信电路中，已经采用了LM386作为功率放大电路，因此，语音系统中同样采用LM386作为功率放大电路。

另外，分机的语音通信电路设计有电子开关电路。当主控室人员按下应答按钮后，向子机发出“应答信号”，关闭本地报警。子机收到“应答信号”后，开通子机语音通信电路，实现通话过程，开关电路如图5所示。

图4滤波电路

图5电子开关电路

（5）主分机数据通信电路设计。主分机数据通信电路主要完成子机报警信号、主机“收到应答信号”和主机“应答信号”的发送，其中，子机报警信号包括楼层信息、具体房间地址和检验码等。

通信协议定义如下：当子机接收报警信号以后，打开视频，同时通过数据线发出报警信号，进入等待总机应答信号阶段；总机接收报警信号后，向子机发送“收到应答”信号，同时开启控制室报警器，显示地址；控制人员按下应答信号，关闭控制室报警铃声，接通语音通信，子机收到应答信号后关闭本地报警，开启子机语音通信电路，并进入接收总关闭信号。待事件处理结束以后，控制人员按下“复位”恢复原始状态。

根据以上通信协议和要求，本系统的数据通信可采用无线和有线两种形式。对于无线通信，具有成本低、结构简单等优点，但其可靠性不是很好，抗干扰能力差，如果需要提高可靠性必定需要增加成本。对于有线通信，具有可靠性高，抗干扰能力强，但线路比较复杂等特点。综合本系统的用途，侧重考虑可靠性和抗干扰因素，因此选择采用有线通信方式。

本系统中数据通信主要是采用主从方式，且传输距离远近不一，考虑采用RS485传输数据，具体电路如图6所示。

图6数据通信电路

3系统拓扑结构

本系统作为整个校园智能安保系统的补充设备，其分布方式与原智能安保系统（视频监控系统）一样，采用主分机方式［3］。主机和视频监控系统的主机一起安装在主控室，分机安装在教学楼的教室门口、办公楼层、实验实训中心、体育馆、图书馆、学生公寓楼的每个楼层、学生餐厅等，其中教学楼、实训中心和学生公寓楼安装比较密集，每个或多个教室（教学单元）配备一个分机；体育馆、餐厅、图书馆等以楼层为单位，根据实际情况分布。

在分布比较密集的教学楼、实训中心和公寓楼需要配备层主机和楼主机，工作时，报警分机向层主机报警，层主机将信号传递给楼主机，楼主机再将信息传递到监控中心；在体育馆、餐厅、图书馆等公共场所，需要配备楼主机，工作时，报警分机将信号传递给楼主机，楼主机再将报警信号传递给监控中心。

在实际应用中，虽然经过了层主机和楼主机的中转，但是信号传送的协议和原理是一致的，在层主机将信号传递给楼主机时，层主机相当于楼主机的分机，而楼主机向监控中心传递信息的时候，楼主机相当于监控中心主机的分机。

4系统软件设计

根据系统的功能以及通信的要求，本系统自己定义了数据通信的相关协议，主要包括通信组网方式、通信接口方式、字符结构和校验方式等。本系统采用在监控室设主机，各楼层设立分机的多机联动组网方式。主机通过RS485接口连接各分机，实现远程数据传送、控制等功能［4］。

在数据通信模块，其主要包括子机报警信号传递给主机，主机查询到报警信号后发送“收到应答信号”，主机收到通话按钮信号后向子机发送“通话开启信号”，主机收到复位信号后向子机发送“复位信号”。根据信号特性，采用RS485接口，异步串行方式，为半双工传输，传输速率设定为9 600 bps（此参数根据传送距离可以调整）。

系统通信中主要涉及以下几个信息：子机传向主机的“报警信号”，主机传向子机的“收到应答信号”，主机传向子机的“通话开启信号”，主机传向子机的“复位信号”。“报警信号”主要由起始位、报警点信息（分机编码）、校验码和结束位组成；“收到应答信号”主要由起始位、报警点信息（分机编码）、结束位组成；“通话开始信号”主要由起始位、开启信息（分机编码）、结束位组成；“复位信号”主要由起始位、复位信息（00H）、结束位组成。

在本通信协议中设定检测到1个确认的低电平则认为有数据传来，即起始位为“0”；设定档信息和校验全部接受完成后收到1位高电平则认为是停止接收，即停止位为“1”。分机编码范围从01H-FFH，总共可以表示255个分机，由于系统启动后，如果子机有报警，报警信号向主机发出后，子机就转入等待“收到应答信号”的程序，当子机收到“收到应答信号”后才转入“等待通话信号”的子程序，因此报警点信息和开启信息可以统一用分机编码表示，而不会出现冲突。至于复位信号，由于系统在运行过程中，所有的子机同时在检测或等待通信线路上的信号，只要检测到00H，子机都会执行一次复位程序，因此这里不需要提供分机编码。

程序中校验信号是为防止信息出错设置的一种信息，通常有奇偶校验、CRC校验等［5］。为提高数据通信的可靠性，本系统采用CRC校验。

系统主机程序流程如图7所示，子机程序流程如图8所示。

图7主机程序流程

图8子机程序流程

5　结语

本文从当前校园安保的现状出发，分析了其优点和存在的问题。针对存在问题，提出了在现有安保系统基础上增设实时报警系统的解决方案，可以使学生在突发事件发生过程中第一时间方便快捷地完成报警过程，校园报警系统能配合视频监控系统实时记录事故过程，其优点是：当突发恶性事件发生时，每位在场人员都可以通过报警器向监控中心发出报警信号和语音通信，监控中心可以根据报警器所显示的详细事发地点，第一时间赶到现场，控制或消除恶性事件的发展。

参考文献：

［1］张靖武,刘东骏.单片机程序设计及应用［M］.北京:电子工业出版社, 2006.

［2］余永权. ATMEL89系列单片机应用技术［M］.北京:北京航空航天大学出版社, 2002.

［3］章坚宁.视频监控系统在高校安全防范管理中的作用［J］.消费导刊, 2009（5）: 197- 198.

［4］李晓明.高校安全技术防范问题的探讨［J］.闽西职业技术学院学报, 2007, 12（4）: 124- 126.

［5］拉帕波特.无线通信原理与应用［M］.北京:电子工业出版社, 1998.

【责任编辑：王桂珍foshanwgzh@163.com】

Design and implementation of the campus accident positioning alarm system

XURui- hua
（College of Continuous Education, Zhejiang Technical College of Posts &Telecom, Shaoxing312016, China）

Abstract:The main topic of design is to help students give the alarm conveniently for the first time, and record the accident process with the real- time video surveillance system. The paper first described the requirements and the functions of the system in detail, and then put forward the overall design process, analysized the technical key points. In the end, the specific design of the host positioning alarm system circuit and sub- circuit were given.

Keywords:campus accidents; alarm; long- distance transmission; microcontroller

文章编号：1008- 0171（2016）01- 0062- 06

作者简介：徐瑞华（1982-），男，浙江诸暨人，浙江邮电职业技术学院讲师。

收稿日期：2015-01-14

中图分类号：TP277.1

文献标志码：A