摘要：基于MSP430单片机的智能安防系统能够实时监测并统计人员及贵重物品进出和防火安全情况，能根据安全情况设置声光报警，在险情发生时发送短信及时通知安防人员，避免或降低财产损失，保障人员安全。系统基于低功耗单片机MSP430，采用C/S (Client/Server)结构，使用无线传输技术进行组网，每个采集终端监控安防信息并通过无线方式发送至总控制平台，方便管理人员实时了解安防情况。该设计可满足家庭、仓库、宿舍等环境的安防需要。
关键词：中文核心期刊,MSP430单片机,安防,实时监测,C/S结构,无线通信
1 概述
随着经济发展，人们生活得到改善，同时对人身安全和财产安全也越来越重视。在成本可以接受的情况下，如何利用现代科技提供一个安全的生活环境，成为了越来越多研究人员的关注点[1]。基于MSP430单片机的智能安防系统可以监测人员、贵重物品的进出，在险情发生时及时发出报警信息，起到防盗窃的作用;另外，系统还可监测室内的烟雾浓度、煤气浓度，在存在火灾风险的情况下及时报警，起到防火的作用。本系统在具备防火防盗功能的同时，具备报警实时性强，稳定性高，功耗小，可按需剪裁等特点。
2 系统方案设计思路
智能安防系统在总控制平台的协调调度下，实现对各个房间终端安防情况的实时监控。其中，由MSP430F149单片机、无线收发模块及显示模块等组成的总控制平台实时监控各终端防盗防火情况，及时响应与辨别来自不同终端的报警信号，并及时处理相应信号，在第一时间通过液晶显示模块，以及利用GSM模块以短信方式及时通知给相关人员，确保生命财产安全，总控制平台结构如图 1所示。
在各个终端中，系统主要实现的是对各个房间的人数统计、人体检测、烟雾检测、煤气检测及声光报警，利用矩阵键盘以输入密码方式完成报警系统的解警，通过无线通讯方式实现异地监控，对房间内人员的进出情况及人数进行详细统计，在房间无人时提示锁门，并启动防盗程序，对于非法进入室内(如从窗户进入室内)的人进行检测并进行报警，同时能够对室内的贵重物品的进出进行监控，终端结构如图2所示。
3 硬件设计
3.1 控制器选型
系统主要采用电池供电工作方式，对系统功耗有要求，因此系统的主控芯片采用美国德州仪器TI的MSP430系列单片机。TI公司的MSP430系列单片机是一种16位超低功耗的混合信号处理器，采用了精简指令集(RISC)结构，简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令，还有高效的查表处理指令，较高的处理速度，且中断源较多，并且可以任意嵌套[2]。由于系统对通用输入输出端口(GPIO)需求数量较大，所以选择具有56个GPIO的 MSP430F149单片机作为主控芯片。MSP430F149单片机电路如图3所示。
3.2 无线模块
本方案的总控制平台与终端系统进行通讯的无线通信模块选用nRF24L01。nRF24L01是一款工作在2.4GHz～2.5GHz世界通用的ISM频段的单片无线收发器芯片，其成本较其它同性能的RF射频芯片低。nRF24L01具有自动应答及自动重发功能，具有地址及CRC检验功能，通过SPI总线接口通信，数据传输率能够达到2Mbps[3]，其在接收模式下可以接收多路不同通道的数据，即可以与多个设置为发送模式的nRF24L01进行通讯，适合高速、信息传输量大的通讯系统中，被广泛应用于安防系统及无线数据通讯领域。同时，nRF24L01具有较低的电流消耗，与低功耗的MSP430系列单片机结合有很好的低功耗优势，适合电池供电系统。
3.3 人员检测模块
人员检测包括两部分，一部分是检测人员进出情况，进而可计算室内人数;另一部分是在室内人数为零时，检测非法闯入室内的人员。
检测人员进出情况的传感器选用红外光电开关，每个采集终端使用两对红外光电开关可有效对人员进出情况进行检测，进而可精确计算室内人数。检测非法入室人员采用红外热释电传感器，红外热释电感应方式主要有主动式和被动式[4]。主动红外探测器通过接收反射回来的特定波长的红外线来识别是否有人接近，具有防范距离远的优点，但成本相对较高，一般多应用在周界防范。被动式红外探测器采用热释电感应元件，能以非接触形式检测出人体辐射的红外线。相对于主动式红外探测器，被动式红外探测器成本低，电路结构简单，灵敏度高，可控制范围大，更易于设计和实现。因此选择被动式红外报警。
3.4 其他模块
在贵重物品的监控中，采用低成本、低频率、低速率的无线收发模块CC1100无线模块。调整无线收发模块的发射和接收范围使其在室内有效。当所监控的贵重物品处于室内时，相应接收模块能够接收到置于贵重物品上的发射模块的信号，不会产生报警;当所监控的贵重物品离开有效范围时，相应接收模块无法接收到指定信号而产生报警，从而实现贵重物品的检测功能。
煤气传感器可在煤气泄漏时及时发现并通知处理器，烟雾传感器可在火灾发生时及时响应，二者可选用高灵敏度的MQ系列传感器[5]。MQ-9可采集煤气中一氧化碳浓度，并将其转化成电压信号;MQ-2可以采集空气中烟雾和液化气浓度，并将其转化为电压信号。这些电压信号经过运算放大器OP07[6]放大后接到MCU的ADC接口[7]，根据放大器输出的电平值，即可判断煤气和烟雾浓度。
4 软件设计
该系统软件设计采用C/S (Client/Server)结构，包括两个部分：总控制平台软件设计和终端部分软件设计。
4.1 总控制平台软件设计
智能安防系统总控制平台完成对各个终端系统的监控[8]。总控制平台与各个终端进行通信，处理来自终端的报警信息并将报警信息在液晶屏上显示出来，通过 GSM模块以短息方式将报警信息发送给相关人员。智能安防系统总控制平台软件设计流程如图4所示。 4.2 终端部分软件设计
终端在 MSP430F149单片机的控制下，处理红外热释电模块的报警信号，烟雾报警模块、一氧化碳报警模块的报警信号和室内贵重物品监控的报警信号，并监测进出人数;在接收到相应报警信号时发出声光报警进行提示和警告。同时利用无线收发模块向智能安防系统总控制平台发出相应的报警信息。
根据终端的功能，完成系统软件的设计。部分函数分析如下：
void init_system(void);实现终端的初始化功能;
void infrared_alarm(void);实现红外热释电报警的判断及处理功能;
void smoke_alarm(void);实现烟雾报警的判断与处理功能;
void gas_alarm(void);实现煤气报警的判断与处理功能;
void valuables_alarm(void);实现贵重物品报警的判断与处理功能;
void counter(void);实现进出人员数目的统计功能。
智能安防系统终端部分的软件设计流程如图5所示。
5 测试与分析
5.1 烟雾报警灵敏度的测试
向烟雾传感器内连续吹烟，使用单片机内部定时器计算其声光报警延迟时间。结果如表1所示。出现差别跟烟雾浓度及其他随机条件有关。
表1 烟雾检测测试数据
[次序&声光报警延迟时间&收到短信延迟时间&1&1.7s&4.3s&2&1.5s&3.5s&3&1.1s&4.2s&4&1.4s&3.7s&]
5.2 热释电红外检测系统灵敏度的测试
模拟室内人数为零的条件下，在热释电的有效扇区内走动，数据如表2所示。出现的差别与检测的角度及移动速度有关，在输入密码后，报警停止。
5.3 其他测试
煤气报警的实验数据与烟雾报警实验结果相似，均可满足安防系统对实时报警的要求;将终端设备放置在室内，距离门大约10米，在将模拟贵重物品拿出室外5 米左右时终端设备发出报警信号，总控制平台的液晶屏显示出相应报警信息;模拟人员进出房间，系统可以准确计数，且在最后一人离开时，声音提示锁门。
6 总结
基于MSP430单片机的智能安防系统具备监测室内烟雾浓度、煤气浓度、人员数目、贵重物品是否被盗等功能，在险情发生时可以将情况实时发出声光报警信号并短信通知相关人员，很好地起到了防火防盗作用。本设计各模块接口方便，可根据需要定制系统功能，用户界面友好。测试结果显示，系统在功能和性能上满足实际应用需要。
参考文献：
[1] 褚欣媛.基于ZigBee的智能家居安防系统[D].太原：太原理工大学，2013.
[2] 沈建华.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
[3] 李大江，崔建明.一种基于FPGA的可配置SPI Master接口设计实现[J].电子技术应用，2012(10)
[4] 宋耀华，王梅霞.基于物联网技术的宿舍安防系统设计[J].机械与电子，2013，(5)：75-78.
[5] 郑哲，许岳兵，姜洁，邹敏.基于GSM的家用煤气智能监控系统[J].电子世界，2012，3：5-6.
