0 前言
實驗室是高校教學過程的重要環節，是綜合應用型人才培養和教師進行科學研究的重要場所。近年來，隨著高校規模的擴大，各高校實驗室也得以飛速發展，實驗室器材占高校固定資產的比重也越來越大。但是，由于很多院校沒有實驗中心，實驗室主要依附于院系而存在，比較分散。這樣，集中實現實驗室的安全維護和管理存在較大困難。
基于上述問題，文中提出了基于GSM和LPC2138的實驗室安防系統的設計。系統采用32位ARM系列單片機LPC2138作為主控芯片，通過各種傳感器采集實驗室信息，如有危害實驗室安全的因素出現，通過GSM模塊發送短消息給監控中心或者實驗室管理員，及時對實驗室進行維護，從而提高了實驗室安全運轉的可靠性。
1 系統總體結構
系統總體結構框圖如圖1所示。系統由控制模塊、信息采集模塊、報警模塊三部分組成。
控制模塊由單片機芯片、LCD顯示、按鍵控制和電源電路組成。控制模塊主要控制協調系統的正常工作，單片機芯片將傳感器送來信息進行處理、識別，并將關鍵信息在LCD顯示屏上顯示出來；用戶可通過按鍵控制和LCD顯示查看實驗室當前狀態，可以進行手動布防和撤防操作，使用方便靈活。
信息采集模塊由各類傳感器及信號處理電路組成，主要功能是采集實驗室的環境信息和安全信息。傳感信號經信號處理電路處理后送主控模塊進行處理。
報警模塊由聲光報警和GSM模塊組成，在接收到危害實驗室的信息時，按照預先設定的警情處理模式，開啟相應的報警方式。
2 系統硬件電路設計
2．1 主控模塊硬件電路設計
主控模塊主要由單片機最小系統、按鍵控制電路和LCD顯示電路組成。
單片機采用菲利普公司的LPC2138，這是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32／16位ARM7 TDMI-STMCPU的微控制器，帶有512kB的嵌入的高速Flash存儲器，128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。它對代碼規模有嚴格控制的應用，使其可用16位的Thumb模式將代碼規模降低超過30％，而性能損失卻很小。
按鍵控制和LCD顯示硬件電路如圖2所示。按鍵控制電路提供了4個獨立按鍵，每個按鍵都具有復合功能。用戶可通過4個按鍵和LCD顯示屏方便地查看安防系統當前狀態和歷史警情信息，可以選擇合適的安防模式，而且還可以通過按鍵實現實驗室的布防和撤防。
2．2 信息采集模塊硬件電路設計
該模塊硬件電路主要由各類傳感器和信號處理電路組成，可大體分為兩部分。一部分采集實驗室環境信息，包括溫度傳感器和濕度傳感器。而剩余的傳感器則采集實驗室安全信息，如盜警和火警。
溫度和濕度的采集采用集成化的傳感器，無需處理電路，可以直接讀取實時的溫度、濕度信息。
煙霧傳感器是用來探測室內氣體中的煙霧的，在系統中，用于火災報警。煙霧傳感信號處理電路原理圖如圖3所示。煙霧傳感器一般安裝于房間的天花板上，采用散射式光感煙器件做煙霧傳感器CA3302B。J1的1、4引腳連接傳感器的內部光源，2、3引腳連接傳感器的光敏元件。正常狀態下J1的2引腳為高電平，也就是IC2A的2腳是高電平，由于IC1A的1腳是高電平，所以輸出低電平，然后經IC2B反向輸出高電平；當煙霧進入傳感器的暗室時，光線散射照在光敏元件上，其電阻率降低，IC2A的第2引腳變成低電平，其輸出高電平，經IC2B反向，最后輸出低電平。單片機可以通過檢測IC2B的輸出判斷是否有煙霧報警即火災報警。
熱釋電紅外傳感器是檢測實驗室中是否有人員活動的，即屬于防盜報警。文中應用Hamamatsu Corp公司的產品P228。信號處理電路原理圖如圖4所示。P2288的1腳為電源引腳接+5V電源，2腳為輸出引腳，3腳接地，有效探測范圍在7m左右。在正常狀態下，若沒有人員的活動，P2288的2腳沒有輸出，處理電路的輸出端口保持低電平；若在其探測范圍內有人員的活動，則P2288的輸出引腳就輸出一個微弱的電流，經R1轉化成電壓值加在一個單管共射放大電路的輸入端，經放大后送至LM324組成的比較器，產生一個高電平輸出。
當有人打破玻璃時，玻璃破碎傳感器受到機械振動，會給出一個信號，這信號經放大、處理后可用于報警。此傳感器可與門磁、窗磁一起作為盜警的參考報警信號。
2．3 報警模塊硬件電路設計
聲光報警采用帶警燈的報警器，由單片機控制的繼電器控制報警器的工作電源。
GSM通信模塊采用TC35。TC35是Siemens公司推出的新一代無線通信GSM模塊，可以快速安全可靠地實現系統方案中的數據、語音傳輸、短消息服務和傳真。模塊的工作電壓為3．3～5．5V，可以工作在900MHz和1800MHz兩個頻段，所在頻段功耗分別為2W(900M)和1W(1800M)。模塊有AT命令集接口，支持PDU模式的短消息。TC35和LPC2138之間通過UART連接。
3 系統軟件設計
系統軟件設計時，采用模塊化設計，程序流程圖如圖5所示。根據系統不同的功能模塊，設計相應的子程序。具體講可分為主程序和GS-MS通信、按鍵控制、LCD顯示三個子程序組成。
主程序包括設備的初始化、數據的采集、信息處理和相關子程序的調用。數據采集時，將紅外和煙霧傳感器的信號設為外部中斷，火警中斷優先級高于盜警中斷。而對于玻璃破碎傳感器、門磁和窗磁、溫度和濕度傳感器的信號進行輪詢檢測、采集。信息處理對采集到的信息進行處理，識別報警信息，按照安防狀態選擇合適的報警模式，并將當前實驗室安全狀態送LCD顯示。
火警和盜警的處理除了啟動聲光報警外，還需通過GSM通信模塊發出短消息通知實驗室管理和維護人員。系統采用的TC35通信模塊，支持PDU消息模式。根據系統的通信協議信息的發送是以發送數據幀為主要方式，一個完整的數據幀包括起始標志單元、命令單元、CRC校驗單元、結束標志單元等四部分。采用PDU模式時，一個數據幀能夠包含140個字節(70個漢字)的數據量，中文字符按照UNICODE進行編碼。發送數據時其格式為：服務中心地址／PDU類型／接收主地址／協議識別碼／數據譯碼方案／有效周期／用戶數據長度／用戶數據；接收數據時其格式為：服務中心地址／PDU類型發信方地址／協議識別碼／數據譯碼方案／服務中心收到消息的時間／用戶數據長度／用戶數據。在軟件設計時根據PDU數據格式編寫相應的AT命令，即可實現短信息的收發。
按鍵控制子程序設為中斷服務子程序，按鍵中斷的優先級低于火警、盜警的優先級。它可以實現查詢和設置兩大功能。查詢主要查詢系統當前信息和歷史告警信息：設置功能除了進行實驗室的布防和撤防外，還可設置不同的防范狀態。依據學校工作的特點，可將安防模式設為學期模式和假期模式，在這兩種模式下安防等級相同，不同的是報警的方式。學期模式下警情信息主要交由實驗室管理員處理；而在學校寒暑假期間，則采用假期模式，警情信息由學校安保處值班人員處理。
4 結束語
本系統利用GSM無線網絡實現對分散實驗室的集中監控及管理，能實時監控實驗室的運轉狀態，及時發現警情以便于快速排除，對實驗室進行維護，實現了高校實驗室集成化、智能化、網絡化監控，節約人力資源，提高了高校實驗室安全運轉的可靠性，使實驗室平穩發揮自身職能。