用C51单片机设计远程红外安防监控管理系统

　　摘 要：介绍了基于移动GSM\GPRS 网络的远程红外监控管理系统的总体设计方案。本系统采用C8051F15 作为核心处理器，完成对无线红外、门磁、烟雾传感器的数据采集；通过嵌入TCP\IP 协议的GPRS 模块，完成与监控中心的数据通信和数据传输；安装基于B/S 结构的集中监控中心的终端监控软件，完成上行的告警查询、下行远程控制等。最终实现远程实时监控功能。

　　随着社会经济的发展和科学技术的进步，人们对办公场所的安全提出了更高的要求。特别对于企业而言，防火防盗更是必不可少的安全防范事件。针对传统的安防成本比较高、且实时性不强、集中管理控制困难、难以对安全隐患问题进行排查预警等情况； 现基于单片机技术和移动通信网络开发出一种实时、无线、便于管理、成本低廉的主动防护远程红外监控管理系统。

　　1 系统组成及功能

　　1.1 系统组成

　　整个系统主要由现场监控端、移动传输网络和监控中心三部分组成。现场监控端包括监控主机、传感器（包括红外传感器、烟雾传感器和门磁传感器）、摄像头和GPRS 通信模块。传输网络借由移动通信的GSM\GPRS 网络，完成远程通信。监控中心由可靠的DCN/DDN 专线、监控计算机以及手机、无线浏览器等组成，网上运行TCP/IP 协议。

　　1.2 系统功能

　　以单片机为核心处理芯片的监控主机将采集到的传感器的输出数据，进行分析、检测和识别后，将告警信息本地存储并通过移动网络上，实时传送到监控中心；经过监控中心的应用服务器和数据库服务器上的程序处理和分析后，将告警短信和彩信发送到使用者的手机上，使用者可以通过Internet 或者手机WAP上网就可直接浏览、查询监控对象的参数和状态。

　　手机、计算机发出的有权限的控制命令通过ZSM\GPRS 和Internet 传输到监控中心转发给监控主机执行。

　　

　　图1 系统工作原理图

　　2 现场监控端

　　2.1 硬件组成

　　现场监控端为独立监控子系统，主要硬件组成是监控主机（主控芯片为F8051C015）、GPRS 通讯模块（西门子MC35i）和无线传感器。它可以采集红外、门磁、烟感、视频抓拍等设备的状态及环境参数；采用USSD、SMS、GPRS 结合Internet 的传输方式将数据定期上传集中监控中心，实时上传告警信息；接收并实时处理网络用户或者手机用户通过集中监控中心下发的控制命令。

　　2.1.1 监控主机

　　监控主机通过16 路DI 口控制数字量采集单元，15 路AD 口控制模拟量采集单元，UART0 口连接GPRS 通讯模块， UART1 口连接掉电复位模块AT89C2051;通过RS232\RS485 连接1-4 路的视频抓拍监控板，现场调试或者连接其他的接口单元；SMBUS 总线连接远程升级单元，1-4 路的开关电源接口板，连接UPS 电源接口板，连接电机接口板，1-4路的视频抓拍监控接口板。

　　

　　图2 硬件组成架构图

　　监控主机的核心部分是C8051F015 单片机，它的P34 与MC35i 的15 脚（IGT）相连接，用于开启MC35i 模块；C8051F015 的TXD\RXD 脚和MC35i的TX0/RX0 相连， 进行数据的输入输出； MC35i模块通过RS-232 接口各引脚输出的信号有RXD、CTS、DSR、DCD、RING，输入的信号为TXD、RTS、DTR.MC35i 的数据接口采用串行异步收发，符合ITU2T RS-232 接口电路标准，工作在CMOS 电平（2.65 V） 。数据接口配置为8 位数据位、1 位停止位、无校验位。C8051F015 片内集成了2304 字节的内部数据存储器和32K 字节的闪存，10 位的ADC 模块和两个12 位的DAC 和两个模拟比较器，外部有丰富的I/O 资源，内部有一个全双工UART、SPI 总线和I2C/SMBus，可实现和外部的通讯。它带有交叉开关模块，通过设置可以控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC 转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其他数字信号配置为出现在端口I/O 引脚。这就允许用户根据自己的需求选择通用端口I/O 组合，简化硬件电路上的设计，提高系统的可靠性，降低生产成本。

　　2.1.2 无线传感器和摄像头

　　无线传感器与监控主机的通信， 采用的是PT2262 芯片发射，PT2272 接收，数据通过74LS245芯片与C8051F015 的I/O 口进行连接。当出现异常情况时，相应的传感器发出触发信号，由无线发射模块通过无线方式将触发信号送到监控主机的无线接收模块，核对信息无误后，通过RS232 串口将报警信息发送到监控主机。

　　无线传感器类型包括：门磁传感器、红外探测传感器和烟雾传感器。

　　无线门磁采用海曼的MC-31，该传感器监测门的开关状态，发射特定的315MHz 无线电波，将信号传输到监控主机后，经过放大、调制后为开关信号，单片机进行判断后决定要不要报警。该传感器动作距离≥ 16mm， 室内传输距离20 米， 开关耐压为100VDC，负载电流≥0.5A. 无线红外探测传感器采用GH-608，它报警输出NC/NO 可选，LED ON/OFF可选择；阻燃ABS 外壳，全方位自动温度补偿；采用动态阀值调节技术和SMT 工艺制造，抗RFI、EMI 干扰；三级脉冲计数可调节，方便不同的环境安装。 无线烟感采用的是HM-602PC，它是可自动复位/断电复位可选的红外光电传感器，采用微处理器控制，联网输出NC / NO 可选且LED 指示报警；采用SMT 工艺和金属屏蔽罩，可抗电磁和射频干扰，稳定性强。

　　摄像头：（VG-P501）采用的是RS232 接口串行通讯，与单片机的SUART1 相连，直接触发摄像头的抓拍。抓拍有两种方式：一当门磁、红外和烟感任何一个传感器报警之后，将报警信息和摄像头相连，触发摄像头自动抓拍，并将图片发送到集中监控中心，用户可以通过网页或者手机WAP 上网来查询图片；二集中监控中心直接下发抓拍的控制命令后，摄像头拍抓后将图片上传。

　　2.1.3 GPRS 模块

　　该系统的GPRS 通讯模块采用了西门子公司的MC35i 模块，并将其嵌入TCP\IP 协议，使模块和集中监控中心连接。MC35i 启动电路由开漏三极管和上电复位电路组成，与单片机34 脚相连。模块上电10ms 后（电池电压须大于3V），为使之正常工作，必须在15 脚加时长至少为100ms 的低电平信号，且该信号下降沿时间小于1ms.启动后，15 脚的信号应保持高电平。

　　MC35i 为EGSM900 和GSM1800 双频GPRS模块，支持数据、语音、短消息和传真业务；电源采用3. 3 ~4. 8 V 的单一电源， 可采用单片机的3. 3V 电源，通过RS-232 双向总线直接与单片机的UART0 相连， 利用AT 命令进行数据和命令的传输。GPRS 数据接收速率最高可达85.6kbps， 发送速率可达21.4 kbps［5］。

　　2.2 软件设计

　　当监控主机上电以后，主机进行初始化，同时通过AT 指令对MC35i 进行初始化。初始化完成后，主机采用循环的方式采集传感器的数据，并对数据进行判断。

　　GPRS 模块初始化：单片机发送AT 指令设置和控制GPRS 的主要设置有以下：设置波特率为4800b/s，指令：AT+IPR=4800，默认的通信速度为9600b/s;设置网关为移动梦网，指令：AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”;设置移动终端的类别为B 类，指令：AT+CGCLASS=“B”，同时监控多种业务，但只能运行一种业务，即在同一时间只能使用GPRS 上网，或者使用GSM 的语音通信；激活GPRS 功能，指令：AT+CGACT=1，1.

　　短信的收发：利用主机中断服务程序判断是收取还是发送消息，短消息采用PDU 编码，实现方式也采用AT 指令。收取步骤：分析短消息内容，得出指令后，执行控制操作，再封装返回的短消息。发送步骤：

　　调用预存的短信指令，控制GPRS 模块给指定号码发送短消息，发送失败则重复操作，直至成功。

　　彩信的发送：摄像头采集GPRS 模块建立WAP 连接GPRS，用标准WAP 无线会话协议进行编码后的消息作为一个WSP POST 内容发送出去。WAP 网关用HTTP 协议将内容传送给MMSC 的中继器，中继器再传至MMSC 的服务器。服务器将信息的内容将转换成MIME 的格式后数据存储、数据分析、路由寻址，得到用户终端信息，同时通过同一个WAP 连接对发起方做出响应。

　　终端的软件流程如图3 所示。

　　

　　图3 系统软件流程图。

　　3 集中监控中心

　　3.1 功能介绍和组成

　　集中监控中心通过GPRS 网络和远程监控主机进行连接，对监控主机实时上传的各种信息和数据进行分析检测处理，把过滤后的有效信息传送给监控中心的服务器。服务器将接收的数据进行处理，通过文字、图形、声音等各种人机接口方式显示监控对象的状态和告警信息，并对数据进行存储生成报表和对告警信息进行统计分析。使用者通过计算机 Internet 或者手机WAP 上网登陆客户端，根据权限进行各种数据的查询和管理；并且可发送控制命令，由监控中心通过GSM\GPRS 网络转发给监控主机执行。

　　集中监控中心有两台服务器：监控应用服务器和数据库服务器。监控应用服务器装有监控中心的软件，并采用ASP. Net 的开发出Web 页面，通过安装微软的IIS 来搭建Web 信息发布系统。数据库服务器安装Windows 2000 Server 操作系统，并安装SQL Server2000 数据库管理软件和数据分析处理软件。两台服务器采用网络地址转换（NAT）技术，是对外网的IP只有一个。

　　监控中心软件采用Socket 连接方式完成监控终端和监控中心的通信，根据预设好的通信协议接收和发送数据。基于该系统时效性强，监控地点分散，系统结构采取的是B/S 结构，在Web 浏览器上直接浏览Web 服务器进行工作。

　　3.2 软件实现

　　集中监控中心的软件采用模块化设计，是采用Visual C++语言和SQL Server 进行开发，软件系统主要分为以下三个部分：系统管理，终端管理，查询统计。

　　（1） 系统管理包括：用户管理、权限管理、个人资料管理、修改登陆密码四个模块。

　　用户管理：提供给用户一个可登陆、监视、管理的软件应用平台；权限管理：设定权限给不同级别的用户；个人资料管理：修改管理者的姓名，手机号码等个人资料；修改登陆密码：修改网页登陆密码和修改手机WAP 登陆密码。

　　（2） 终端管理包括：终端信息管理、布\撤防配置管理、告警手机管理三个模块。

　　终端信息管理：记录终端的信息、状态、配置，可查询终端和监控中心的连接情况，可实时根据要求查询监控现场的情况，可显示终端各单元的工作情况；布\撤防配置管理：通过控制指令可实现对终端的远程控制（布防撤防）。告警手机管理：可添加或删除告警手机，且可设置告警级别。

　　（3） 查询统计包括：日志查询、控制记录查询、告警记录查询、监控图片查看四个模块。

　　日志查询：记录了登陆网页的时间和用户；控制记录查询：可查询控制终端的名称、时间、类型等。

　　告警记录查询：查询到告警时间、恢复时间、终端当前状态等。监控图片查询：可对一段时间的拍抓图像进行查询。

　　

　　图4 监控中心软件结构。

　　4 结语

　　该系统基于移动网络，支持SMS\GPRS 两种传输方式，提供可靠通信保障，实时性强。传感器采取无线方式，无需布线，易于安装。监控软件能实现各种历史告警的信息进行查询、统计和打印；各种告警信息都将自动保存且不能随意修改、删除。系统能进行自诊断（如系统掉电等），能直观的显示故障内容，实用性强。该系统已在重庆移动各营业厅试商用。