無線網(wǎng)技術(shù)的區(qū)域家庭防盜報警系統(tǒng)原理與設(shè)計

引言
??? 近年來，隨著生活水平的提高，家庭住宅面積不斷擴大，居住環(huán)境越來越好，人們的居住質(zhì)量有了明顯的改善。同時，科技的日新月異帶動了電子類產(chǎn)品的快速發(fā)展，尤其是家用電子類產(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)用戶提供安防保障的家庭防盜報警系統(tǒng)也已走近人們的家庭。
??? 本系統(tǒng)利用單片機控制技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GSM移動通信技術(shù)，實現(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移動通信技術(shù)，可以使小區(qū)安防人員和用戶及時收到報警信息，在第一時間趕赴現(xiàn)場，從而使用戶損失降到最低。采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，可以輕松組網(wǎng)。報警網(wǎng)絡(luò)可大可小，小到家庭獨立使用、小區(qū)組網(wǎng)，大到地區(qū)組網(wǎng)。采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，不需要重新布線，可隨意放置監(jiān)視探頭，非常適合小區(qū)及家庭使用。

1 智能防盜報警系統(tǒng)工作原理
??? 智能防盜報警系統(tǒng)主要由4部分組成：無線防盜報警探頭、家庭主機、小區(qū)主機、地區(qū)主機。
??? 無線防盜報警探頭一般安裝在用戶住宅的窗戶上，其外形小巧美觀，可以直接貼在窗戶上。防盜報警探頭通過對振動和紅外熱源的雙重探測原理，確認盜賊的入侵。當(dāng)發(fā)現(xiàn)警情后立即啟動自身聲光報警，震懾入侵者，同時通過無線數(shù)據(jù)傳輸方式將報警信息傳送給家庭報警主機。家庭報警主機立即將報警信息通過短信的方式發(fā)送到用戶手機、小區(qū)或地區(qū)的報警主機，同時可啟動大功率的室內(nèi)聲光報警裝置，阻止進一步的侵犯行為。
??? (1)無線防盜報警探頭
??? 采用振動傳感器和紅外熱釋電傳感器雙重監(jiān)測原理確認盜賊存在，保證了報警的準確性。該探頭采用低功耗設(shè)計技術(shù)，功耗低，使用紐扣電池供電能夠工作一年以上。每一個無線防盜報警探頭均有唯一ID號碼，可以與其安裝的實際位置進行匹配。通過用戶主機可以隨時修改這些位置設(shè)置，用戶可以通過報警短信收到報警的精確位置(具體到用戶住宅的窗戶位置)，便于通知相關(guān)人員盡快到達事故現(xiàn)場。
??? (2)家庭主機
??? 可以發(fā)送報警短信，而且在居室內(nèi)啟動聲光報警。預(yù)留大功率的電磁繼電器，可以驅(qū)動其他家電進行報警等動作。報警對象可以進行分組管理(家人、朋友、保安等)，以便根據(jù)優(yōu)先級通知最近人員盡快到達事故現(xiàn)場，減小用戶損失。
??? (3)小區(qū)主機和地區(qū)主機
??? 主要是根據(jù)報警短信內(nèi)容識別報警所在位置。根據(jù)報警短信內(nèi)容查詢地理信息識別系統(tǒng)，盡快派出最近的安保人員到達事發(fā)現(xiàn)場。小區(qū)主機和地區(qū)主機有用戶注冊管理功能，管理本轄區(qū)的人網(wǎng)用戶群，同時通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理報警日志。

2 智能防盜報警系統(tǒng)設(shè)計方案
2．1 無線防盜報警探頭設(shè)計方案
??? 無線防盜報警探頭安裝于居室的各個窗戶上，體積小巧，功耗低，可直接貼在窗戶上，當(dāng)發(fā)現(xiàn)盜賊入侵時可以獨立聲光報警，并發(fā)送無線報警信號到家庭主機。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

??? (1)低功耗設(shè)計
??? 無線防盜報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)用軟件可在需要時調(diào)整系統(tǒng)時鐘頻率以達到最佳功耗性能，例如在系統(tǒng)閑置時調(diào)慢微處理器部分模塊的時鐘頻率。利用AVR Power Stop System，用戶停止使用微處理器時可以關(guān)閉定時器、ADC等能耗模塊，ATtiny44在掉電(PowerDown)模式下耗電量還不到10O nA。要求無線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無線傳感器體積大為縮小。ATtiny44平時工作在掉電狀態(tài)下，為功耗最小模式。當(dāng)有報警信號時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無線發(fā)射模塊發(fā)射無線報警信息。
??? (2)紅外熱釋電傳感器
??? 在自然界，任何高于絕對溫度(-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是不一樣的，紅外波長與溫度相關(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，會發(fā)出10 mm左右特定波長的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的紅外線而進行工作的。被動紅外探頭的傳感器包含2個串聯(lián)的熱釋電元件，2個電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對2個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，此時探測器無信號輸出。紅外線通過菲涅耳濾光片增強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就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號。
??? (3)無線發(fā)射模塊
??? 無線傳感器的無線發(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)，在沒有報警信息的時候，可以將其設(shè)置為休眠狀態(tài)，減少電池的電量消耗。當(dāng)有報警信息時，無線發(fā)射模塊被喚醒，發(fā)射報警信號完成后無線發(fā)射模塊關(guān)閉。
2．2 家庭主機設(shè)計方案
??? 家庭主機是整個家庭智能防盜報警系統(tǒng)的核心，其自身既可以在收到報警信號后獨立報警，驅(qū)走盜賊，還能發(fā)送報警短信到小區(qū)主機和地區(qū)主機，通知安防人員盡快到來。家庭主機硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

??? (1)無線收發(fā)模塊
??? 家庭主機采用Chipcon公司的CCllOO無線收發(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，完全可以滿足室內(nèi)無線傳感器信號的接收任務(wù)。當(dāng)接收到無線報警信號后，CCll00將接收到的數(shù)據(jù)傳輸給單片機，單片機對數(shù)據(jù)進行分析，然后發(fā)出聲光報警和短信報警信息。

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

??? (3)微處理器
??? 家庭主機對微處理器的要求稍高，微處理器同時連接無線收發(fā)模塊和GSM模塊，并有上位機通信接口。本方案選用ATmegal28微處理器，ATmegal28有2個串口，還有SPI接口，可以滿足上述功能要求。另外，還具有豐富的I／O口資源，可以用來驅(qū)動聲光報警和繼電器的動作。ATmegal28內(nèi)置4 KB的EEPROM，可擦寫100 000次。因為家庭主機需要管理無線防盜報警探頭的位置信息及ID，存儲報警用戶的報警電話、報警短信內(nèi)容、報警次數(shù)等，所以4 KB的EEPROM可以很好地解決這個問題。當(dāng)微處理器從無線收發(fā)模塊接收到報警信息后，需要對數(shù)據(jù)進行分析，查找已激活的無線傳感器列表，找到與ID號相對應(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)置的報警短信后，按照報警用戶列表依次通過GSM模塊發(fā)送給報警用戶。
??? (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，可實現(xiàn)全球自動漫游，并為用戶提供了語音、數(shù)據(jù)、短信息等多種業(yè)務(wù)，是目前我國最成熟、最完善、覆蓋面最廣、應(yīng)用最廣泛的移動通信系統(tǒng)。GSM網(wǎng)絡(luò)的短消息是通過信令信道傳輸信息，為GSM通信網(wǎng)所特有。它不用撥號建立連接，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刻轉(zhuǎn)發(fā)給最終的信宿。短消息業(yè)務(wù)與話音傳輸及傳真一樣，同為GSM數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)提供的主要電信業(yè)務(wù)。它通過無線控制信道進行傳輸，經(jīng)短消息業(yè)務(wù)中心完成存儲和前轉(zhuǎn)功能，每條短消息可以發(fā)送70個漢字，可以包含報警用戶名稱、報警地點的具體地址和無線防盜報警探頭的安放位置，清晰地描述出事發(fā)現(xiàn)場位置，保證安保人員能夠在第一時間到達事發(fā)現(xiàn)場。
??? (5)鍵盤及顯示
??? 鍵盤可以用來設(shè)置家庭報警器的各種功能，通過顯示可以看到家庭報警主機的各個狀態(tài)。基本的配置操作可以通過鍵盤來設(shè)置，一些高級的設(shè)置需要通過安裝在電腦上的配置軟件進行設(shè)置?；九渲每梢允箞缶到y(tǒng)正常工作，一些不方便使用電腦的用戶也能輕松使用此報警系統(tǒng)?；镜呐渲貌僮靼彝シ辣I報警器的開關(guān)，報警用戶的設(shè)置、啟用激活和分組管理，無線防盜報警探頭的注冊和啟用激活，簡單報警日志的管理。
??? (6)配置軟件
??? 家庭主機配有配置軟件，安裝于家用電腦中。配置軟件的主要作用有：
??? ①報警用戶設(shè)置?？梢栽O(shè)置報警用戶的姓名、手機號和啟用狀態(tài)，可以進行分組管理，區(qū)分不同報警用戶的優(yōu)先級。
??? ②無線防盜報警探頭設(shè)置?？梢栽O(shè)置無線報警的ID號碼、無線防盜報警探頭放置的窗戶位置和啟用狀態(tài)。
??? ③報警短信設(shè)置。設(shè)置報警短信的預(yù)置內(nèi)容，當(dāng)有無線防盜報警探頭發(fā)送報警信息時，只需要將戶主名稱和無線防盜報警探頭的位置信息插入預(yù)置的報警短信，就可以直接交由GSM模塊發(fā)送出去。
??? ④報警日志管理。可以查看最近的報警信息詳情，管理報警記錄信息。
2．3 小區(qū)主機設(shè)計方案
??? 小區(qū)主機主要是進行居民小區(qū)內(nèi)的用戶管理，安防范圍覆蓋整個小區(qū)，適合于小區(qū)保安部門安裝，對整個小區(qū)進行安全防護監(jiān)管，小區(qū)主機硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

??? (1)GSM模塊
??? 同家庭報警主機一樣，小區(qū)主機配備了一樣的GSM通信模塊，當(dāng)GSM模塊收到報警信號后，立即將報警信息傳送給微處理器，微處理器將短信信息通過串口傳遞給上位機軟件。
??? (2)報警功能
??? 軟件的主要功能是收到微處理器傳送的報警信息后，及時顯示出來，同時發(fā)出聲光報警，提醒值班人員快速做出反應(yīng)，盡快到達事發(fā)現(xiàn)場。
??? (3)數(shù)據(jù)管理
??? 小區(qū)主機的用戶比較多，需要使用數(shù)據(jù)庫進行管理。上位機使用sQL server進行用戶數(shù)據(jù)管理。上位機軟件進行小區(qū)內(nèi)的用戶管理，小區(qū)的用戶首次使用報警系統(tǒng)時，需要用戶通過向小區(qū)主機發(fā)送注冊短信，或者到小區(qū)主機以人工輸入的方式登記注冊個人信息，建立小區(qū)報警用戶的數(shù)據(jù)庫。上位機軟件管理報警日志，對每次的報警都詳細記錄，方便事后查找。
2．4 地區(qū)主機設(shè)計方案
??? 地區(qū)主機的管理范圍涉及整個地區(qū)，可能包含地區(qū)內(nèi)的若干個小區(qū)，用戶更加龐大，適合于地區(qū)的公安部門安裝，可以有效協(xié)助管理地區(qū)治安。地區(qū)主機的硬件結(jié)構(gòu)與小區(qū)主機的硬件結(jié)構(gòu)相同，但上位機軟件功能更加強大，擁有更強的數(shù)據(jù)庫管理功能和地圖定位系統(tǒng)。由于地區(qū)主機管理范圍的逐漸擴大，報警方式有可能并行發(fā)生，所以最直觀的呈現(xiàn)方式就是當(dāng)有報警發(fā)生時能夠在地圖中直接顯示其確切位置。所以地區(qū)主機具有良好的地圖數(shù)據(jù)信息，可根據(jù)報警信息的地址內(nèi)容，查詢地理信息數(shù)據(jù)，將與報警信息對應(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)，可使警方更快到達事發(fā)現(xiàn)場，將用戶損失降到最低。

結(jié)語
??? 本文闡述了區(qū)域家庭智能防盜報警系統(tǒng)的設(shè)計?，F(xiàn)場調(diào)試證明無線防盜報警探頭的報警響應(yīng)及時且準確無誤，其自身的聲光報警動作能夠?qū)ΡI賊起到震懾作用。家庭主機可以及時接收報警信號，驅(qū)動更大的聲光報警，同時戶主、其他報警用戶、小區(qū)主機和地區(qū)主機能夠快速收到包含精確報警位置的報警短信，有效指導(dǎo)小區(qū)和地區(qū)的安防人員快速到達事發(fā)現(xiàn)場。這套系統(tǒng)可以有效防止盜賊入侵，滿足不同家庭用戶的安防需求，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。