基于FPGA在高校實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)的應(yīng)用

馮大衛(wèi)

摘要：將FPGA應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室的安防系統(tǒng)中，可以更大程度上提高實(shí)驗(yàn)室的安全性和智能化程度，從而能快速地、實(shí)時(shí)地檢測到險(xiǎn)情信號的變化，更好的發(fā)揮出其自身的優(yōu)勢，綜合考慮其實(shí)用性、性價(jià)比、可靠性和可實(shí)現(xiàn)性，通過調(diào)研和分析，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的安全方案。

關(guān)鍵詞：FPGA；安全性；智能化

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2012)07-1690-02

Based on FPGA of Security Systems in the University Laboratory

FENG Da-wei

(School of Electronic and Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

Abstract: FPGA application to the lab security systems, to a greater extent to improve safety in the laboratory and the degree of intelligence, so that it can quickly, real-time detection to the danger signal changes, better play out of their own advantages, considering its practicality, cost, reliability, and can be realized through research and analysis, to make the system design.

Key words: FPGA; Security; Intelligent

蘭州交通大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)中心是開展科研，培養(yǎng)創(chuàng)新人才的地方，多少年來，在王紫婷老師的帶領(lǐng)下培養(yǎng)出了許多實(shí)用型人才，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室中心也占了學(xué)校固定資產(chǎn)的教大部分，如何提高校實(shí)驗(yàn)室的安全防護(hù)和創(chuàng)新管理是一個(gè)熱門問題，那么基于FPGA的實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)運(yùn)用相關(guān)的傳感器檢測險(xiǎn)情信號，經(jīng)過ZigBee的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，以FPGA作為核心控制器件，對信號進(jìn)行處理，最后做出報(bào)警，可以對現(xiàn)場的真實(shí)災(zāi)情做到準(zhǔn)確定位。該系統(tǒng)利用Altera公司推出的DE2-70開發(fā)板作為FPGA平臺，借助ZigBee無線傳播網(wǎng)絡(luò)，完成檢測和報(bào)警于一體的實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)。

1安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)主要由檢測單元和處理單元組成，其中檢測單元有兩個(gè)模塊構(gòu)成，為防盜模塊和防火模塊組成。處理單元采用FPGA核心器件負(fù)責(zé)檢測節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)處理，兩個(gè)單元之間用ZigBee無線傳播網(wǎng)絡(luò)為傳送通道。安防系統(tǒng)的傳感器安裝在實(shí)驗(yàn)室需要防范的重要部位，如天花板和窗戶，報(bào)警主機(jī)安放在其他實(shí)驗(yàn)室控制中心內(nèi)比較隱秘的地方。每個(gè)防護(hù)的區(qū)域都設(shè)置為實(shí)時(shí)防區(qū)或推遲防區(qū)。實(shí)時(shí)防區(qū)是整天防護(hù)防區(qū)，一有異常情況，馬上報(bào)警和通知主機(jī)；推遲防區(qū)在有情況時(shí)不會即刻報(bào)警，而是根據(jù)工作機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行響應(yīng)處理。通常情況，煙霧感，高溫感，儀器破碎等防火模塊傳感器區(qū)域設(shè)置為實(shí)時(shí)防區(qū)，而防止別人非法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的檢測器防區(qū)設(shè)置為推遲防區(qū)。防非法除開關(guān)和緊急報(bào)警開關(guān)設(shè)置為實(shí)時(shí)防區(qū)。工作機(jī)有兩種工作狀態(tài)，監(jiān)控和屏蔽。監(jiān)控狀態(tài)是下班以后，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)沒人時(shí)的工作狀態(tài)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)員最后離開實(shí)驗(yàn)室時(shí)，打開“監(jiān)控”開關(guān)，等待一段時(shí)間后，工作機(jī)自動(dòng)進(jìn)入監(jiān)控工作狀態(tài)。

圖1安防系統(tǒng)框圖

1.1安防系統(tǒng)中主要單元的工作原理

檢測單元的兩個(gè)模塊中，防火模塊采用的傳感器有火焰，氣體，溫度，煙霧幾種類型，它作為災(zāi)情信號的采集器，當(dāng)發(fā)現(xiàn)災(zāi)情后，將火情信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行腇PGA上，經(jīng)過控制中心的處理后，接通報(bào)警裝置，讓其發(fā)出報(bào)警信號；防盜模塊采用的傳感器是熱釋電紅外傳感器，其紅外發(fā)射頭可以向ZigBee節(jié)點(diǎn)上主動(dòng)發(fā)出紅外信號，當(dāng)人從中間經(jīng)過時(shí)，紅外信號被人體反射回來，而ZigBee節(jié)點(diǎn)收不到信號，隨之其通過譯碼電路給控制中心發(fā)出低電平信號，控制中心FPGA收到低電平信號后，立刻作出相關(guān)措施。處理單元的具體工作是：接收從ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的數(shù)據(jù)經(jīng)過UART232串口存儲到DE2-70開發(fā)板上的SDRAM中，然后系統(tǒng)從SDRAM中把數(shù)據(jù)讀取出來，需要顯示的數(shù)據(jù)，顯示在LCD上；同時(shí)需要處理的數(shù)據(jù)則輸?shù)綄?yīng)的電路中，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

1.2報(bào)警電路的工作原理

當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的數(shù)據(jù)信號值，經(jīng)過LCD顯示器顯示出來達(dá)到某一溫度值時(shí)，L1和L2端口為高電平，其中L1端口和DE2-70開發(fā)板上的發(fā)光二極管相連，L2端口對應(yīng)設(shè)置到開發(fā)板上閑置的GPIO口上，GPIO口連接蜂鳴器，當(dāng)溫度高于某值時(shí)，發(fā)光二極管和蜂鳴器就會發(fā)出聲光報(bào)警。

圖2報(bào)警模塊電路圖

2安防系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是由各檢測單元的采集模塊和處理單元的處理模塊組成。最重要的片上系統(tǒng)SOPC的處理開發(fā)軟件是Nios II IDE，它同時(shí)也是Nios II軟核處理器的基本開發(fā)工具，所有編輯，編譯和調(diào)試程序都是在Nios II IDE下完成。這里我們采用的是：Altera公司推出的Nios II IDE，它不僅提供了功能很全的編譯器，而且還提供給了一個(gè)源代碼編輯器，IDE中集成的Flash編程器，能方便快速的固化軟件程序。整個(gè)程序包括的子模塊有：鍵盤，傳感器模塊，ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，報(bào)警模塊等。傳感器信號經(jīng)過信號調(diào)理電路傳送到ZigBee的節(jié)點(diǎn)上，通過其無線網(wǎng)絡(luò)送入DE2-70平臺選用的FPGA EP2C70F896C6N上進(jìn)行檢測和處理，并且EP2C70F896C6N對連接ZigBee端口的輸入信號不斷掃描。若信號有異常，EP2C70F896C6N將信息保存，打包，同時(shí)發(fā)出報(bào)警。其系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示。

圖3軟件程序流程圖

3結(jié)束語

該文提出的DE2-70平臺選用的FPGA EP2C70F896C6N是Altera公司的CycloneII系列產(chǎn)品之一，將FPGA應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室安防系統(tǒng)中，與單片機(jī)和其它芯片相比，有其獨(dú)具一格的優(yōu)勢。FPGA不僅內(nèi)部時(shí)延特別小，而且是多處理器系統(tǒng)；在其平臺上所有的控制邏輯都是由硬件來完成，其內(nèi)部使用專用的硬件加速器，這樣就特別適合進(jìn)行大批量的高速數(shù)據(jù)傳輸控制；FPGA的組成形式靈活多樣，并且嵌入各種存儲資源，使系統(tǒng)容易獲得支持各種存儲器應(yīng)用和數(shù)字信號處理的高性能，而且支持串行總線和網(wǎng)絡(luò)接口等各種通信協(xié)議，從而降低了系統(tǒng)的成本。其次，用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線通信的信號傳輸，由于ZigBee有功耗小、成本低、廣泛的工作頻段和網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，不但在很大程度上減少了系統(tǒng)的設(shè)備量，而且便于系統(tǒng)靈活配置，快速移動(dòng)；因此，基于以上論述的思想和技術(shù)，我們還要在深層次近一步探討圖像處理技術(shù)，指紋識別等實(shí)用性技術(shù)，使得其在具體的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)安防工作中發(fā)揮更加強(qiáng)大的功能和作用。

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