（信号与信息处理专业论文）智能住宅自动报警与查询系统的研究与设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着社会经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，尤其是电话等通信手 段的普及以及微处理器的飞速发展，人们对其生活住宅的要求也越来越高。表现 在不仅希望拥有舒适、温馨的住所，而且对安全性、智能性等方面也提出了更高 的要求，因此智能住宅的安全防范系统也应运而生。现在很多小区都安装了智能 报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。 本文首先讨论了智能住宅安全防范技术的国内外发展概况，并结合本课题国 外发展的趋势和我国的国情，研究并设计了一种智能住宅的安全防范报警系统。 该系统采用公用电话线作为信息传输媒体，充分利用电话线路普及的优势，简化 了设计，提高了可靠性。由红外探测器实现盗警、火警信号的检测，并自动电话 拨号报警。使用时当探侧器检测到警情，就会向单片机发出中断请求，再由单片 机控制电话接口电路，实现模拟摘机，通过d t m f 拨号电路实现自动拨号，并由 语音电路通过电话完成播放预先录制好的语音信息，实现语音报警，通知用户或 保安机构，及时出警或采取相应措施。另外，本系统还设置了密码验证，通过键 盘输入验证码并可修改密码，增强了系统的安全性和稳定性。 本系统建立在大量相关实验的基础上，并通过硬件及软件仿真验证，具备很 好的实用价值，对后续研究开发有一定的参考意义。 关键词：安全防范；智能报警系统；语音报警；单片机控制；d t m f 拨号 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h es o c i e t ya n de c o n o m ya sw e l l a st h e c o n t i n u o u s l yi m p r o v i n go ft h ep e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，e s p e c i a l l yw i t ht h eu n i v e r s a l i t y o ft h et e l e p h o n ea n dt h er a p i dd e v e l o p m e n ta n da b r o a da p p l i c a t i o no fm i c r o e l e c t r o n i c s ， t h er e s i d e n t i a ls e c u r i t yt op e o p l ei sb e e nm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h es e c u r i t yk e e p 堍 a w a ys y s t e mo fs m a r t h o m e i se m e r g e da st h et i m e sr e q u i r e d n o wl o t so fp l o t sh a v e i n s t a l l e dt h ei n t e l l i g e n c ea l a r ms y s t e m , w h i c he n h a n c et h ep l o ts a f e t yga n dk e e pt h e i n h a b i t a n t sp e r s o n a la n dp r o p e r t ys a f e t ye f f e c t i v e l y i nt h i st e x t ，t h ed e v e l o p m e n ts u r v e yo fs e c u r i t yk e e p i n ga w a yt e c h n o l o g yo f s m a r t h o m ei nt h ew o r l di sd e b a t e d a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n t a ld i r e c t i o no ft h e t e c h n o l o g yo v e r s e a sa n dt h es i t u a t i o n so fo u rc o u n t r i e s ，w eh a v er e s e a r c h e da n d d e s i g n e dak i n do fi n t e l l i g e n ta l a r ms y s t e mf o rs m a r t h o m e i th a st h ef u n c t i o no f t h e f t - 一- p r o o f , 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 na n da u t o m a t i cd i a l p y r o e l e c l r i ci n f r a r e d s e n s o ri su s e df o rt h e f t 一一- p r o o fs oa st or e a l i z ea u t o m a t i cd e t e c t i o n i ti sd e s i g n e dt o m a k et h el e a s tf a i lt oa l a r ma n df a l s ea l a r ma n de n h a n c et h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m w h e nd e t e c t o rh a sd e t e c t e da n ya b n o r m a l i t ys i g n a l s ，a ni n t e r r u p tr e q u e s tw i l lb es e n tt o t h em c u n e x tt h em c uc o n t r o lt h ei n t e r f a c ec i r c u i to ft e l e p h o n et oa c c o m p l i s h s i m u l a t e do f f - h o o k , t h e na u t o - d i a lb yd i a l u pc i r c u i to fd t m f , a n dp l a yt h ep h o n e t i c i n f o r m a t i o nw h i c hh a sb e e nr e c o r d e db e f o r e h a n db yp h o n e t i cc i r c u i t ，t ot e l lt h eu s e ro f t h ee m e r g e n c yw h i c hh a so c c u r r e d , s ot h a tt h e yc a nt a k ec o r r e s p o n d i n gs t e po nt i m e i n a d d i t i o n ，t h ec o d ev a l i d a t i o nh a sb e e ni n t e r c a l a t e di nt h es y s t e m u s e r sc a ni n p u ta n d m o d i f yt h ec o d eb yk e y b o a r d t h a tb u i l du pt h es y s t e m i cs e c u r i t ya n ds t a b i l i t y t h es y s t e mi sb a s e do nag r e a td e a lo fc o r r e l a t i v ee x p e r i m e n t s i th a sb e e n v a l i d a t e di nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e se m u l a t i o n ，s oi th a ss o m ed e f i n i t ep r a c t i c a b i l i t y a s f a ra sr e s e a r c ha n de x p l o i t a t i o nl a t e r , t h i sh a ss o m ed e f i n i t er e f e r e n c e dm e a n i n g k e y w o r d s ：s e c u r i t yk e e p i n ga w a y ；i n t e l l i g e n t a l a r m s y s t e m ；p h o n e t i ca l a r m ； m c u c o n t r o l l i n g ；d t m fd i a l - u p 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：乒咄 e t期：趁亟趔 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：卓孝邈蜘师签名： 山东大学硕士学位论文 1 1引言 第1 章绪论 随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机、通信、网络和控制的 迅猛发展，促使家庭实现了生活现代化、居住环境舒适化和安全化。智能住宅也 正是在这种形势下应运而生。所谓的智能住宅，就是将家庭中各种与信息相关的 通讯设备、家用电器和家庭保安装置，通过家庭总线技术连接到一个家庭智能化 系统上进行集中或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与 住宅环境的和谐与协调n 1 。 自从2 0 世纪8 0 年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，住宅电子 化悄然出现。8 0 年代中期，将家用电器、通信设备与安全防范设备各自独立的功 能综合为一体后，出现了住宅自动化概念。 智能建筑的发展始于2 0 世纪8 0 年代。1 9 8 4 年，世界上第一座智能大厦( ib ， i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ) 在美国康州( c o n n e c t i c u ts t a t e ) h a r t f o r d 市建成，这标 志着智能建筑发展的起步圆。此后美国的智能住宅发展是最为迅猛的。继美国之后， 欧洲、日本、新加坡等经济比较发达国家先后提出了“智能住宅”的概念，住宅 智能化也得到了飞速发展。主要包括以下六方面的内容： ( 1 ) 家庭中心控制器： ( 2 ) 安全防范系统； ( 3 ) 水、电、气三表远传自动抄表系统； ( 4 ) 紧急呼救系统； ( 5 ) 家电自动化控制系统； ( 6 ) 通信系统。 智能住宅实现的目标就是：“将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器 和家庭保安装置通过家庭总线技术( h b s ) 连接到一个家庭智能化系统上，进行集中 的或异地监视、控制和家庭事务性管理。羽这些功能都是通过家居服务器来实现 山东大学硕士学位论文 的，家居服务器具有家庭总线系统，通过家庭总线系统提供各种服务功能，并能 和住宅以外的外部世界相连接。由此可见，智能家居不仅具有传统的居住功能， 提供舒适安全高品位且宜人的家庭生活空间，还由原来的被动静止结构转变为具 有能动智慧的工具，提供全方位的信息交互功能，帮助家庭与外部保持信息交流 畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居牛活的安全性、 舒适性，甚至合理控制各种能源的使用h 1 。 智能家居，英文为s m a r th o m e ，是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信 息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、 便利、环保的居住环境。容易与之混淆的有智能小区、小区智能化等概念，但也 很容易区分。简单讲，智能小区包括三方面：智能家居、小区智能化及社区智能 化。其中智能家居属室内部分，包括安防系统、对讲系统、自动抄表系统、火灾 报警系统、家庭影院系统、灯光和家电控制系统、家庭信息化平台、信息家电。 而智能小区或社区是在整个社区环境实现智能化建设与管理，而智能住宅是智能 社区的基础。 智能家居不是一个单独的产品，也不是传统意义上的“智能小区一概念，而 是基于小区的多层次家居智能化解决方案。它综合利用计算机、网络通讯、家电 控制、综合布线等技术，将家庭智能控制、信息交流及消费服务、小区安防监控 等家居生活有效地结合起来，在传统“智能小区的基础上实现了向家的延伸， 创造出高效、舒适、安全、便捷的个性化住宅空间瞄1 。 1 2 国内外研究状况 家居智能化系统总体上是构建在一定的物理硬件基础上、以信息传输通道为 物理集成的多功能管理与监控系统嘲，并与c a t v 、公共交换网、互联网等联网使 用，主要由安防子系统、信息管理子系统和信息网络子系统三部分构成，现代安 防监控系统已有了新的概念，通常称为安全自动化s a s ( s e c u r i t ya u t o m a t i o n s y s t e m ) ，并与防火自动化系统f a s( f i r ea u t o m a t i o ns y s t e m ) 共同构成智能建 筑系统最底层的系统盯1 。目前国外发达国家已逐渐形成一个集安防、消防、医疗救 护为一体的安全保障行业。安全技术防范行业真正形成行业规模是在第二次产业 4 山东大学硕士掌位论文 革命。 美国的智能住宅发展是最猛的。继美国之后，欧洲、日本、新加坡等国家住 宅智能化也得到了飞速发展似1 。例如欧洲一个叫i n t e g e r 的组织于1 9 9 8 年建造了 一座智能建筑，它包括环保、节能、智能控制等许多特色。德国费劳恩霍夫研究 会与1 1 家公司联手合作，建成世界首座样板智能住宅，其内部完全实现了电子化 和网络化睁1 。在我国，智能住宅与智能小区的起步比较晚，但发展速度却非常迅猛。 由于我国人口集中，相对人口密度大，因此我国的国情特别适合于智能住宅小区 的建设。为了适应新形势下智能住宅小区建设的需要，我国于1 9 9 4 年正式提出了 小康家居的标准，该标准首次将家居的安全性提到了重要的位置上；1 9 9 7 年初开 始制定了小康住宅电气设计( 标准) 导则 1 0 o1 9 9 9 年初，国家建设部开始组织 专家研讨我国智能住宅小区的发展问题，并且着手起草了我国第一部关于智能住 宅小区建设的具体技术标准，即全国住宅家居智能化系统示范工程建设要点与 技术导则( 试行稿) 1 1 1 该技术导则于1 9 9 9 年1 2 月底正式出台，它明确规 定了我国智能小区的分类方法、具体功能要求以及智能小区建设的总体目标和实 施原则：导则明确了智能小区的确切内涵，有力地规范了我国智能小区的开发和 建设市场，引导和促进我国住宅产业的健康发展。 1 2 1 智能住宅和智能住宅小区的发展现状 智能建筑和智能住宅自发展以来，经历了初始、推广和应用三个阶段。 1 9 8 4 年一1 9 9 2 年处于初始阶段，从美国建成的第一座智能大厦开始，智能大 厦就得到房地产发展商和建筑投资商的青睐，很快就在日本和欧洲出现，并得到 较快的发展。但当时主要受制于计算机的功能限制，p c 电脑运算速度还处于8 0 8 6 芯片的时代，用于智能大厦控制的计算机至少为微机或小型机，不但电脑主机昂 贵，各种探头和传感器的价格也不菲，所以主要应用对象还是办公楼宇。至于智 能住宅人们还无法实现。 1 9 9 2 年一1 9 9 7 年期间处于推广阶段。9 2 年随着前苏联的解体和冷战结束，同 时美国公布了i n t e r n e t ，从此世界进入以全球性电脑网络为特征的信息时代。个 人电脑的低价普及和存储高速功能的提高，使各个领域开始普及使用计算机进行 管理，也为楼宇智能化提供了设备基础。从9 0 年代开始中国经济腾飞，亚洲各国 5 山东大学硕士学位论文 也进入了一个飞速发展的时期。国内智能住宅也开始出现。例如名噪一时的深圳 深房广场的4 a 智能大厦。但当时智能大厦的宣传基本上处于商业炒作的目的，真 正具有使用功能和发挥其作用的智能大厦在中国还处于探索和充实阶段。 1 9 9 7 年以来开始进入推广和应用阶段。主要有以下特点： 市场和投资的理性化。经过推广发展时期的躁动，智能建筑市场和投资走向 理性。人们不只追求宣传效应，更注重实用性和经济性。 功能和应用的平民化。从1 9 9 7 年深圳梅林一村智能住宅和智能住宅小区的建 设开始，智能大厦已经不但是一个量的提升，更是一个技术和观念的飞跃。国内 大量的智能住宅的提出和建设，要求智能建筑更注重个性化设计、更尊重人的自 由和行为。首先是通信的发展以及以及网络设备等方面的数字化建设。许多宽带 公司投资社区宽带网甚至免费投资建设智能住宅小区宽带网，得益的是住户和社 区，智能小区籍此完成了向宽带数码小区的飞跃。 我国从1 9 9 7 年初开始制定小康住宅电气设计( 标准) 导则( 讨论稿) ，在“导 则”中规定了小康住宅小区电气设计总体上应满足以下的要求：高度的安全性， 舒适的生活环境，便利的通信方式，综合的信息服务，智能化家庭系统1 。同时也 对小康住宅与小区建设在安全防范、家庭设备自动化和通信与网络配置等方面提 出了三级设计标准，即第一级为“理想目标”；第二级为“普及目标”；第三级为 “最低目标”口1 。 智能家居是信息时代的产物。有人甚至断言，在未来，没有智能家居系统的 住宅将像今天不能上网的住宅那样不合潮流。智能家居成为“标配 ，显然只是一 个时间和时机的问题。对于智能家居的发展前景，专家认为：在未来的三五年内， 智能家居会高速增长，新技术、新产品将不断涌现并投入应用，智能化住宅n 2 1 在 2 l 世纪将相当普遍。 1 2 2 新世纪智能住宅和智能住宅小区的发展方向 人类己进入2 1 世纪，在物质文明高度发展的今天，追求环境绿色化、生活信 息化己成为一种时尚。安全、舒适、方便、现代成为2 1 世纪居家生活的象征。日 益更新的现代科技的力量，打破了传统的时空界线，借助计算机网络和层出不穷 的信息技术，改变了人类的生产、生活方式，科技正以超乎想象的速度更深刻地 6 山东大学硕士学位论文 影响到人类的思维模式和生存状态n 0 1 3 1 。在信息化技术和设备飞速发展以及房地 产市场竞争日益激烈的今天，2 l 世纪的智能住宅和智能住宅社区今后将如何加快 并健康发展? 关键应实现智能住宅的四化，即：“社区网络化”、“家庭布线规 格化”、“信息通道宽频化 和“智能设备i p 化”。 ( 1 ) 社区网络化 “十一五”期间，信息产业改造传统产业的市场规模将达5 0 0 0 亿元。信息技 术推广应用促进了传统产业的结构调整和优化升级，同时也为我国电信企业展现 了一个广阔的市场机遇。在住宅区和家庭信息化建设中，固网的社区宽带网拥有 其他网络所不可比拟的技术和应用优势，所以在发展移动网的同时，应更多地将 投资和建设放在社区宽带网固网上。在技术上，固网的一个重要的优势是在支持 宽带数据应用上具有得天独厚的带宽。在信息时代，海量的信息传递将需要海量 的带宽，带宽是推进信息化的基础。虽然有预测认为，移动通信将成为窄带业务 的主要接入技术，但就带宽而言，移动通信作为一种频谱受限技术是永远无法与 固网技术相比的。固网还具有网络稳定可靠、保密性能好等优势。因此，在新住 宅区规划设计阶段中作到“四通一平一，将“社区网络通”作为基础设施的必备 部分考虑。社区网由投资商自主投资或发展商投资，城域网由城市电信部门建设。 坚持网络共建，资源共享的建设方针，优先发展公用通信、专用通信和广播电视 传输等基础网络的发展，联合建设，互联互通，努力减少公用通信、专用通信和 广播电视等传输基础网络的重复建设。充分保护社区网络发展商的投资、经营权 和产权。 ( 2 ) 家庭布线规格化 建筑规划设计阶段中的“家庭综合布线”要实现规格化。在北美每年兴建超 过1 3 0 万个住宅，这些住宅采用了新兴的布线系统，从而可保证适应当前和未来 不断发展的新技术和应用。在购买或建造一所房子或别墅时，必须首先考虑布线 的类型，因为它和这栋房子的管道系统是一样重要的。在数年后，没有实现家庭 布线和网络及达到一定程度自动化的房子将是非常过时的。如今采用住宅的星形 配置的先进布线系统可支持多项服务：如话音、数据、娱乐、保安远程医疗，音 频视频以及家电控制等。充分考虑各种传感器和家庭智能终端以及通信端口的位 置，埋设穿线管路，并配置好垂直弱电井和网络连接设备的位置和空间。美国和 7 山东大学硕士学位论文 加拿大也对住宅的综合布线进行了规范化工作，提出了具体的技术标准 t i a e i a 5 7 0 a - 家居电讯布线标准( r e s i d e n t i a lt e l e c o m m u n i c a t i o n sc a b l i n g s t a n d a r d ) 。目前已有很多综合布线商设计及研制了多套符合t i a e i a5 7 0 a 标准的 智能家居布线解决方案，可供住宅区的智能化建设使用。 ( 3 ) 信息通道宽频化 网络规划设计的“宽频社区主干网 要充分保证带宽和高速的要求。网络主 干应尽量采用多模光纤( 8 - 1 2 芯) ，社区接入设备带宽应有充分的前瞻性( 不小于 1 0 0 m b ，或为1 g m ) ，楼栋接入i o - i o o m b ，入户2 - 1 0 m b 。网络要有良好的可扩展性 ( 交换机设备的可前移性) 。速度与带宽对i n t e r n e t 服务或其它通讯是非常重要 的，家庭应用需有更高的速度以减少数据传送时间。 ( 4 ) 智能设备ip 地址化 各种终端和末端设备应具有开放性的网络连接设备和符合i n t e r n e t 的通信协 议规则的i p 地址，使系统具有完整的开放性和可扩展性。如l o n w o r k s 系统技术 的采用等等。应改变旧的基于集散控制理论的b a 系统和设备，开发和研制基于 t c p i p 协议的智能设备，使之既能满足智能住宅的需要，又能实现楼字自动化中 的控制个性化的要求，将智能住宅的个性化理念和设备带入b a ，以适应“办公室 家庭化，家庭办公室化”的时代新趋势。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题的研究内容主要分为以下几个方面： ( 1 ) 确立智能家居服务器的功能。首先根据国内外智能住宅及智能小区的发展 现状和国内外智能家居服务器监控系统性能，比较和研究同类产品的特点，根据 我国住宅自身的特性和人们的实际需要，确立了本系统所能实现的基本功能。 ( 2 ) 确定智能家居服务器的总体结构。根据系统所要实现的功能，确定智能家 居服务器的总体设计，其中包括硬件实现和软件的构成。主要宗旨是构造基于单 片机平台的家居服务的完整解决方案。 ( 3 ) 实现家居服务器的本地即集中控制功能。集中控制是基于单片机的控制系 统，它通过各种实际所需要的传感器和探测器，可以实现对现代家庭各种功能单 山东大学硕士学位论文 元的状态检测、参数记录和集中控制等的过程。 ( 4 ) 实现基于电话的远程控制功能。借助于电话线路的普及性和信号传输的可 靠性，通过电话线实现远程控制。采用此方法主要是考虑一种简单、方便、有效 的实现手段。 我在论文中，主要任务是设计服务器的集中控制部分和基于电话的远程控制 部分。通过对系统总体结构、硬件电路及软件的分析和设计考虑，基本完成了家 居服务器的集中控制功能和电话远程控制功能。具体实现方法将在下面的章节中 详细介绍。 9 山东大学硕士学位论文 第2 章系统总体设计方案 2 1 智能报警系统的总体构成 目前国内各种安防设备越来越多，安防设备的电气安装、控制线路也日趋复 杂。但安防设备中，存在某些系统性价比低下，系统与设备不符合标准化及开放 性的要求，以及智能化相关产品不成熟等问题。已经有很多产品实现了无线化， 例如各种无线遥控探测器、摄像机等，虽然性能技术已经比较完善，但用于普通 家居时在满足防盗报警功能要求的同时应使安装工作和使用简单化，并且能保证 很好的灵活性和低廉的运行成本。因此本课题主要从智能报警系统的简单实用、 可靠性、低成本等方面进行研究和设计，涉及到智能报警系统的功能、可靠性， 以及在使用过程中是否简单方便、便于编程等一系列的问题。 报警装置往往安置于重要场合，根据防护报警的要求，经过长期调查研究， 从技术上认真分析，认为需满足下列技术要求，方能实现功能完善可靠、操作方 便、实用这两个基本目标： ( 1 ) 、通过探测器检测警情，报警器灵敏度要高，又要求防止误报，就必须有 微电脑监控，要求能对来自传感器的事故信息进行分析，排除因小动物入侵而产 生的误报信号及其他环境干扰信号； ( 2 ) 、语音和数字信息都可在同一条信道上传输。具体采用哪种传输方式 ( 数字或语音) ，可由用户选择并自行决定； ( 3 ) 、对于用户环境的不同，配合使用的传感器类型及数量也不相同。对于如 此多样化的用户环境，机器的设置项目很多( 特别是进口产品) ，会造成用户操作 不便。为此，应通过编程预先设置能适应多样化用户环境的精简指令并按顺序编 号实施，用户只需按键拨号，键入事先编好的精简指令序号及适当的参数即可实 现各种程序化操作，适应不同环境的要求。用户编程精简指令就像使用计算机一 样简单方便，容易接受； ( 4 ) 、控制器设置密码校验； ( 5 ) 、用e e p r o m 固化程序，程序中的关键数据( 如用户报警电话的号码) 可以 修改又不因掉电而丢失； l o 山东大学硕士学位论文 ( 6 ) 、如因故死机，应能自动恢复正常运行。 为实现上述设计目标，故采用以下技术方案和措施： ( 1 ) 采用最简单的公用电话线作为信息传输媒体，而不用无线电方式。这样受 干扰少，误报率低，方便实用。凡是有电话的地方，报警信息都可以自动到达， 距离不受限制。充分利用公共电话线路普及性的优势，成本大大降低。同时简 化了设计，提高了可靠性； ( 2 ) 传送报警信息用语音方式。语音简短明确，可在电话机上收听，使用方便； ( 3 ) 报警器设有拨号修改用户密码的电路，可以在很远的地方通过电话线 路修改自己家中的电话报警器的密码、进行远程控制报警器的设防或撤防操 作： ( 4 ) 使用看门狗电路，因故死机后能自动恢复正常运行； ( 5 ) 加后备电源。 基于电话网的远程控制系统由单片机构成主控部分，进行主要的信息处理， 接收外部操作指令形成各种控制信号，并完成对于各种信息的记录；接口电路提 供单片机与电话外线的接口。其中包括振铃检测、电子开关控制、双音频d t m f 解 码，及语音提示电路n 4 1 。根据智能报警系统的具体设计要求，设计此系统必须具 有以下单元功能模块： ( 1 ) 、报警模块； ( 2 ) 、控制模块； ( 3 ) 、自动拨号模块； ( 4 ) 、语音电路模块： ( 5 ) 、电话接口模块； ( 6 ) 、键盘接口模块； ( 7 ) 、复位模块。 根据电话机和交换机发出的不同信号音以及电话线各种状态的不同要求，本 文结合实际情况对具体的单元功能模块做出软件或硬件上的不同分工，具体如下： 理论上交换机所发出的各种信号音都可以通过软件编程而识别，即通过单片 机发出的脉冲信号来检测信号音单位时间内的脉冲个数计算出其频率，从而完成 信号音识别。但是从系统的可靠性和程序的结构设计上分析考虑，本文选择了硬 山东大学硕士学位论文 件来解决振铃音检测、双音频信号解码等功能模块。 自动摘挂机控制使用具体硬件电路来实现。 振铃音计数、密码校验、语音提示等功能模块使用软件编程方式，要比硬件 电路简单的多，也容易实现。 综上所述，本文设计的自动摘挂机、双音频解码、控制电器等功能模块使用 硬件电路实现。而振铃音计数、密码校验、语音提示等功能模块使用软件编程完 成。 由单片机构成主控部分，进行主要的信息处理，接收外部操作指令形成各种 控制信号，并完成对于各种信息的记录；接口电路提供单片机与电话外线的接e l 。 其中包括摘机控制、忙音检测、双音频d t m f 识别，及语音提示电路等。 根据以上设想系统结构框图如图2 1 所示。 i 绽炜纷络嚣 ! - - - 发j 蓉电路i h 降k i 奉涮絮换胁公共魄涮 i 玻璃破碎传娉嚣卜 li h。1i 援 一嘧| 圈豳圈 l 门磁传爨嚣i 卜 警 1 霞啬多纭l _ 佑 一 箍放电髂l i 馏雾撮静探溺嚣卜 号 处 甑 l 檄凌砧l 醛份缝嚣! - - 理 片 _ le f _ p r o m l 魄 终 舰 i 紫磐索数按钮卜 j 霾螽目语耄露艘l l 像气滋诵佑癣嚣l - - - l 餐九翻电路卜 一拨号修躞密妈曦路l 图2 1 智能电话报警器总框图 单元模块的功能如下： 前端探测器传感器完成对人体热释电红外信号的可靠监测工作。它将数据采 集、a d 转换、比较判断等功能集成于一体，输出报警开关量，即只有实际参数达 到用户设定的报警值时，才输出报警开关信号，然后送给自动报警器主机。 自动报警主机的核心器件是单片机，它是整个系统的“心脏”。由它来接收报 警信号并控制、协调各功能模块的正常工作，本系统采用的是a t 8 9 c 5 1 单片机。 考虑到系统使用时的安全性和保密性，特设计了密码控制电路，只有主人才 可以通过密码验证来控制系统的运行和停止。 看门狗电路主要采用m a x 8 1 3 l 完成对系统电源电压的监测工作，e e p r o m 中存 储系统的一些原始参数、重要数据如预存电话号码、系统密码等。 1 2 山东大学硕士学位论文 皇皇鼍皇晕曼曼暑皇詈詈曼詈葛詈! 皇量量寡! 曼量皇詈吕皇曼吕詈詈曼鼍! 皇曼曼! 皇皇! 曼皇皇詈曼曼置量曼皇鼍詈鲁曼詈詈曼穹曼鼍皇鲁! ! 曼皇曼鼍ii 毫曼鲁曼皇暑鼍詈皇曼皇 拨号电路主要采用m i t e l 公司的编译码集成芯片m t 8 8 8 0 来完成电话号码的 发送，并配合单片机完成电话线上各种信号音的监测等工作。 语音电路采用美国i s d 公司的高保真录放一体化语音芯i s d 3 3 0 6 0 来完成报警 时进行语音提示的预存工作，根据警情进行相应的提示语音录存。 2 2 系统的基本工作过程 安防报警系统工作过程大致如下：报警器通过传感探头进行监控，当发生险 情时，传感探头将探测到的警情信号传送给单片机，单片机通过对报警信息的分 析，得出报警类型。从e e p r o m 中读出相应的报警电话号码，通过双音多频拨号芯 片自动拨打用户预先设置好的报警电话号码( 如手机号码，办公室号码) 进行远程 拨号报警。待对方摘机后，启动语音电路，将预先录制好的语音信息通过电话线 传给对方，通知对方发生何种警情，同时自动记录警情信息，以备查询。如果对 方没有摘机，就连续拨打5 次，如果对方还是没有摘机，就启动现场报警器，讲 行声光报警。同时将警情信息自动记录下来，以备查询，并通过通信线路向小区 管理中心发出报警信号。用户还可以通过键盘设置和修改密码及报警电话号码。 该报警系统由两部分组成，用户端的监控器和报警中心的数据库管理系统， 两者通过电话网相连。在通常情况下，监控器是处于休眠状态，当用户要出门， 家中没人时，用户可以通过键盘启动监控器，监控器接到用户命令后，等待一个 时间( 如3 m i n ) ，让用户启动监控器后有足够的时间离开住宅，该时间过后，监控 器会启动探头，此时监控处于真正的布防状态，只要有人在探头检测范围内经过， 而他又不能在规定的时间内输入正确的密码进行撤防，监控器将通过电话线向报 警中心报警。由于报警信息中含有用户的住宅电话号码，报警中心查询数据库， 就可以马上得到被盗用户的详细资料( 如地址) ，从而使保安部门能及时行动，将 犯罪分子绳之以法，减少用户的不必要损失“鄹。 1 3 山东大学硕士学位论文 第3 章自动报警电路硬件设计 自动报警器是本课题的设计重点，主要包括报警模块、控制模块、拨号模块、 语音模块、电话接口模块、键盘模块。本章丰要介绍系统各个模块的硬件部分的 设计，包括报警模块、微处理器丰机的设计、自动拨号和语音电路的设计、电话 接口电路的设计、键盘电路的设计。 3 1 报警模块 报警模块主要对住宅中的安全状态进行采集并提供报警信息。报警模块可以 探测非法侵入、火灾发生等，例如门磁报警器、烟雾探测器、可燃气体探测器等， 用户可以根据需要进行配置。报警模块在探测到异常情况时将自动发出报警信号， 有的还能同时还发出声音报警。同时要求被保护区域安全，应确保被监视的通道 和区域( 阳台、门窗、过道、金库等) 全部置于传感器的敏感区域内。 3 1 1 传感器介绍 烟雾探测器：烟雾探测器就是用于探测燃烧产生的烟雾并报警的传感器。住 宅中可能发生的危险情况很多，在发生明火前的燃烧会有许多烟雾产生，这时如 果能够及时报警，可以及时发现并排除火警危险，使损失减小到最少。当浓度达 到报警指标时，烟雾通常会上浮，所以该探测器通常安装在靠近天花板的地方。 当烟雾浓度达到报警指标时，烟雾探测器便发出报警声提醒附近的人，同时将报 警信号发给单片机系统，单片机系统将进行处理上传。当烟雾恢复到正常范围时， 报警将自动解除。 燃气探测器：现代住宅中人们普遍使用燃气作为主要的燃料能源，在使用中 特别要注意安全，一旦发生泄漏是非常危险的。燃气探测器是一种可以探测燃气 气体的报警器，当有燃气泄漏时，报替器便发出报警信号，以声音的形式提醒附 近的人。此报警器通常放在厨房来监视煤气管道有无煤气泄露。 门磁传感器：无线门磁传感器用来监控门的开关状态，它主要利用磁敏干簧 管，通过磁性的有无来控制磁敏干簧管的通断，进而产生一个报警信号。无线门 1 4 山东大学硕士学位论文 磁传感器的控制方式是机械式的，因而工作非常可靠、误报率几乎为零。当门不 管因何种原因被打开后，无线门磁传感器立即发射特定的无线电波，远距离向主 机报警。无线门磁传感器体积小巧，尤其是通过无线的方式工作，使得安装和使 用非常方便、灵活。因此是一种在保安监控、安全防范系统中常用的器件。 热释电红外传感器：热释电红外传感器是一种被动式红外探测器，它可以检 出人体发出的红外线并将它转化为电信号。人体都有恒定的体温，一般在3 7 度， 可以产生特定波长l o p m 左右的红外线，人体热释电红外探测器就是靠探测人体发 射的l o p m 左右的红外线而进行工作的。人体发射的l o p m 左右的红外线通过菲尼 尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源采用热释电元件，由陶瓷氧化 物或压电晶体元件组成。在敏感元件两面做上电极，当人体在热释电传感器前运 动时，人本发出的红外线会使敏感材料发生温度变化，由于敏感材料具有热释电 效应，在其两个电极上就会产生微弱的电压。因为传感材料输出阻抗极高，在传 感器中连接了一个场效应管进行阻抗变换，由于场效应管源极会输出一个0 4 v 1 o v 的电压，这一电压信号就可以利用普通放大器进行处理了。传感器本身不发 任何类型的辐射，隐蔽性好、价格低廉。 以上这些报警器作为信号采集并用于单片机智能控制，不但可以发出电平信 号，有的还可以发出声、光报警信号。 3 1 2 工作原理 上面传感器内部都含有编码专用集成芯片p t 2 2 6 2 ，传感器产生信号后，由编 码芯片p t 2 2 6 2 产生一组编码数据，然后将编码后的数据发送出去，如图3 1 所示。 接收端通过解码专用集成芯片p t 2 2 7 2 来解码。 1 5 山东大学硕士学位论文 图3 1 带2 2 6 2 编码发射板原理图 从工作方式来看，接收部分可以分成超外差接收和超再生接收。超再生和超 外差电路性能各有优缺点，超再生接收机价格低廉，经济实惠，而且接收灵敏度 高；但是缺点也很明显，那就是频率受温度漂移大，抗干扰能力差。超外差式接 收机优点是频率稳定，抗干扰能力好，和单片机配合时性能比较稳定；缺点是灵 敏度比超再生低，价格远高于超再生接收机，而且近距离强信号时可能有阻塞现 象。综合各种因素，系统采用的是超再牛接收方式，电路如图3 2 所示。 图3 2 带2 2 7 2 解码接收板原理图 无线数据模块和p t 2 2 6 2 用t 2 2 7 2 等专用编解码芯片使用时，只要直接连接即 可，传输距离比较理想，一般能达到6 0 0 米以上。如果和单片机或者微机配合使 1 6 山东大学硕士学位论文 用时，会受到单片机或者微机的时钟干扰，造成传输距离明显下降，般实用距 离在2 0 0 米以内。5 1 系列的单片机电磁干扰比较大，2 0 5 1 稍微小一些，使用p i c 系列的比较小，我们需要采用一些抗干扰措施来减小干扰。比如采取单片机和遥 控接收电路分别用两个电源供电，无线数据模块单独供电，单片机的时钟区远离 无线数据接收模块，降低单片机的工作频率，中间加入屏蔽等措施，取得明显的 抗干扰效果。 3 2 控制模块 3 2 1a t 8 9 c 5 1 单片机简介 单片机是将c p u 、r a m 、r o m 、定时计数器和多种i o 接口电路都集成在一块 集成电路芯片上的微型计算机，也称为微控制器。由于单片机控制功能强、体积 小、成本低、功耗小等一系列特点，使它在工业控制、智能仪器、节能技术改造、 通信系统、信号处理及家用电器产品中得到广泛的应用。随着数字技术的发展及 单片机在电子系统中的广泛应用，已经在很大程度上改变了原有的传统设计方法。 以往采用模拟电路、数字电路实现的电路系统，大部分功能单元都可以通过对单 片机硬件功能的扩展及专有程序的开发，来实现系统提出的要求这意味着许多 电路设计问题将转化为程序设计问题，这种用软件取代硬件实现和提高系统性能 的设计思想称之为微控制技术。 为了简化电路、降低成本、提高可靠性和灵活性，本文将采用单片机a t 8 9 c 5 1 作为主控制器。a t 8 9 c 5 1 是美国a t m e l 公司生产的低电压，高性能的片内4 k b 快闪 可编程擦除只读存储器的8 位c m o s 微控制器3 ，与m c s - 5 1 微控制器系列产品兼 容，使用高密度、非易失性存储技术制造，存储器可循环写入或擦除1 0 0 0 次。 a t 8 9 c 5 1 的管脚与8 0 3 1 相同。利用内部的程序存储器和r a m ，不需另外扩展就可 以构成一个单片机最小系统。在本系统设计中就充分利用了这一点，从而使得本 系统和其它类似系统相比，具有成本低、体积小、功能齐全等特点。 3 211 主要性能参数： a t 8 9 c 5 1 单片机的主要性能参数n 6 3 有： 1 7 山东大学硕士学位论文 与m c s - 5 1 产品指令系统的全兼容； 4 k 字节可重擦写f l a s h 闪速存储器； 1 0 0 0 次可擦写周期： 全静态操作：o h z - - - 2 4 m h z ； 三级加密程序存储器； 1 2 8 8 字节内部r a m ； - 3 2 个可编程i o 口线； 2 个1 6 位定时计数器； 6 个中断源； 可编程串行u a r t 通道； 低功耗空闲和掉电模式； 3 2 1 2 功能特性描述： 根据性能描述，a t 8 9 c 5 1 单片机可提供丰富的接口和存储功能：4 k 字节f l a s h 闪速存储器，1 2 8 字节内部r a m ，3 2 个i o 口线，两个1 6 位定时计数器，一个全 双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，a t 8 9 c 5 1 可降至o h z 的静态逻辑 操作，并支持两种软件的可选的节电工作模式。空闲方式可停止c p u 的工作，但 允许r a m 、定时计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存r a m 中 的内容，但振荡器停止工作并禁止所有部件工作直到下一个硬件复位。 山东大学硕士学位论文 3 2 1 3 引脚功能说明： a t 8 9 c 5 1 单片机的引脚图见图3 3 所示。对主要引脚功能n 7 1 解释如下： * v c c - 电源电压。 * g n d ：接地。 p o 口：p o 口是一组8 位双向i o 口，既地址数据总线复用口。作为输出口 使用时，每位以可吸收电流的方式驱动8 个1 i t l 逻辑电路，对端口写“1 ”可作为 高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器时，p o 口线分时转换地址( 低8 位) 和 数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在f l a s h 编程时，p o 口接收指令 字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求接上拉电阻。 p l 口：p l 口是一个内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p 1 的输入缓冲级可驱 动( 吸收或输出电流) 4 个t t l 逻辑门电路。对端口写“1 ”，通过内部的上拉电 阻把端口拉到高电平，此时可作输出口。作输入口时，因为内部存在上拉电阻， 某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流( i ) 。f l a s h 编程和程序校验期间，p 1 口接收8 位地址； * p 2 口：p 2 口是一个带有内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p 2 的输入缓冲级 可以驱动( 输入或输出电流) 4 个t t l 逻辑门电路。对端口“1 ”，通过内部的上 拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输出口。作输出口时，因为存在内部上拉 电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部存储器或l 位地 址的外部数据存储器时，p 2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据 存储器时，p 2 口线的内容( 也即特殊功能寄存器( s f r ) 区中r 2 寄存器的内容) ， 在整个访问期间不改变。f l a s h 编程或校验时，p 2 亦接收高地址和其他控制信号； p 3 口：p 3 口是