（控制理论与控制工程专业论文）智能化住宅防盗防火系统的设计.pdf

摘要 y 9 3 0 1 2 s 随着信息技术的飞速发展以及人们生活水平的大幅度提高，人们对住宅的需求已 从追求简单的生存空间向着追求功能性、舒适性、安全性等多重需求过渡，智能住宅 由此应运而生。智能住宅是住宅建筑与计算机、通信、控制等技术有机结合的产物， 它采用智能管理和控制的方法，将居室内各种安全设施、信息设备及家用电器，通过 信息网络连接起来，构成完整的智能化系统，并与小区物业管理系统互联，形成了开 放式的小区管理体系。 本文重点介绍了智能化住宅中的无线防盗防火报警系统的硬件以及软件设计。本 报警系统集防盗、防火功能于一体，可实现自动检测、自动电话拨号报警以及向管理 中心传送警情信息等功能。 为使系统性价比高、运行可靠，又能够实现智能小区安全防范、信息采集的要求， 本人对现场总线技术和它的一种解决方案- - c a n 网络技术进行了研究，并针对我国目 前小区智能化系统的现状及未来的发展趋势，分别提出了适用于小型智能小区的两级 c a n 总线控制系统和适用于大、中型智能小区的三级c a n 总线控制系统。此两种控制 系统其智能网络模型均采用符合现场总线要求的c a n 网络技术构建，本文针对我国小 区智能化系统未来的发展趋势，重点介绍了三级c a n 总线控制系统的硬件、软件设计。 三级c a n 总线控制系统总体结构为上层由中央控制器和区域控制器构成，下层由 用户端自动报警器和区域控制器构成。区域控制器和中央控制器之间以及用户端自动 报警器和区域控制器之间均利用c a n 总线进行数据通讯，从而完成报警信息的可靠传 输，解决了以往用电话拨号报警带来的实时性差的缺陷。该系统同时还具有自诊断功 能，出现故障能自动进行处理。系统从硬件和软件两方面进行了抗干扰设计，使其具 有很好的抗干扰能力，使系统能够可靠稳定的工作。 关键词：智能小区无线通信传感器c a n 总线区域控制器 t h ed e s i g no f t h e f t - p r o o f a n df i r e p r o o fs y s t e mi n i n t e l l i g e n th o u s e a b s t r a g t w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ea n dg r e a ti m p r o v e m e n to f s t a n d a r do f p e o p l e sl i v i n g ，t h en e e do fu sh a sb e e nc h a n g e df r o mo n l yt h el i v i n gs p a c et o m u l t i f o r r nn e e d so f f u n c t i o n a l i t y , c o m f o r t a b l e n e s s ，s e c u r i t y , a n ds oo n t h er e q u i r e m e n tf o r i n t e l l i g e n th o u s et h u sp r o d u c e s n ei n t e l l i g e n th o u s e ( i h s ) i st h ec o m b i n a t i o no fa c t u a l h o u s e sa n dc u r r e n tt e c h n o l o g i e so fc o m p u t e r , c o m m t m i c a t i o na n dc o n t r 0 1 b yi n t e l l i g e n t m a n a g e m e n t ，i h sc a nl i n ka 1 1s e c u r i t yd e v i c e s ，i n f o r m a t i o ne q u i p m e n t sa n dh o u s e h o l d a p p l i a n c e si nt h eh o u s et of o r mi n t a c ti n t e l l i g e n ts y s t e mt h o u g hn e t w o r k s f u r t h e r m o r e ，a c o m p r e h e n s i v eo p e nd i s t r i c tm a n a g e m e n ts y s t e mc a nb eb u i l tb yf u r t h e ri n t e r c o n n e c t i n g i h st ot h ea d m i n i s t r a t i v em a n a g e m e n ts y s t e mo fd i s t r i c tp r o p e r t y 1 1 1 ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r et oak i n do fw i r e l e s si n t e l l i g e n ta l a r ms y s t e mf o r i n t e l l i g e n th o u s ei si n t r o d u c e d i ti n c l u d e st h ef u n c t i o n so ft h e f t p r o o fa n df i r e p r o o g p e r f o r m i n ga u t o m a t i cd e t e c t i o n ，a u t o m a t i c d i a la n dt r a n s m i t t i n gi n f o r m a t i o nt ot h e c o m p u t e ri ns u r v e i l l a n tc e n t e n i no r d e rt oc o n s t r u c t l o w p r i c e d ，r e l i a b l e ，t om e e tt h ed e m a n d so fs a f e t ya n d i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ti nt h ei n t e l l i g e n tu p t o w n ，is t u d i e dt h ef i e l d b u st e c h n o l o g ya n d o n eo fi t ss o l u t i o n s - - c a nt e c h n o l o g y b a s eo no u rc o u n t r yc o u d i t i o no fi n t e l l i g e n t b u i l d i n gs y s t e ma n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yi nt h ef u t u r e im a d et w od i f f e r e n ts u g g e s t i o n o nt e c h n i c a lp r e c e p t ，c o n t r o ls y s t e mo f t h et w oc a n b u sa n dt h et h r e ec a nb u s t od e s i g n ai n t e l l i g e n tn e t w o r km o d e lo f u p t o w ns a f e t ya n ds i g n a lt r a n s m i s s i o n t h i s i n t e l l i g e n t n e t w o r km o d e lo fu p t o w ni sb a s eo nc a nt e c h n o l o g y t h e s u p e r s t r a t u mi sc o m p o s e do fm a i nc o m p u t e ra n dc e l lc o n t r o l l e r t h el o w e rl a y e ri s c o m p o s e do fa u t o m a t i ca n n u n c i a t o ra n dc e l lc o n t r o l l e r e a c hm o d u l ei sc o n t r o l l e db ya n n c r o c o m p u t e ra n dt h e yc o m m u n i c a t ee a c ho t h e rb yc a ni no r d e rt oa c h i e v ec r e d i b l e t r a n s m i s s i o n n l es y s t e mh a ss e l f - d i a g n o s i sf u n c t i o n w h e ni t i sf a i l u r e i td e a l sw i t h a u t o m a t i c a l l y t h es y s t e mi sd e s i g n e db yc o n s i d e r i n gt h ea n t i i n t e r f e r e n c ei nt h es i d eo f t h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，a n dm a d et oh a v et h ea n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t i e sw e l l i tc a t lw o r k w i t 1h i g hr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y k a n gx u e j u a n ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rq i nl a n s h u a n g k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tu p t o w nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s e n s o rc a nb u s c e l lc o n t r o l i e r 】绪论 1 i 选题的目的和意义 1 绪论 在社会信息化进程日益发展的今天，信息技术应用已渗透到人类生存、活动的各 个领域，在建筑领域，人们的现代生活、工作对居住和办公的建筑环境不仅要求舒适 健康、安全可靠、高效便利，同时还要适应信息化社会运用科技手段和设备的要求。 但是经济的发展也带来了相当大的负面影响。城乡收入差距、区域收入差距进一步拉 大，以及流动人口的迅速增加，社会保障制度的不健全，盗窃、抢劫等刑事案件也呈 现出了增加趋势。人们越来越渴望有一个安全生活的空间。犯罪分子的作案手段越来 越高明，甚至采用一些高科技的作案手段，使得以往那种以人防为主的防范方式越来 越不能满足人们日常防范的要求。因此，人们的日常安防工作中，引入了很多高科技 手段，我们称之为技术防范。因为技术防范能够及时发现各种案情，并为案件的破获 提供有力的证据，所以越来越受到人们的重视。与此同时，随着生活水平的提高，液 化石油气、管道煤气进入了更多人的住宅里，各种家用电器也得到了广泛的使用，但 是，人们在享受这些现代化设施带来的便利的时候，却也增加了火灾隐患。如果一个 小区实现了智能化管理，管理人员就可以快速有效的完成对小区的智能管理，诸如盗 情、火灾等报警数据的采集，以及对各种警情的及时处理等。 智能住宅是现代住宅建筑与计算机、通信、网络、控制等技术有机结合的产物。 它采用智能管理和智能控制的方法，将居室内各种安全设备、信息与通信设备、家用 电器等，通过家庭总线系统连接起来，构成完整的家庭智能系统，并以信息网络为纽 带与小区物业管理系统互联，形成开放式的小区管理体系。尽管智能住宅技术在我国 刚刚起步，但却有着十分广阔的发展前景。目前，国外已经开始将无线网络技术用于 住宅智能化系统，并显示出广阔的发展前景，成为新的住宅智能化技术研究热点。因 此，我国对基于无线网络技术的住宅智能化技术研究已经受到学术界和工业界的广泛 关注。研究适合我国国情的基于无线网络技术的住宅智能化技术与产品，已经成为住 宅建设中迫切需要解决的关键性技术问题。 智能小区是在智能化大楼的基本含义中扩展和延伸出来的，它通过对小区建筑群 四个基本要素( 结构、系统、服务、管理以及它们之间的内在联系) 的优化考虑，提 供一个投资合理，又拥有高效率、舒适、温馨、便利以及安全的居住环境。为适应国 家加快住宅建设发展的形势，增强小区住宅建设的科技含量，科技人员经反复考察论 证，结合国内外智能住宅现状和发展趋势，集成国内外先进的监测、控制和布线产品 设备，推出适合我国国情的住宅小区智能化管理系统。此类系统既考虑智能小区的现 1 绪论 行建设和长远的发展。也考虑了小区管理系统的灵活性、安全性、市场适应性和住房 经济性嘲。 国家建设部规定。1 ，目前住宅小区应实现六项智能化要求，其中包括实行安全防 范系统自动化监控管理；住宅的火灾、有害气体泄漏实行自动报警；火灾报警系统应 是以烟及可燃气体等探测器为主体；防盗报警系统应安装红外或微波等各种类型报警 探测器：系统应能与计算机安全综合管理系统联网；计算机系统能对防盗报警系统进 行集中管理和控制。基于此项规定，住宅防盗防火系统实现智能化势在必行。 传统的人工巡更安防方式，既浪费人力物力，又带有时间上的滞后性，存在很多 的随机因素，已远远不适合时代的要求。本文所要介绍的智能防盗防火报警系统，正 是在智能住宅蓬勃发展的背景下，为了满足用户对住宅安全的要求，而设计并开发的。 系统是根据住宅小区的类型、使用功能及防护风险等要求，为保障住宅人身财产安全， 通过运用多传感器探测、双音多频( d u a lt o n em u l t if r e q u e n c y ) 远程数据传输“1 及计算机通信等技术综合形成智能报警系统，从而达到保障住宅安全的目的。当遇到 盗情、火情等各种险情的时候，该系统可以通过电话网络自动向相关人员发出语音求 救信号，同时将报警信息送至小区监控管理中心作记录、打印处理，从而达到保护用 户生命财产的目的。 现代科技的不断发展，使得计算机、通信、网络三者不断渗透会聚；半导体技术 的发展特别是c p u 处理速度的提升以及存储能力的加强，使信息的收集、处理变得越 来越快；电脑电视和信息家电的诞生使得一种适合多媒体业务的家用交互式用户终端 成为可能。此外，现场总线技术在家庭网络中的应用给住宅智能化带来了全新的解决 方案，监控技术的发展也推进了家庭智能化的进程。 如今，人民生活已从温饱型向小康型转变，大件耐用消费品已经进入寻常百姓家， 因此人们会有更强的安全意识，逐渐接受在住宅内装设质优价廉、功能完善的安全防 范系统。同时人类已经进入二十一世纪，智能住宅已开始引起人们的关注。作为智能 住宅的一个组成部分，安全防范系统也必将向多功能、全方位、综合性、智能化方向 发展。 1 2 国内外研究概况 我国智能住宅安防系统相对国外来讲，是有较大差距的。现在一般居民住宅的主 要防盗措施仅限于防盗窗、防盗门，虽有一定的防盗作用，在灾害发生的情况下，使 逃生更加困难。另外，小区安全措施不足；居民安全意识有待增强：安全防范系统也 急需普及。 十几年来，智能建筑的优越性得到了业主与用户多方的青睐，并迅速成为国际开 发热点。继美国之后，智能建筑在e l 本、英国、香港等地蓬勃发展，我国的智能化建 1 绪论 筑起步较晚，9 0 年代开始起步，但随着经济的飞速发展其迅猛的发展势头令世人瞩 目 专家预言今后的5 年，将有2 0 3 0 的小区可以称为智能小区：i 0 年后住宅 建设将无一例外的是智能住宅。智能住宅和智能小区建设的3 项主要内容是：网络建 设、安防系统和计算机物业服务。现有的智能小区工程建设的总体目标是“在先进的 计算机技术、通信技术、控制技术基础上，采用系统集成方法，逐步建立一个沟通小 区内部住宅与住户，住户与小区综合服务中心，住户与外部社会的多媒体综合信息交 互系统，为住户提供一个安全、舒适、便捷、节能、高效的生活环境，实现以家庭智 能化为主的、具有2 1 世纪风范的智能化小区m 唧。 智能化住宅小区是住宅建筑与科技发展的结晶，它集现代建筑技术、现代电脑技 术、现代通信技术及智能控制技术为一体，是住宅建设继“小康型住宅”之后发展的 必然趋势。现行的智能小区中的报警系统只是单纯的防盗或者防火系统，而且报警器 前端探测器采用有线探测器，采用电话线路上传警情信息。传统的这种报警系统已经 不能够满足人们对家庭安全意识日益增长的需求。 在我国，以北京、深圳、上海、广州等较发达的城市为龙头在近几年内也形成了 一股智能化住宅热。目前，公安部、建设部均要求智能住宅小区必须具有安防系统。 可以预见，智能住宅、智能小区将成为2 1 世纪建筑业的发展主流。特别是在我国， 随着人们生活水平的日益提高，住宅小区是否智能化，安防系统是否完备、可靠将成 为评价住宅小区的重要指标。 现在的住宅防盗防火报警系统应具有性能稳定、能全天候工作、耗电省、安装使 用方便等特点。防盗系统检测模块前端探测器有被动红外热释电探测器、无线门窗磁 探测器、幕帘式被动红外探测器等。采用热释电技术的红外探头，具有超低误报率、 防电磁干扰、自动温度补偿、功耗小等特点，应用较广；无线门窗磁探头具有体积小， 无须外部接线，安装方便，可放置在任何地方或者固定在墙上；幕帘红外探测器安装 在卧室的窗户上，有小偷从窗户入侵时，探头会立即感应报警，而主人正常活动时因 为幕帘式红外的上下角度小所以不会误报。防火系统检测模块前端探测器有光电感烟 探测器、燃气泄漏探测器等。光电感烟探测器采用独特的结构设计以及光电信号处理 技术，当空气中的烟雾颗粒达到光电感烟探测器预先设定的报警值时，本探测器即会 输出报警信号；燃气泄漏探测器采用最先进的小电流进口气敏元件，工作稳定，安装 简单，当环境中的可燃气体浓度达到预先设定的报警值时，本探测器就会输出报警信 号。当前端探测器检测到警情信号后，通过电话线路拨打预先设景好的电话号码，与 此同时通过总线的方式传送警情信息至中央控制器，在主控计算机的屏幕上显示警情 信息。本文就是在传统的防盗防火报警器基础上，采用上面的方案，设计的针对小型 智能小区的两级控制系统和针对大、中型智能小区的三级控制系统。 1 绪论 1 3 论文工作概述 本防盗防火系统分为硬件和软件两大部分，硬件部分包括用户端自动报警器、区 域控制器以及中央控制器的设计，软件部分为上位机主控计算机的软件设计。我主要 完成了用户端自动报警器的硬件及软件设计。 本文在传统的防盗防火报警系统基础上，设计了集防盗、防火于一体的防盗防火 报警系统，采用无线探测器进行现场警情检测。为使系统性价比高、运行可靠，又能 够实现智能小区安全防范、信息采集的要求，本人对现场总线技术和它的一种解决方 案一c a n 网络技术进行了研究。传统的防盗防火报警系统在有警情发生时，通过电话 线路拨号报警，用这种方式通信的时候，线路续接时间较长，通常需要几秒到几十秒， 实时性差，当用户端自动报警器数目较多时，多台报警器同时报警的机率增大，则需 要等待，因此电话网方式不适合大容量系统，而且采用电话网络报警只能接收报警器 的报警信息，不能主动查询报警器的运行情况，更不能对报警器进行远程控制，因此 本文在传统的报警系统基础上，提出了采用c a n 总线传送警情信息的方案，即有警情 发生时，一方面通过电话线路拨打报警电话，另一方面通过c a n 总线赢接将警情信息 传送至中央控制器，在主控计算机的屏幕上就可以很直观的看到发生的警情信息。 针对我国目前小区智能化系统的现状，本文在传统的报警系统基础上提出了适用 于小型智能小区的两级c a n 总线控制系统，由于c a n 总线在有较大数据容量的系统网 络方面有较强的处理能力和优势，所以c a n 总线很适合作为智能小区底层网络的主干 通道。利用c a n 总线作为系统数据传输方式的优点是，易查错、易管理、传输速率高， 而且弥补了单纯采用电话线路报警时存在的不足。 由于c a n 总线受传输线距离以及节点数的制约，其节点容限最多为1 1 0 个。因此 针对我国智能小区未来的发展趋势，本文在两级c a n 总线控制系统的基础上提出了适 用于大、中型智能小区的三级c a n 总线控制系统。也就是说在中央控制器和用户端自 动报警器之间加入区域控制器层，通过区域控制器来扩展用户端自动报警器，这样， 报警器就可以扩展更多的用户。 此两种控制系统的网络模型均采用c a n 网络技术构建。本文针对我国小区智能化 系统未来的发展趋势，重点介绍了三级c a n 总线控制系统的硬件、软件设计。 2 系统总体设计方案 2 1c a n 总线概述 2 系统总体设计方案 现场总线是应用在生产最底层的一种总线型拓扑的网络。它是用作现场控制系统 的、直接与所有受控( 设备) 节点串行相连的通信网络。应用现场总线技术构建成开 放式、数字式、多点通讯的底层网络成为在现代住宅小区智能化系统应用的一种趋势。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t ) 总线属于现场总线的范畴，它是是德国b o s c h 公司 在1 9 8 6 年为解决现代汽车工业中众多的控制与检测仪器之间的数据交换而开发的一 种串行数据通信总线。自b o s c h 公司推出c a n 总线至今，c a n 总线以其系统的实用性、 可靠性和经济性而倍受青睐，并获得了长足的进步。c a n 总线是目前唯一有国际标准 的现场总线，可实现全分布式多机系统，节点数最多可达1 1 0 个，传输介质为双绞线 或光纤。c a n 总线以其卓越的特性，低廉的价格，极高的可靠性和灵活的结构，已被 公认为最有前途的现场总线之一。 在小区智能化系统中，智能化控制系统作为系统用户终端，同住户直接相关，是 实现小区智能化的核心。而家庭内部的通信网络一家庭总线，为家庭控制系统提供 控制及信息通道。随着家用电器数字化，便携式通信和数据处理设备的应用，家庭安 全及环境控制的智能化要求越来越高，家庭网络再次成为业界关注的焦点。市场的巨 大要求推动家庭网络迅速发展，而c a n 总线以其抗干扰能力强、通信速率高、传输距 离远、构成系统简单及性价比高等诸多优点，在整个市场占据了一席之地，并在智能 化小区中得到了广泛的应用。 c a n 总线属于总线式串行通讯网络，所以特别适合组建智能工业设备网络和楼宇 自动化控制系统。由于采用了许多新技术和独特的设计，与一般的通讯系统相比，c a n 总线的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性。 由c a n 总线的性能与特性的描述可知，其在数据传输方面有显著的优势，使c a n 总线能够完全的适应和胜任小区智能化系统的工作环境与要求。其协议的充分性和完 整性，成就了由它构建的通讯系统的稳定性和可靠性。其较为宽松的电气特性，使灵 活的配置多种介质的物理层成为可能，也使c a n 总线在这方面的应用范围更加广泛。 c a n 总线以其相对较低的技术层次和技术难度，决定了它必定会有更大的发展空间与 更广的发展前景。c a n 总线将很有可能成为未来几年的主流：局域网+ c a n 底层网络 方案则比较全面的考虑了智能小区网络系统的技术特点和要求，充分利用了自身的资 源和技术优势，在成本价格优势的前提下，其系统性能是非常好的。 2 系统总体设计方案 2 2 两级c a n 总线控制系统 对智能化住宅小区来说，其通讯网络架构及其实现是智能化住宅小区建设的重要 组成部分之一。它可以把小区的智能控制系统和i n t e r n e t 服务有机的联系起来；把 小区公共服务系统联系起来：把小区与外界以适当的接入方式联系起来a 智能化住宅 小区通讯网络由小区主干网和小区底层网络组成。主干网络选用何种网络技术对网络 建设的成功与否起着决定性的作用。选择适合智能建筑网需求特点的主流网络技术， 不但能保证网络的高性能，还能保证网络的先进性和扩展性( 包括设备端口、网络结 构和网络协议的扩展) ；同时选择智能小区网络构建，必须适应当前经济发展水平， 按第二级“普及目标”要求来选择性能价格比优的方案，转化为老百姓用得起的产 品，才能形成较好的产业规模；另外，网络系统还应具有良好的安全性，由于智能小 区网络连接园区内部所有用户，安全管理十分重要。 对于传统的防盗防火报警系统，只是单纯的防盗、防火系统，其前端探测器均采 用有线探测器，出现异常情况时，通过家中的电话线路自动拨号报警，并将相关信息 传送至中央控制器中，系统不需要另外占用电话线路，当有报警信号时，报警电话享 有电话线路的优先权。报警传输网络采用电话线，也就是说通过电话线把警情信息传 送至中央控制器。采用这种传输方式的优点是投资少，对于已建好台q 小区来说，不用 在报警器与中央控制器之间重新布线；缺点是，单纯的防盗、防火报警系统，只能够 对一种报警信息进行采集，采用有线探测器会使得室内布线比较复杂，尤其是对于已 经装修完的住宅更不适合，而且采用电话线来上传警情信息，实时性差，系统的功能 不易扩展，不能满足用户增长的功能需求。 针对这种情况，对于小型小区，本文在传统的防盗防火报警系统的基础上提出了 两级控制系统来解决上面所述的问题。该报警系统是集防盗防火于一体的报警系统， 而且其前端探测器为无线探测器，采用c a n 总线上传警情信息。 图1 为两级控制系统组成框图，在图中用户端自动报警器属于防盗防火终端模 块，用来采集现场的盗情和火情信息，当有警情信息产生时，一方面通过电话线路拨 号报警，另一方面通过c a n 总线传送至中央控制器，中央控制器管理软件，负责处 理接收到的各类报警信息，及时通过声光等辅助手段通知值班人员进行时间处理。中 央控制器管理软件还有一个重要任务就是将所有事件和处理结果写入数据库系统，方 便日后的查询和管理工作。主控计算机通过串口对中央控制器进行定期的查询，将中 央控制器中存储的各类报警信息传送至主控计算机数据库，同时在主控计算机的屏幕 上显示警情信息。 图1 两级控制系统组成框图 此防盗防火系统集防盗防火于一体，使得系统功能更加强大：前端探测器采用无 线探测器，不器在室内另外布线；c a n 总线在有较大数据容量的系统网络方面有较强 的处理能力和优势，所以c a n 总线很适合作为智能小区底层网络的主干通道。采用这 种探测方式和传输方式的优点是避免了重新布线的麻烦，易查错、易管理、传输速率 高，而且克服了采用电话线作为传输网络时存在的实时性差的缺点，使得系统功能更 加强大。 2 3 三级c a n 总线控制系统 由于c a n 总线受传输线距离以及节点数的制约，其节点容限最多为1 1 0 个，因此， 针对大、中型小区，有人提出了采用三级控制系统的方案，即在中央控制器和用户端 自动报警器之间加入区域控制器，以解决小区范围大，住户多的问题。具体采用的方 法是在中央控制器和区域控制器之间采用c a n 总线作为传输网络，而在区域控制器和 用户端自动报警器之间采用r s - 4 8 5 总线作为传输网络，这种方案的确解决了小区范 围大，住户多的问题。本文是在此基础之上，针对大、中型小区提出了一种由c a n 总线代替r s - 4 8 5 总线的三级控制系统，由c a n 总线来代替i t s 一4 8 5 总线，因为相对于 r s 一4 8 5 总线，c a n 总线有诸多的优点：c a n 控制器工作于多主方式，采用对通信数据 进行编码的方式，使不同的节点可以同时接收到相同的数据，此特点使得c a n 总线构 成的网络各节点之间的数据通信实时性强，提高了系统的可靠性和灵活性；c a n 总线 通过c a n 控制器接口芯片p c a 8 2 c 2 5 0 的两个输出端c a n h 和c a n l 与物理总线相连，而 c a n h 端的状态只能是高电平或悬浮状态，c a n l 端只能是低电平或悬浮状态，这样就 能够避免当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从 而损坏某些节点的现象发生：c a n 总线具有的完善的通信协议可由c a n 控制器芯片及 其接口芯片来实现，从而大大降低了系统的开发难度，缩短了开发周期，这是只仅仅 有电气协议的r s - 4 8 5 总线所无法比拟的。正是由于c a n 总线的优点，所以本文采用 c a n 总线代替r s - 4 8 5 总线形成的三级控制系统。 2 系统总体设计方案 由于随着经济的发展，小区未来的发展是向着大、中型方向发展，而且由于三级 控制系统是在两级控制系统的基础上而来的，因此本文重点介绍了三级控制系统的构 成及其硬件、软件设计。对于三级控制系统有如下的优点：本报警系统集防盗、防 火于一体，提高了系统的功能；避免了使用电话线路报警时产生的实时性差的的缺 点，很好的实现网络数据的传输；采用c a n 总线形成的三级控制系统能够更好的扩 展网络节点；采用c a n 总线形成的三级控制系统，避免了采用r s 一4 8 5 总线形成的 三级控制系统出现的问题。 2 4 系统的总体构成 本文重点介绍了三级控制系统的设计。它是将电子探测、无线收发、智能控制和 现场总线通信技术、电话通讯技术相结合的防盗、防火报警系统。 图2 为三级控制系统组成框图，本三级控制系统分为以下几个部分，用户端自动 报警器、区域控制器、中央控制器和主控计算机。其中用户端自动报警器属于防盗防 火终端模块，用来采集现场的盗情和火情信息，当有警情信息产生时，一方面通过电 话线路拨号报警，另一方面通过c a n 总线将警情信息传送至中央控制器。区域控制器 主要用于楼宇一个区域用户自动报警器的信息管理和控制，实现主控计算机与用户端 自动报警器之间的通讯。中央控制器管理软件，负责处理接收盗的各类报警信息，及 时通过声光等辅助手段通知值班人员进行时间处理。中央控制器管理软件还有一个重 要任务就是将所有事件和处理结果写入数据库系统，方便日后的查询和管理工作。主 控计算机通过串口对中央控制器进行定期的查询，将中央控制器中存储的各类报警信 息传送至主控计算机数据库同时在主控计算机的屏幕上显示警情信息。 图2 三级控制系统组成框图 本课题所设计的防盗防火报警系统实现功能包括：能够对盗窃以及入室抢劫实行 2 系统总体设计方案 自动报警；对住宅的火灾、有害气体泄漏等实行自动报警；用户端自动报警器能够对 各探测器的信号进行检测和控制；以及对d t m f 信号的编、译码控制。使住宅一方面 通过电话线与相关部门( 小区中心、i i 0 1 1 9 报警台或各个住户的手机) 取得联系； 另一方面通过c a n 总线使小区管理中心中央控制器对各用户端自动报警器完成数据 的采集和信号的传输；小区管理中心的主控计算机能够很好的观测各个防区的报警情 况。 用户端自动报警器安装于居民住宅，用于对居民住宅各个不同部位的不同类型探 测器( 红外、微波、光电感烟、温度、一氧化碳) 进行检测与控制，并对从各个探测 器采集来的数据进行处理。当出现异常情况时，通过家中的电话自动拨打预先设置的 电话号码，并通过传输网络与中央控制器建立联系，将相关信息传送至中央控制器中。 用户端自动报警还能接收来自管理中心中央控制器的各种查询命令。 小区监控管理中心中央控制器安装于住宅小区的值班室内，可以同时控制、管理 多个区域控制器，进而控制多个用户端自动报警器，主要用于接收处理从用户端报警 器传来的报警信息，一旦收到报警信息立即进行存储以备查询，主控计算机通过对中 央控制器的查询可以显示出各种报警信息，同时由高响度喇叭等设备告知值班人员， 以便及时做出相应的处理。 2 5 本系统的设计特点及工作过程 本系统是在对照国内外多种同类产品的基础上，采用现场总线技术与现有产品结 合形成的具有高住价比、规模灵活多变和实用性强的系统。该智能住宅防盗防火报警 系统设计具有以下特点： 系统采用模块化设计。系统根据电路功能将复杂庞大的电路分成模块，采用模块 化设计，简化了整个系统集成设计的难度，分块完成设计，再将各块像堆积木一 样堆积起来，配上合理安排的接口，使系统圆满完成防盗防火检测报警任务； 网络化设计。系统中采用了1 i s - - 2 3 2 总线、c a n 总线等总线标准实现了系统的 网络化设计，采用网络化设计以后，使得系统避免了使用电话线路报警时存在的 实时性差的缺陷，尤其是采用三级控制系统以后，使系统的使用范围更加宽广； 通讯设计。本系统的前端探测器和自动报警器之间采用无线收发的传送方式，探 测器和自动报警器之间不用接线，避免了在以装修好的房间内再重新布线的麻 烦。 用户端的防范现场，一旦有人入侵或发生火灾等紧急情况时，与之相应的报警探 测器( 各类防盗、防火探铡器) 则立即向用户端自动报警器发出无线报警信号。接到 无线报警信号后，自动报警器立即进行确认( 多次巡检中断信号) ，若2 s 后无人解除 警情同时警情确认无误后，进行事件的现场声( 蜂鸣器) 、光( l e d ) 报警，同时用户 2 系统总体设计方案 端自动报警器自动向中央控制器传送现场情况以及向相关部门拨打预先设置好的1 6 组报警电话号码( 小区监控管理中心电话、用户个人电话、用户单位电话、盗警 电话1 1 0 、火警电话1 1 9 、紧急呼救电话) ，进行语音报警。 在用户端自动报警器的面板上设有l e d 显示器、键盘以及三色警灯( l e d ) ，三色 警灯分别指示防盗防火报警、正常工作及系统出现故障的状态，即报警灯( 红) 、工 作灯( 绿) 和故障灯( 黄) 。正常时l e d 显示时间，事件发生时锁定显示当时的时间。 如果出现误触发而报警时可以通过触发延迟时间( 2 s 定时) 去解除，另外用户端自 动报警器具有检测探测器或传输线路发生的故障( 如探头断线或掉电等) ，并向中央 控制器报告故障情况的功能。 用户端自动报警器开关机时采用密码控制且允许修改密码，增加了用户端自动报 警器的保密性，另外自动报警器内提供备用电源，在没有市电的情况下，交直流供电 自动切换，确保系统在停电时能继续工作。 3 防盗防火系统硬件设计 3 防盗防火系统的硬件设计 3 1p 8 7 c 5 9 1 芯片介绍 独立的c a n 控制器芯片需要外接一个微处理器，接受外部c p u 的控制才能运行。 如果微处理器内带有c a n 控制器，那么无疑会大大简化应用系统的硬件设计，系统 的可靠性也有很大的提高。为了使所设计的电路简单，本系统用户端自动报警器所用 微控制器为p h i l i p s 公司的p 8 7 c 5 9 1 。p 8 7 c 5 9 1 在与m c s - - 5 1 完全兼容的基础上增 强了许多专用的部件，其中包括c a n 控制器，它的c a n 功能在s j a l 0 0 0 的基础上 有所增强。p 8 7 c 5 9 1 是一个单片8 位高性能微控制器，具有片内c a n 控制器。它从 m c s - - 5 1 微控制器家族派生而来，采用了强大的8 0 c 5 1 指令集并成功的包括了p h i l i p s 半导体s j a l 0 0 0 c a n 控制器的p e l i c a n 功能i j 副l l “。 p 8 7 c 5 9 1 是一个高性能的微控制器，片上自带的c a n 控制器为c a n 的应用提 供了许多专用的硬件功能。p 8 7 c 5 9 1 完全履行c a n 2 0 b 规范，并提供一个直接从 s j a l 0 0 0 独立c a n 控制器的软件移植路径。p 8 7 c 5 9 1 具有c a n 的扩展特性，其中 包括增强型接收滤波器、支持系统维护、诊断、系统优化以及接收f i f o 特性等。 3 2 用户端自动报警器的硬件设计 用户端自动报警器是本课题的设计重点，它是利用带c a n 控制器的p 8 7 c 5 9 1 单片 机的控制技术和无线通讯技术，开发出来的一种具有联网功能的报警器，报警器集防 盗、防火于一身，其本身和前端探测器之间不需另外接线，特别适用于已装修用户以 及布线不方便的场合。它主要完成现场盗情、火情信号的采集，是智能住宅防盗防火 系统的重要组成部分之一。 用户端自动报警器组成框图如图3 所示，它主要包括以下几个方面，首先是编解 码电路，由于前端探测器采用无线探测器，因此要对它发送来的信号进行解码才能够 输入微控制器，通过微控制器对信号进行其他的操作；其次是自动拨号电路和语音报 警电路，它的主要作用是在有警情发生时，通过电话网络实现自动寻呼。对指定的机 构或人员发出求救信号，使救援人员采取相应的措施来制止事故的发生；接下来是电 话接口电路，此模块在用户端自动报警器中起着很重要的作用，自动拨号电路、语音 电路均需要通过它与外界相连，它完成电话线在系统与电话机之间的转换；然后是键 盘显示电路。它负责系统与外界的联系，实现向单片机输入数据，传送命令等功能， 是属于人机通道电路；最后是电源电路，它是向用户端自动报警器提供电源的电路， 它包括主电源和备用电源，备用电源的主要作用是在输入回路断电时，将电池的电能 3 防盗防火系统硬件设计 工给负载，当电源恢复正常后，输入回路既负责提供电源还要负责向电池充电。用户 端自动报警器的原理图见附录一。 图3 用户端自动报警器组成框图 自动报警主机电路由射频接收模块接收探测器发来的报警信号，通过解码器解码 后得到报警探测器的地址和数据类型只有主机和探测器地址相同时才能被主机接收。 解码输出的数字代表探测器类型，解码输出信号进入单片机的中断引脚，触发中断处 理程序。中断处理程序通过d t m f 收发电路。拨打用户预先设好的电话号码( 如手 机号码、办公室号码等) 进行远程拨号报警；同时启动语音电路，将预先录制好的语 音信号通过电话线传给主人，实现语音提示通信功能。再通过总线把当时的警情信息 传送到主控计算机，在主控计算机上显示报警信息。单片机输出警笛触发信号，经放 大后推动警笛或喇叭，以驱赶和震胁盗贼。 3 2 1 编，j 晖码电路的设计 p t 2 2 6 2 2 2 7 2 是台湾普城公司生产的一种c m o s 工艺制造的低功耗、低价位、通 用编解码电路【i 引。p t 2 2 6 2 2 2 7 2 最多可有1 2 位( a 0 a 1 1 ) 三态地址端引脚( 悬空、 接高电平、接低电平) 。p t 2 2 6 2 最多可有6 位( d 0 d 5 ) 数据端引脚，设定的地址 码和数据码从1 7 脚串行输出。编码芯片p t 2 2 6 2 发出的编码信息由地址码、数据码、 同步码组成一个完整的码字，解码芯片p t 2 2 7 2 接收到信号后，其地址码经过两次比 较核对后，v t 脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端 一直按住按键，编码芯片也会连续发射。当发射机没有按键按下时，p t 2 2 6 2 不接通 电源，其1 7 脚为低电平，所以3 1 5 m h z 的高频发射电路不工作，当有按键按下时， f 1 2 2 6 2 得电工作，其第1 7 脚输出经调制的串行数据信号，当1 7 脚为高电平期间 3 1 5 m h z 的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当1 7 脚为低电平期间3 1 5 m h z 3 防盗防火系统硬件设计 的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全受控于p t 2 2 6 2 的1 7 脚输出的数 字信号。 地址码必须与家庭控制主机内解码芯片p t 2 2 7 2 编址相同，数据码可用于区分传 感器类型。当有报警信号时，p t 2 2 6 2 的1 4 脚为低电平，使能p t 2 2 6 2 ，从1 7 脚输出 编码信号，通过射频模块发射出去。编解码电路如图4 所示。 图4 编解码电路 系统采用标准编码器p 亿2 6 2 、无线发射f 0 5 b 、无线接收j 0 5 b 、标准解码器 p t 2 2 7 2 共同完成设防状态下信号的检测并将数据送单片机的p o 口。 f 0 5 b 系列采用声表谐振器稳频，s m t 树脂封装，频率致性较好，免调试，特 别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。f 0 5 b 具有较宽的工作电压范围及低功耗 特性，当发射电压为3 v 时，发射电流约2 m a ，发射功率较小，1 2 v 为最佳工作电压， 具有较好的发射效果，发射电流约5 - - 8 m a ，大于1 2 v 直流功耗增大，有效发射功率 不再明显提高。f 0 5 b 发射距离与编码信号频率幅度、发射电压、发射天线、接收机 灵敏度、频点精度、抗干扰性及收发环境有关。 j 0 5 b 系列采用超外差变频结构“”，所有的射频接收、混频、滤波、数据解调、 放大整形全部在芯片内完成，接收功能高度集成化、免去令人头疼的射频频率调试及 超再生接收电路的不稳定性，具有体积小、可靠性高、频率稳定、接收频率免调试的 特点，安装使用极为方便。 3 2 2 前端探测器的选型 探测器部分包括防盗探测器与防火探测器两部分，由多种类型传感器实现多元信 号综合检测是本系统中探测器部分的基本设计思想，采用多元信号检测，一方面完成 盗情与火情的实时检测任务，另一方面大大降低了探测器部分的误报率，提高了整个 系统的可靠性。 对于前端探测器按如下方法分配：客厅配置一个被动红外热释电探测器；卧室的 窗户和阳台的门各配鼍一个幕帘式被动红外探测器；其余窗户和f - j i e 置门窗磁探测 3 舫盗防火系统硬件设计 器；厨房空间中央的天花板上配置一个光电感烟探测器 厨房内距离燃气炉具2 米左 右的天花板上配景一个燃气泄漏探测器。各探测器的分布图如图5 所示。 i 萋 卫 f 谰 崩 闻 嗦 卦室 目蝴 口 i 盈之书：= 。i 富i l l 厂8 一 日 i 霎 。n 自h t “” 罐， 门窗磁传感器。8