基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的公寓安全監(jiān)控系統(tǒng)研究

史振江+鄭華

摘要：為了解決公寓安全問題，利用FPGA設(shè)計(jì)了公寓安全監(jiān)控系統(tǒng)。利用多種傳感器對(duì)公寓的安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知與監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)報(bào)警、防盜報(bào)警以及大功率電器使用報(bào)警等功能。系統(tǒng)根據(jù)報(bào)警安全級(jí)別對(duì)來自不同傳感器的報(bào)警信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終完成報(bào)警輸出。利用VERILOG語言編寫了各個(gè)模塊電路的程序，通過QUARTUSII軟件的時(shí)序仿真實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)公寓安全的有效監(jiān)控與報(bào)警。

關(guān)鍵詞：防盜報(bào)警；傳感器；安全監(jiān)控；FPGA

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）06-0093-03

學(xué)生公寓的安全事故時(shí)有發(fā)生而且近年來呈上升趨勢(shì)，給學(xué)生個(gè)人以及學(xué)校都造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響，學(xué)生公寓的安全成為社會(huì)尤其是學(xué)生家長和教育界關(guān)注的焦點(diǎn)問題，很多學(xué)者對(duì)學(xué)生公寓安全的監(jiān)測(cè)與控制進(jìn)行了大量的研究工作[1-3]。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）器件是一種新型的高密度可編程邏輯器件，采用CMOS-SRAM工藝制造。它不僅具有很高的速度和可靠性，而且具有可重復(fù)編程的特點(diǎn)。因此，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列使數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常靈活，在信號(hào)采集與處理、復(fù)雜邏輯控制等方面得到了廣泛的應(yīng)用[4-11]。

本文利用ALTERA公司的EP4CE6E22C8芯片作為控制芯片構(gòu)建了公寓安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)報(bào)警、防盜報(bào)警以及大功率電器使用報(bào)警3路報(bào)警信號(hào)的數(shù)據(jù)融合。

1 系統(tǒng)框圖

公寓安全監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)由FPGA主控芯片、火災(zāi)檢測(cè)電路、紅外防盜電路、大功率電器檢測(cè)電路、報(bào)警輸出電路以及供電控制電路組成。

火災(zāi)檢測(cè)電路負(fù)責(zé)采集煙霧數(shù)據(jù)，并將信息傳送給FPGA用以判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，如果確認(rèn)有火災(zāi)發(fā)生則立即通過供電控制電路切斷電源。紅外防盜電路負(fù)責(zé)檢測(cè)是否有陌生人闖入房間，一旦發(fā)現(xiàn)立即發(fā)出聲光報(bào)警。大功率電器檢測(cè)電路負(fù)責(zé)檢測(cè)是否有大功率電器使用，一旦發(fā)現(xiàn)立即通過供電控制電路切斷電源并發(fā)出聲音警告，間隔一定時(shí)間后自動(dòng)恢復(fù)供電。FPGA的數(shù)據(jù)融合模塊根據(jù)安全級(jí)別由高到低的順序依次檢測(cè)來自不同傳感器的報(bào)警信號(hào)，最終完成報(bào)警輸出。

2 模塊電路設(shè)計(jì)

2.1 邊沿檢測(cè)模塊

FPGA的邊沿檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)接收防火防盜電路的輸出信號(hào)。紅外防盜電路利用紅外熱釋電傳感器檢測(cè)是否有陌生人闖入房間，一旦發(fā)現(xiàn)立即發(fā)出聲光報(bào)警。紅外熱釋電傳感器是一種以非接觸的形式感應(yīng)紅外輻射并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的儀器，利用熱電效應(yīng)原理來完成對(duì)移動(dòng)物體紅外輻射的感應(yīng)。具有功耗小、成本低、隱蔽性好、靈敏度高等特點(diǎn)。熱釋電傳感器沒有檢測(cè)到人體移動(dòng)時(shí)輸出低電平，反之當(dāng)熱釋電傳感器檢測(cè)到人體移動(dòng)時(shí)輸出高電平，即輸出端會(huì)出現(xiàn)由低到高的上升沿信號(hào)。

火災(zāi)檢測(cè)電路利用煙霧傳感器檢測(cè)CO煙霧濃度用以判斷是否發(fā)生火災(zāi)。煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，它將可燃性氣體在空氣中的含量（即濃度）轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過比較電路可以設(shè)置檢測(cè)的靈敏度，比較電路的輸出為數(shù)字量。沒有檢測(cè)到CO煙霧比較電路輸出低電平，如果檢測(cè)到CO煙霧并且超過參考值則比較電路輸出高電平，即輸出端會(huì)出現(xiàn)由低到高的上升沿信號(hào)。

FPGA的邊沿檢測(cè)模塊具有兩個(gè)輸入引腳分別檢測(cè)紅外防盜電路輸出的上升沿和火災(zāi)檢測(cè)電路輸出的上升沿。如果檢測(cè)到上升沿信號(hào)則確定有盜竊或者火災(zāi)情況，并立即進(jìn)行報(bào)警提示。

邊沿檢測(cè)模塊的時(shí)序仿真圖如圖2所示，fire引腳接收火災(zāi)檢測(cè)電路的輸出，theft引腳接收紅外防盜電路的輸出，safe_alert[1..0]引腳為報(bào)警輸出引腳。如果檢測(cè)到fire引腳上升沿到來就表示有火災(zāi)發(fā)生，safe_alert t[1..0]引腳輸出二進(jìn)制01，如圖（a）所示，如果檢測(cè)到theft引腳上升沿到來就表示有盜竊發(fā)生，safe_alert t[1..0]引腳輸出二進(jìn)制10，如圖（b）所示。

2.2 A/D控制模塊設(shè)計(jì)

利用ICL7135實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率電器檢測(cè)電路的輸出電壓信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，ICL7135是高精度4位半CMOS雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，具有雙極性高阻抗差動(dòng)輸入、自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)極性和超量程判別等功能，具有±20000個(gè)計(jì)數(shù)分辨率，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字碼有串行輸出與分時(shí)并行輸出兩種輸出方式，與微處理器接口十分方便。

FPGA與ICL7135的接口電路如圖3所示。電流互感器串聯(lián)在220V交流電路中，輸出的電流信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路得到與電流呈線性關(guān)系的電壓峰值信號(hào)Um。Um輸入到A/D 轉(zhuǎn)換ICL7135轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量并經(jīng)過FPGA計(jì)算可以得到房間供電的視在功率。

設(shè)置FPGA的rh引腳為高電平，啟動(dòng)ICL7135進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，ICL7135的BUSY引腳出現(xiàn)上升沿。FPGA的busy引腳檢測(cè)到上升沿時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)clkin引腳輸入的脈沖（即ICL7135的時(shí)鐘脈沖CLOCK）進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，ICL7135的BUSY引腳出現(xiàn)下降沿，F(xiàn)PGA的busy引腳檢測(cè)到下降沿時(shí)停止內(nèi)部計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果S 即完成A/D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)鐘脈沖數(shù)。假設(shè)交流電流到Um的變換系數(shù)為K，A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓為Vref，則可以計(jì)算出供電線路的供電電流IAC的大小為：

一旦發(fā)現(xiàn)電流增加值超過程序設(shè)定的閾值則判定為有大功率電器使用，F(xiàn)PGA立即通過供電控制電路切斷電源以防止引起電氣火災(zāi)，同時(shí)發(fā)出聲音警告，間隔一定時(shí)間后自動(dòng)恢復(fù)供電。

A/D控制模塊的時(shí)序仿真圖如圖4所示，rh引腳出現(xiàn)正脈沖啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，在整個(gè)轉(zhuǎn)換期間busy引腳是高電平，busy信號(hào)和clkin信號(hào)做與運(yùn)算，則clkout為busy高電平期間通過的clkin脈沖。計(jì)數(shù)器對(duì)clkout脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果放在clkcnt寄存器中，如果給定（1）式中的IAC閾值，則計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)閾值確定，若果clkcnt的計(jì)數(shù)值S超過此計(jì)數(shù)閾值，則報(bào)警輸出信號(hào)power_alert輸出高電平。圖4（a）中計(jì)數(shù)值沒有達(dá)到計(jì)數(shù)閾值， power_alert輸出低電平不進(jìn)行報(bào)警；圖4（b）中計(jì)數(shù)值達(dá)到計(jì)數(shù)閾值，power_alert輸出高電平進(jìn)行報(bào)警。endprint

2.3 數(shù)據(jù)融合模塊

FPGA的數(shù)據(jù)融合模塊負(fù)責(zé)接收來自多個(gè)傳感器的報(bào)警信號(hào)的分析和判斷。在安全防范的重要性上，火災(zāi)傳感器的報(bào)警信號(hào)級(jí)別最高，其次是防盜傳感器的報(bào)警信號(hào)，最后是電流傳感器的報(bào)警信號(hào)。因此數(shù)據(jù)融合模塊應(yīng)該按照優(yōu)先級(jí)別由高到低的順序依次檢測(cè)來自不同傳感器的報(bào)警信號(hào)，如果有級(jí)別的高的報(bào)警信號(hào)產(chǎn)生可以直接產(chǎn)生最終的報(bào)警輸出信號(hào)，而不必再檢測(cè)級(jí)別低的報(bào)警信號(hào)。數(shù)據(jù)融合模塊的時(shí)序仿真圖如圖5所示，當(dāng)有火災(zāi)報(bào)警（firet_alert= 1）時(shí)，alert_out輸出100，當(dāng)有防盜報(bào)警（theft_alert=1）時(shí)，alert_out輸出010，當(dāng)有大功率電器報(bào)警（power_alert=1）時(shí)，alert_out輸出001。圖5（a）中當(dāng)3路信號(hào)同時(shí)報(bào)警時(shí)，因?yàn)閒ire_alert優(yōu)先級(jí)最高，所以報(bào)警輸出alert_out輸出100。圖5（b）中當(dāng)theft_alert和power_alert同時(shí)報(bào)警時(shí)，因?yàn)閠heft_alert優(yōu)先級(jí)高于power_alert，所以報(bào)警輸出alert_out輸出010。圖5（c）中當(dāng)只有power_alert報(bào)警時(shí)，報(bào)警輸出alert_out輸出001。

3 結(jié)語

本文利用FPGA設(shè)計(jì)了一個(gè)公寓安全監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，利用多種傳感器對(duì)公寓的安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知、監(jiān)測(cè)與報(bào)警。系統(tǒng)根據(jù)報(bào)警安全級(jí)別對(duì)來自不同傳感器的報(bào)警信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，不同報(bào)警信號(hào)輸出不同的報(bào)警類型代碼，實(shí)現(xiàn)了多路報(bào)警信號(hào)的融合與識(shí)別。通過QUARTUSII軟件進(jìn)行了各個(gè)模塊電路的時(shí)序仿真，驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)公寓安全監(jiān)控與報(bào)警的有效性。

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