無(wú)線(xiàn)網(wǎng)技術(shù)的區(qū)域家庭防盜報(bào)警系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

引言
??? 近年來(lái)，隨著生活水平的提高，家庭住宅面積不斷擴(kuò)大，居住環(huán)境越來(lái)越好，人們的居住質(zhì)量有了明顯的改善。同時(shí)，科技的日新月異帶動(dòng)了電子類(lèi)產(chǎn)品的快速發(fā)展，尤其是家用電子類(lèi)產(chǎn)品已經(jīng)成為人們生活必不可少的一部分。為家庭和小區(qū)用戶(hù)提供安防保障的家庭防盜報(bào)警系統(tǒng)也已走近人們的家庭。
??? 本系統(tǒng)利用單片機(jī)控制技術(shù)、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GSM移動(dòng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一種具有聯(lián)網(wǎng)功能的智能防盜系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用GSM移動(dòng)通信技術(shù)，可以使小區(qū)安防人員和用戶(hù)及時(shí)收到報(bào)警信息，在第一時(shí)間趕赴現(xiàn)場(chǎng)，從而使用戶(hù)損失降到最低。采用無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸方式，可以輕松組網(wǎng)。報(bào)警網(wǎng)絡(luò)可大可小，小到家庭獨(dú)立使用、小區(qū)組網(wǎng)，大到地區(qū)組網(wǎng)。采用無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸方式，不需要重新布線(xiàn)，可隨意放置監(jiān)視探頭，非常適合小區(qū)及家庭使用。

1 智能防盜報(bào)警系統(tǒng)工作原理
??? 智能防盜報(bào)警系統(tǒng)主要由4部分組成：無(wú)線(xiàn)防盜報(bào)警探頭、家庭主機(jī)、小區(qū)主機(jī)、地區(qū)主機(jī)。
??? 無(wú)線(xiàn)防盜報(bào)警探頭一般安裝在用戶(hù)住宅的窗戶(hù)上，其外形小巧美觀(guān)，可以直接貼在窗戶(hù)上。防盜報(bào)警探頭通過(guò)對(duì)振動(dòng)和紅外熱源的雙重探測(cè)原理，確認(rèn)盜賊的入侵。當(dāng)發(fā)現(xiàn)警情后立即啟動(dòng)自身聲光報(bào)警，震懾入侵者，同時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸方式將報(bào)警信息傳送給家庭報(bào)警主機(jī)。家庭報(bào)警主機(jī)立即將報(bào)警信息通過(guò)短信的方式發(fā)送到用戶(hù)手機(jī)、小區(qū)或地區(qū)的報(bào)警主機(jī)，同時(shí)可啟動(dòng)大功率的室內(nèi)聲光報(bào)警裝置，阻止進(jìn)一步的侵犯行為。
??? (1)無(wú)線(xiàn)防盜報(bào)警探頭
??? 采用振動(dòng)傳感器和紅外熱釋電傳感器雙重監(jiān)測(cè)原理確認(rèn)盜賊存在，保證了報(bào)警的準(zhǔn)確性。該探頭采用低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，功耗低，使用紐扣電池供電能夠工作一年以上。每一個(gè)無(wú)線(xiàn)防盜報(bào)警探頭均有唯一ID號(hào)碼，可以與其安裝的實(shí)際位置進(jìn)行匹配。通過(guò)用戶(hù)主機(jī)可以隨時(shí)修改這些位置設(shè)置，用戶(hù)可以通過(guò)報(bào)警短信收到報(bào)警的精確位置(具體到用戶(hù)住宅的窗戶(hù)位置)，便于通知相關(guān)人員盡快到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)。
??? (2)家庭主機(jī)
??? 可以發(fā)送報(bào)警短信，而且在居室內(nèi)啟動(dòng)聲光報(bào)警。預(yù)留大功率的電磁繼電器，可以驅(qū)動(dòng)其他家電進(jìn)行報(bào)警等動(dòng)作。報(bào)警對(duì)象可以進(jìn)行分組管理(家人、朋友、保安等)，以便根據(jù)優(yōu)先級(jí)通知最近人員盡快到達(dá)事故現(xiàn)場(chǎng)，減小用戶(hù)損失。
??? (3)小區(qū)主機(jī)和地區(qū)主機(jī)
??? 主要是根據(jù)報(bào)警短信內(nèi)容識(shí)別報(bào)警所在位置。根據(jù)報(bào)警短信內(nèi)容查詢(xún)地理信息識(shí)別系統(tǒng)，盡快派出最近的安保人員到達(dá)事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)。小區(qū)主機(jī)和地區(qū)主機(jī)有用戶(hù)注冊(cè)管理功能，管理本轄區(qū)的人網(wǎng)用戶(hù)群，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)管理報(bào)警日志。

2 智能防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
2．1 無(wú)線(xiàn)防盜報(bào)警探頭設(shè)計(jì)方案
??? 無(wú)線(xiàn)防盜報(bào)警探頭安裝于居室的各個(gè)窗戶(hù)上，體積小巧，功耗低，可直接貼在窗戶(hù)上，當(dāng)發(fā)現(xiàn)盜賊入侵時(shí)可以獨(dú)立聲光報(bào)警，并發(fā)送無(wú)線(xiàn)報(bào)警信號(hào)到家庭主機(jī)。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

??? (1)低功耗設(shè)計(jì)
??? 無(wú)線(xiàn)防盜報(bào)警探頭采用紐扣電池供電，需要低功耗的處理器。本方案選用Atreel公司的ATtiny44處理器。ATtiny是Atmel公司的低功耗系列產(chǎn)品，ATtiny44具有3種可單獨(dú)選擇的低功耗休眠模式，使ATtiny44在電池供電設(shè)備上有良好的表現(xiàn)。應(yīng)用軟件可在需要時(shí)調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘頻率以達(dá)到最佳功耗性能，例如在系統(tǒng)閑置時(shí)調(diào)慢微處理器部分模塊的時(shí)鐘頻率。利用AVR Power Stop System，用戶(hù)停止使用微處理器時(shí)可以關(guān)閉定時(shí)器、ADC等能耗模塊，ATtiny44在掉電(PowerDown)模式下耗電量還不到10O nA。要求無(wú)線(xiàn)傳感器的體積盡可能小，以便安裝，ATti-ny44小巧的封裝也使得整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器體積大為縮小。ATtiny44平時(shí)工作在掉電狀態(tài)下，為功耗最小模式。當(dāng)有報(bào)警信號(hào)時(shí)處理器從中斷中喚醒，判斷是否為盜賊入侵，如果不是則重新回到掉電模式，如果是盜賊入侵則啟動(dòng)無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊發(fā)射無(wú)線(xiàn)報(bào)警信息。
??? (2)紅外熱釋電傳感器
??? 在自然界，任何高于絕對(duì)溫度(-273 K)的物體都將產(chǎn)生紅外光譜，不同溫度的物體釋放的紅外波長(zhǎng)是不一樣的，紅外波長(zhǎng)與溫度相關(guān)，而且輻射能量的大小與物體表面溫度有關(guān)。人體都有恒定的體溫，一般在37℃左右，會(huì)發(fā)出10 mm左右特定波長(zhǎng)的紅外線(xiàn)，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的紅外線(xiàn)而進(jìn)行工作的。被動(dòng)紅外探頭的傳感器包含2個(gè)串聯(lián)的熱釋電元件，2個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對(duì)2個(gè)熱釋電元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，此時(shí)探測(cè)器無(wú)信號(hào)輸出。紅外線(xiàn)通過(guò)菲涅耳濾光片增強(qiáng)后聚集到熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。
??? (3)無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊
??? 無(wú)線(xiàn)傳感器的無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊選用的是Chipcon公司的CCll50單發(fā)芯片。CCll50具有豐富的頻率資源，需要極少的外部元件。CCll50具有休眠狀態(tài)，在沒(méi)有報(bào)警信息的時(shí)候，可以將其設(shè)置為休眠狀態(tài)，減少電池的電量消耗。當(dāng)有報(bào)警信息時(shí)，無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊被喚醒，發(fā)射報(bào)警信號(hào)完成后無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊關(guān)閉。
2．2 家庭主機(jī)設(shè)計(jì)方案
??? 家庭主機(jī)是整個(gè)家庭智能防盜報(bào)警系統(tǒng)的核心，其自身既可以在收到報(bào)警信號(hào)后獨(dú)立報(bào)警，驅(qū)走盜賊，還能發(fā)送報(bào)警短信到小區(qū)主機(jī)和地區(qū)主機(jī)，通知安防人員盡快到來(lái)。家庭主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

??? (1)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊
??? 家庭主機(jī)采用Chipcon公司的CCllOO無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，該芯片可與CCll50單發(fā)芯片匹配使用，具有豐富的頻率資源，接收靈敏度高，完全可以滿(mǎn)足室內(nèi)無(wú)線(xiàn)傳感器信號(hào)的接收任務(wù)。當(dāng)接收到無(wú)線(xiàn)報(bào)警信號(hào)后，CCll00將接收到的數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后發(fā)出聲光報(bào)警和短信報(bào)警信息。

??? (2)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)
??? 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)指定范圍內(nèi)的目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤，具有展開(kāi)快速、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)。區(qū)域家庭智能防盜報(bào)警系統(tǒng)利用了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)原理布設(shè)了無(wú)線(xiàn)智能防盜報(bào)警網(wǎng)絡(luò)，其中無(wú)線(xiàn)防盜報(bào)警探頭為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)，家庭主機(jī)為簇頭節(jié)點(diǎn)，小區(qū)主機(jī)為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)防盜報(bào)警探頭的報(bào)警信息可以及時(shí)匯聚到小區(qū)主機(jī)，小區(qū)主機(jī)及時(shí)反映，使安防人員能夠快速響應(yīng)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

??? (3)微處理器
??? 家庭主機(jī)對(duì)微處理器的要求稍高，微處理器同時(shí)連接無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊和GSM模塊，并有上位機(jī)通信接口。本方案選用ATmegal28微處理器，ATmegal28有2個(gè)串口，還有SPI接口，可以滿(mǎn)足上述功能要求。另外，還具有豐富的I／O口資源，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警和繼電器的動(dòng)作。ATmegal28內(nèi)置4 KB的EEPROM，可擦寫(xiě)100 000次。因?yàn)榧彝ブ鳈C(jī)需要管理無(wú)線(xiàn)防盜報(bào)警探頭的位置信息及ID，存儲(chǔ)報(bào)警用戶(hù)的報(bào)警電話(huà)、報(bào)警短信內(nèi)容、報(bào)警次數(shù)等，所以4 KB的EEPROM可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)微處理器從無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊接收到報(bào)警信息后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，查找已激活的無(wú)線(xiàn)傳感器列表，找到與ID號(hào)相對(duì)應(yīng)的傳感器，讀出其具體位置信息，將位置信息插入到已預(yù)置的報(bào)警短信后，按照?qǐng)?bào)警用戶(hù)列表依次通過(guò)GSM模塊發(fā)送給報(bào)警用戶(hù)。
??? (4)GSM模塊
??? GSM網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量高，保密性好，網(wǎng)絡(luò)容量大，抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)全球自動(dòng)漫游，并為用戶(hù)提供了語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、短信息等多種業(yè)務(wù)，是目前我國(guó)最成熟、最完善、覆蓋面最廣、應(yīng)用最廣泛的移動(dòng)通信系統(tǒng)。GSM網(wǎng)絡(luò)的短消息是通過(guò)信令信道傳輸信息，為GSM通信網(wǎng)所特有。它不用撥號(hào)建立連接，可直接把要發(fā)的信息加上信宿先發(fā)送到短消息服務(wù)中心SMSC，再由SMSC在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻轉(zhuǎn)發(fā)給最終的信宿。短消息業(yè)務(wù)與話(huà)音傳輸及傳真一樣，同為GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供的主要電信業(yè)務(wù)。它通過(guò)無(wú)線(xiàn)控制信道進(jìn)行傳輸，經(jīng)短消息業(yè)務(wù)中心完成存儲(chǔ)和前轉(zhuǎn)功能，每條短消息可以發(fā)送70個(gè)漢字，可以包含報(bào)警用戶(hù)名稱(chēng)、報(bào)警地點(diǎn)的具體地址和無(wú)線(xiàn)防盜報(bào)警探頭的安放位置，清晰地描述出事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)位置，保證安保人員能夠在第一時(shí)間到達(dá)事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)。
??? (5)鍵盤(pán)及顯示
??? 鍵盤(pán)可以用來(lái)設(shè)置家庭報(bào)警器的各種功能，通過(guò)顯示可以看到家庭報(bào)警主機(jī)的各個(gè)狀態(tài)?；镜呐渲貌僮骺梢酝ㄟ^(guò)鍵盤(pán)來(lái)設(shè)置，一些高級(jí)的設(shè)置需要通過(guò)安裝在電腦上的配置軟件進(jìn)行設(shè)置?；九渲每梢允箞?bào)警系統(tǒng)正常工作，一些不方便使用電腦的用戶(hù)也能輕松使用此報(bào)警系統(tǒng)。基本的配置操作包括家庭防盜報(bào)警器的開(kāi)關(guān)，報(bào)警用戶(hù)的設(shè)置、啟用激活和分組管理，無(wú)線(xiàn)防盜報(bào)警探頭的注冊(cè)和啟用激活，簡(jiǎn)單報(bào)警日志的管理。
??? (6)配置軟件
??? 家庭主機(jī)配有配置軟件，安裝于家用電腦中。配置軟件的主要作用有：
??? ①報(bào)警用戶(hù)設(shè)置?？梢栽O(shè)置報(bào)警用戶(hù)的姓名、手機(jī)號(hào)和啟用狀態(tài)，可以進(jìn)行分組管理，區(qū)分不同報(bào)警用戶(hù)的優(yōu)先級(jí)。
??? ②無(wú)線(xiàn)防盜報(bào)警探頭設(shè)置?？梢栽O(shè)置無(wú)線(xiàn)報(bào)警的ID號(hào)碼、無(wú)線(xiàn)防盜報(bào)警探頭放置的窗戶(hù)位置和啟用狀態(tài)。
??? ③報(bào)警短信設(shè)置。設(shè)置報(bào)警短信的預(yù)置內(nèi)容，當(dāng)有無(wú)線(xiàn)防盜報(bào)警探頭發(fā)送報(bào)警信息時(shí)，只需要將戶(hù)主名稱(chēng)和無(wú)線(xiàn)防盜報(bào)警探頭的位置信息插入預(yù)置的報(bào)警短信，就可以直接交由GSM模塊發(fā)送出去。
??? ④報(bào)警日志管理?？梢圆榭醋罱膱?bào)警信息詳情，管理報(bào)警記錄信息。
2．3 小區(qū)主機(jī)設(shè)計(jì)方案
??? 小區(qū)主機(jī)主要是進(jìn)行居民小區(qū)內(nèi)的用戶(hù)管理，安防范圍覆蓋整個(gè)小區(qū)，適合于小區(qū)保安部門(mén)安裝，對(duì)整個(gè)小區(qū)進(jìn)行安全防護(hù)監(jiān)管，小區(qū)主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

??? (1)GSM模塊
??? 同家庭報(bào)警主機(jī)一樣，小區(qū)主機(jī)配備了一樣的GSM通信模塊，當(dāng)GSM模塊收到報(bào)警信號(hào)后，立即將報(bào)警信息傳送給微處理器，微處理器將短信信息通過(guò)串口傳遞給上位機(jī)軟件。
??? (2)報(bào)警功能
??? 軟件的主要功能是收到微處理器傳送的報(bào)警信息后，及時(shí)顯示出來(lái)，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒值班人員快速做出反應(yīng)，盡快到達(dá)事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)。
??? (3)數(shù)據(jù)管理
??? 小區(qū)主機(jī)的用戶(hù)比較多，需要使用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理。上位機(jī)使用sQL server進(jìn)行用戶(hù)數(shù)據(jù)管理。上位機(jī)軟件進(jìn)行小區(qū)內(nèi)的用戶(hù)管理，小區(qū)的用戶(hù)首次使用報(bào)警系統(tǒng)時(shí)，需要用戶(hù)通過(guò)向小區(qū)主機(jī)發(fā)送注冊(cè)短信，或者到小區(qū)主機(jī)以人工輸入的方式登記注冊(cè)個(gè)人信息，建立小區(qū)報(bào)警用戶(hù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。上位機(jī)軟件管理報(bào)警日志，對(duì)每次的報(bào)警都詳細(xì)記錄，方便事后查找。
2．4 地區(qū)主機(jī)設(shè)計(jì)方案
??? 地區(qū)主機(jī)的管理范圍涉及整個(gè)地區(qū)，可能包含地區(qū)內(nèi)的若干個(gè)小區(qū)，用戶(hù)更加龐大，適合于地區(qū)的公安部門(mén)安裝，可以有效協(xié)助管理地區(qū)治安。地區(qū)主機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)與小區(qū)主機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)相同，但上位機(jī)軟件功能更加強(qiáng)大，擁有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能和地圖定位系統(tǒng)。由于地區(qū)主機(jī)管理范圍的逐漸擴(kuò)大，報(bào)警方式有可能并行發(fā)生，所以最直觀(guān)的呈現(xiàn)方式就是當(dāng)有報(bào)警發(fā)生時(shí)能夠在地圖中直接顯示其確切位置。所以地區(qū)主機(jī)具有良好的地圖數(shù)據(jù)信息，可根據(jù)報(bào)警信息的地址內(nèi)容，查詢(xún)地理信息數(shù)據(jù)，將與報(bào)警信息對(duì)應(yīng)的地理位置直接顯示在地圖上。如果能配合警力GPS定位系統(tǒng)，可使警方更快到達(dá)事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)，將用戶(hù)損失降到最低。

結(jié)語(yǔ)
??? 本文闡述了區(qū)域家庭智能防盜報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試證明無(wú)線(xiàn)防盜報(bào)警探頭的報(bào)警響應(yīng)及時(shí)且準(zhǔn)確無(wú)誤，其自身的聲光報(bào)警動(dòng)作能夠?qū)ΡI賊起到震懾作用。家庭主機(jī)可以及時(shí)接收?qǐng)?bào)警信號(hào)，驅(qū)動(dòng)更大的聲光報(bào)警，同時(shí)戶(hù)主、其他報(bào)警用戶(hù)、小區(qū)主機(jī)和地區(qū)主機(jī)能夠快速收到包含精確報(bào)警位置的報(bào)警短信，有效指導(dǎo)小區(qū)和地區(qū)的安防人員快速到達(dá)事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)。這套系統(tǒng)可以有效防止盜賊入侵，滿(mǎn)足不同家庭用戶(hù)的安防需求，還可以協(xié)助小區(qū)和地區(qū)管理治安，有很好的應(yīng)用效果。