（航空宇航推进理论与工程专业论文）智能住宅安全监控系统.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 捅要 本文提出并研制了一种基于公用电话网络的智能住宅安全监控系统。系统由安装 于住宅内的监控终端、报警模块、控制模块和安装于监控中心的计算机等组成。当警 情发生时，监控终端通过电话自动向监控中心和用户报警。用户也可以通过该系统对 住宅中电器设备进行远程控制。智能住宅安全监控系统可以提高住宅的安全性、家电 控制的快捷性和方便性，使住宅的现代化水平得以提高。 论文详细介绍了智能住宅安全监控系统的原理、模块的选择、硬件电路设计和调 试、软件的设计和调试。 本文介绍的智能安全监控系统具有成本低、，使用方便、可靠性高等特点。 l 本项目获江苏省发展计划委员会资助。y 关键词：智能住宅、d t m f 、安全监视、远程监控 智能住宅安全监控系统 a b s t r a c t as a f e t ym o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mf o ri n t e l l e c t u a lr e s i d e n c ei s p r e s e n t e d t h e s y s t e mb a s e do nt h ep h o n en e t w o r kc a nr e p o r tt h ea l a r mh a p p e n i n gi nr e s i d e n c et o t h e m o n i t o rc e n t e ra n dt h eh o s ta u t o m a t i c a l l y a n dt h eu s e rc a l lc o n t r o lt h ea p p l i a n c ei n r e s i d e n c e t h r o u g h t h i s s y s t e mr e m o t e l y t h i ss y s t e mw i l li m p r o v et h eq u a l i t y o ft h e r e s i d e n c e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g na n dd e b u g g i n go f t h i ss y s t e m t h i ss y s t e mi si n e x p e n s i v e ，r e l i a b l ea n d e a s y i nu s e k e y w o r d s ：i n t e l l e c t u a lr e s i d e n c e ，d t m f , s a f e t ym o n i t o ra n dc o n t r o l ，r e m o t em o n i t o ra n d c o n t r o i i i 南京航空航天大学硕士学位论文 1 、绪论 随着人类社会的进步和科学技术的迅猛发展，人类开始迈入以数字化和网络化为 平台的智能化社会，人们对工作、生活等环境的要求也越来越高，开始出现了诸如智 能化仪表、智能化家电、智能化汽车、智能化小区等具有不同智能程度的产品、设备、 工具甚至工作环境和生活环境，并且呈现出高速发展的趋势。伴随着数字化和网络化 的进程，智能化的浪潮席卷了世界的每一个角落，成为一种势不可挡的历史趋势。其 中正在兴起的智能小区建设热潮，反映和适应了国际社会信息化和智能化的发展要 求，是2 l 世纪的新概念住宅。 1 1 概述 智能小区是近年来产生并迅速崛起的一种新型住宅，它是建筑艺术、生活理念与 信息技术、电子技术等现代高科技的完美结合。智能小区为住户提供了一种更加安全、 舒适、方便、快捷和开放的智能化、信息化生活空间。智能住宅作为智能小区的一个 单元，其智能化程度直接体现小区的智能化程度。智能住宅系统应用计算机技术 ( c o m p u t e rt e c h n o l o g y ) 、通信技术( c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ) 、控制技术( c o n t r o l t e c h n o l o g y ) 和多媒体技术( m u l t i m e d i at e c h n o l o g y ) 等来实现智能化的要求。 智能化建筑起源于8 0 年代初的美国，当时跨国公司纷纷兴建或改造高科技大楼， 同时，高科技公司为了增强自身的竞争和应变能力，积极地对办公和科研环境进行创 新和改造，以提高工作效率。1 9 8 4 年1 月，美国哈特福特( h a r t f o r d ) 市建成了世 界上第一座智能化大厦，它由一座旧金融大厦进行改造两来，命名为都市大厦( c i t y b u i l d i n g ) 。日本从1 9 8 5 年开始建造智能大厦印度于1 9 9 5 年起在加尔各达的盐湖 开始建设“智能城”。英、法、德等国也相继在8 0 年代末和9 0 年代初发展各具特色 的智能建筑。 我国智能建筑的建设始于1 9 9 0 年，北京的发展大厦可谓是我国智能建筑的雏形， 随后建成了北京燕莎中心、上海商城、广州世贸中心、南京禄口机场等批具有一定 智能化的建筑。 在我国，智能住宅与智能小区虽然起步比较晚，但发展速度却很快。近几年来， 我国已经有了不少与智能小区相关的系统和产品，但主要集中在一些单项功能上，如 远程抄表，智能收费等，远远没有达到智能住宅的要求。 根据目前人们的生活水平以及人们对智能住宅初步要求，智能住宅安全监控系统 适合于市场的需求，满足人们对生活环境安全、舒适、方便、便捷的要求。所以本文 提出一种基于公用电话网络的智能住宅安全监控系统的设计思想并加以实现。 1 2 系统总体设计 1 2 1 组成 智能住宅安全监控系统 整个智能住宅安全监控系统主要由监控终端、报警模块、控制模块、中心信号转 接器、中心服务器、声光报警器等组成。监控终端、报警模块、控制模块布置在智能 住宅中。信号转接器、中心服务器以及声光报警器布置在智能住宅的监控中心。报警 模块包括无线红外报警器、无线烟雾报警器、无线燃气报警器、无线门磁报警器等， 报警器的种类和数量可以根据需要选用。控制模块包括智能插座和红外智能遥控器。 系统组成及功能示意图如图1 1 所示。 智能住宅安全监控系统 怠。一i - 9 学篙- 一。、 隰帖“电而 f 扛外0 、 逋 鼍控、面缱电 电话蛙二1 r _ 嘲i 鲁麓 孓：茹叶护 f i 亭 侥蛙叫 ； 、 ，| l7 藏o 皤 l监控中心 冒睫住宅 f 图i 1 系统组成及功能示意图 1 2 2 功能 智能住宅安全监控系统用于对住宅的安全进行监视和对住宅进行远程控制。整个 系统依托于公共电话网络，按其功能主要分三个方面：语音报警、d t m f 方式报警和 远程监控。 语音报警通过固定电话采用语音方式向用户报告警情。在住宅内的报警模块被触 发时，监控系统通过固定电话自动呼叫用户，在用户接听电话后以语音的形式向用户 报告所发生的警情。 d t m f 报警通过固定电话采用d t m f 方式向监控中心报告警情。d t m f 报警由两部分 组成：一部分为安装在用户监控现场的监控终端，另一部分为置于物业管理中心的监 控中心信号转接器。两部分配合使用，其中监控终端接收到警情时，通过电话向监控 中心部分以d 啊f 格式发送报警信息。监控中心的信号转接器收到信息后把报警信息 2 南京航空航天人学硕士学位论文 通过2 3 2 串口传输到p c 机，p c 机进行处理，并在p c 机的显示器上显示发生警报的 时间、地点和警报类型，通知物业管理人员处理警情。 远程控制是用户在远离住宅时通过固定电话或手机对住宅中的设备进行操纵。用 户拨通住宅中的电话，根据监控终端的语音提示对住宅中设备的状态进行查询以及改 变设备开关状态。在控制设备中，采用了智能插座和无线红外智能遥控器来对设备进 行控制。对一般设备可以通过智能插座控制设备电源来控制；而对于一些红外接口的 设备，采用红外智能遥控器进行红外遥控。 1 2 3 系统特点 系统通过公共电话网络进行安全报警和远程控制。 语音形式直接向用户报警。 向监控中心报警。系统设有监控中心，发生警报时，监控终端向监控中心 自动报警，通知值勤人员。 报警信号以无线电方式传输给监控终端，可避免在住宅内额外布线。 系统设置输入采用电话键盘。 有实时时钟。在系统中，有准确的记时。 监控终端控制家电设备开关采用无线电方式。无线控制指令由智能插座和 智能遥控器执行，以控制家电的开关状态。红外智能遥控器具有自学习功 能。控制指令协议与报警信号无线协议相同。 8 ，液晶显示。显示时间、设置当前值、输入值等。 9 ，电话线防断检测。 l o ，安全监听。 11 ，监控中心声光报警。 1 3 论文内容安排 论文的结构是基于系统的组成模块布置。第二章介绍监控终端，第三章介绍报警 模块，第四章介绍控制模块，第五章介绍信号转接器，第六章介绍中心监控软件。第 七章对本文开展的研究工作进行了总结和展望。 3 1 2 3 4 5 6 7 智能住宅安全监控系统 2 、监控终端 监控终端是智能住宅安全监控系统的核心模块。监控终端安装于住宅中，使用示 意图见图2 1 。它主要实现，接收报警信号并向中心和用户报告、接收用户呼叫并可 以根据用户的指令来操纵家电设备的设备，在智能监控系统中处于核心地位。它由振 铃检测电路、模拟摘挂机电路、d t m f 信号收发电路、语音电路、液晶显示电路、e 2 p r o m 电路、p l c 电路以及无线电收发电路等组成，和住宅中无线报警模块、智能插座和智 能遥控器一起构成安全监控系统的住宅终端部分。当发生警情时，报警模块发射无线 电信号给监控终端，监控终端接收到信号后自动拨电话给住宅监控中心和用户，分别 以d t m f 形式和语音形式报告警情。另外，用户还可以通过固定电话或手机拨通住宅 中的电话，根据监控终端的语音提示对家电设备进行遥控，控制指令是由监控终端以 无线电形式发出，智能插座接收到指令时进行相应的操作并把当前状态以无线电形式 返回给监控终端，智能红外遥控器接收到指令时再转发红外信号控制设备。 图2 1 监控终端使用示意图 2 1 监控终端硬件设计 4 智能住宅安全监控系统 温度和输出数据对照表2 - 2 ，温度测量精度为o 5 。 表2 2 温度检测器的温度与数字输出表 温度数字输出( 二进制)数字输出( 十六避制) + 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 1 0 0 1 0 0 00 0 c 8 h + 2 5 0 0 0 0 0 0 0 0o o l 0 0 0 l o0 0 3 2 h + l ，2 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 l0 0 0 l h + o 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 h 1 ，2 l l l l l l l ll l l l l l l lf f f f h 一2 5 l l l l l l l l1 1 0 0 1 1 1 0f f c e h 一5 5 l l l l l l l l1 0 0 1 0 0 1 0f f 9 2 h 2 1 1 2 电话线防断检测电路 整个监控系统都是依托于公用电话系统的，如果电话线被切断，系统就处于瘫痪 状态了。虽然系统不能保证电话线不被人为地破坏，但可以检测电话线是否正常，当 检测到电话线断开会发出声音报警信号。由于电话线在正常的情况下有直流电压，通 过整流可以得到固定方向，所以可以对这个电压的有无进行判断。对这个电压信号进 行分压得到个比较合适的电压v t ，再与由电源分压得到的大约0 5 v 的参考电压进 行比较，如果v t 比参考电压0 5 v 大，比较器输出低电平，表示电话线正常，如果 v t 小与0 5 v ，比较器输出高电平，表示电话线不正常。当中央处理器8 9 c 5 2 检测到 电话线不正常信号时，采用蜂鸣器发出声音提醒室内用户检查电话线路。 2 1 1 3 整体电路 整个监控终端主要由以上各个单元电路组成。当然整个电路不是以上电路的简单 组合，而是需要合理的搭配。另外，整体电路中还有一些i 0 口，保留作以后系统的 扩展。整体电路图见附录a 。 2 2 软件设计 监控终端的软件设计采用汇编和c 5 1 相结合的方式编写。中央处理器由于程序比 较复杂，所以采用c 5 1 进行编写，而另外的一个专门处理无线电收发的处理器由于程 序比较简单，所以采用汇编进行编写。可编程逻辑器件g a l l 6 v 8 程序采用a b e l 语言 进行编写。 监控终端功能分为三个方面：3 t m f 报警、语音报警以及远程控制，另外还有设 置以及无线电信号检测等。 2 2 1 报警 系统报警分为d t m f 报警和语音报警。d t m f 报警时，发送的是d t m f 格式的数据， 主要是针对向监控中心进行报警。语音报警是以语音的形式向用户进行汇报，其它的 1 4 堕室壁窒堕盔查堂堕主兰堡堡塞一 和d t m f 报警类似。报警的流程图见图2 1 6 。 图2 1 6 报警流程图 1 5 智能住宅安全监控系统 2 2 2 远程控制 在智能住宅安全监控系统中，允许用户通过电话在远程对住宅中的设备进行操 纵。用户拨通住宅中的电话，监控终端在振铃一定次数后自动摘机( 振铃次数可以设 置) ，同时向用户给出语音提示，用户根据语音提示进行操作。当然，在自动摘机后 需要进行密码校验，以防止别人误入系统。密码校验时允许错误3 次，超过3 次就会 自动挂机。进行远程控制时，首先需要确定选择待控制的设备，此时系统会以语音形 式报告该设备当前的状态，然后用户可以根据需要进行改变设备状态等操作。当选择 检测温度时，不能改变状态，若再改变其他设备状态时，需要先选择设备再进行改变 状态。如果用户停止操作时，挂机即可，系统在一段时间没有接收到指令就会自动挂 机并退出控制回到安全监控。控制流程见图2 1 7 。这里对设备的控制主要是通过控 制一个智能插座来控制设备的电源来进行的。还有一些设备，如空调、电视机、录像 机等，除了电源外还需要一个红外遥控器来控制它们的启动，所以对这些设备的控制 采用一个智能红外遥控器来进行。先传送指令给遥控器，再由遥控器来发出红外指令 控制设备。关于智能插座和智能红外遥控器见第四章控制模块。 在d t m f 报警和远程控制中需要d t m f 信号的收发，m 8 8 8 8 c 使用需要初始化，初 始化流程见表2 3 。在接收d t m f 信号时，为了确认是否收到有效的d t m f 信号时，需 要不停地检测标志位，当检测到有效标志后读出的数据才是有效的d t m f 信号。发送 d t m f 信号时，系统给出需要发送的十六进制数，1 t 1 8 8 8 8 c 自动编码为d t m f 格式并进 行发送，发送结束后会返回一个标志位。d t m f 信号收发流程见表2 4 。 表2 - 3m t 8 8 8 8 c 初始化流程 操作 r s o 辟傻尼d b 3b 2b lb o 读状态寄存器 11oxx xx 写控制寄存器a 10100 oo 写控制寄存器b l0lo0o0 写控制寄存器a lollo0o 写控制寄存器b 1olo000 读状态寄存器 l1oxxxx 表2 - 4d t m f 信号收发流程 收发操作r s o眦足d b 3b 2b lb o 接收初始化x xxxxxx d t m f 写控制寄存器a l0l1l0o 信号写控制寄存器b1olo0o0 读状态寄存器l l0x1xo 1 6 南京航空航天人学硕1 “学位论文 读数据寄存器 0l0x xxx 初始化 xxxxxx x 发送写控制寄存器a l0l11o l d t m f写控制寄存器b lol0o0o 信号读状态寄存器 o1oxxxx 写数据寄存器 o0lxxx x 2 2 3 设置 系统的设置包括时间设置、用户密码设置、中心电话号码设置、用户电话号码设 置、用户编号设置、振铃次数设置以及用户物理地址设置等。设置的输入用并联电话 机的按键作为输入键盘，语音提示用电话机的话筒作为扬声器，同时在液晶上显示当 前值和输入的值。设置时，首先系统在接收到设置指令后自动摘机，然后语音和液晶 会提示进行设置选择。在择了设置选项后，语音提示输入的选项，液晶提示当前值， 输入时液晶显示输入的值，输入错误则放弃错误内容并继续等待正确的输入，输入完 毕则挂机并退出设置流程返回主流程。设置流程见图2 1 8 。 液晶模块在使用之前也需要进行初始化。初始化流程见表2 5 。在本系统中用到 液晶显示模块的显示功能，不需要从液晶显示模块中读取数据，所以只要根据操作要 求往液晶模块写数据即可。显示流程见表2 6 。 表2 - 5 液晶模块初始化 操作 r sr 霄d b 7 d b 6d b 5d b 4d b 3d b 2d b ld b o 上电等待1 5 m s 写指令 o0o0l1000o 等待4 1 m s 写指令 0o0oll0o0o 等待l o o m s 写指令 0oo0ll00o0 等待4 0 m s 写指令 00o o00ooo1 等待4 0 m s 写指令 ooo 0l l1o oo 等待4 0 m s 写指令 o 0oo0oll00 等待4 0 m s 写指令 0o0 0oo0 l 1l0 等待4 0 m s 1 7 塑丝竺量塞全堕笙墨竺 一 开始 j 摘机 j 语音提示 选择设置项目 j 液晶显示选择 j 接受按键 选择设置项目 l r 接受按键 输入设置值 l 显示按键 书w 存储设置 j 语音提示设置成功 j i 挂机 j 结束 图2 1 7 远程控制流程图图2 1 8 设置流程图 1 8 南京航空航犬人学顶十学位论文 表26 液晶显示流程 操作 ) 8 410 8 310 8 2ld b lfd 8 0 写地址 写数据 i等待操作完成( 1 5 m s )f l 、，- - - 。，。、- - ，、。， ，- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 、- - - - 一 在监控终端需要设置许多参数，并且这些参数需要在掉电情况下也不丢失，否则 每次掉电都需要用户设置的话，使用是很不方便的。这些数据存储在e 2 p r o m 中，内 部存储数据见下表2 7 。 表2 7e 2 p r o m 存储信息 存储地址存储内容 0 0 0 6 h用户地址，这个属于智能住宅安全监控系统设备号，每套系统 的用户地址是不相同的 0 7 - o a h4 位密码 0 d h远程控制时自动接听电话的振铃次数 1 0 一l f h用户电话号码 l 2 0 - 2 f h 中心电话号码 l 3 0 3 3 h4 位用户序号，在住宅小区中每一个住户有不同的用户序号 2 2 4 无线电信号发射与检测 监控终端中采用8 9 c 2 0 5 1 处理器专门负责控制无线电信号发射和接收。收发无线 电信号的8 9 c 2 0 5 1 处理器直处于接收无线电信号状态，当检测到有效无线电信号 时，从串口把信号传输到中央处理器8 9 c 5 2 ，8 9 c 5 2 在主流程中检测接收到无线电信 号标志时处理无线电信号，判断是遥控器布撤防信号还是无线报警信号。当是布 撤防时，改变布撤防状态。当有报警并且处于布防状态时，系统自动进行d t m f 报警 和语音报警。8 9 c 2 0 5 1 的信号检测流程见图2 1 9 。当需要发射无线电指令时，8 9 c 5 2 把指令通过串口传输到8 9 c 2 0 5 1 ，再由8 9 c 2 0 5 1 对信息进行编码，由无线电发射模块 进行调制发射。无线电发射流程图见图2 2 0 。 2 2 5 主流程 监控终端系统需要把以上几个功能很好地集合在一起，保证各个功能协调工作。 整个监控终端系统主流程图见图2 2 l 。 1 9 塑壁垡圭室全堕丝墨丝 一一 图2 1 9 无线电检测流程图图2 2 0 无线电发射流程图 图2 2 l 监控终端主流程 2 0 一 塑塞堕至堕查叁兰堡堂堡堡壅 一一 一 2 3 调试 要使监控终端中各个功能很好地协调工作要经过很多的调试才能实现。系统是经 过很长时间的调试才完成。系统调试包括硬件和软件的调试，而且软硬件调试是交叉 进行的。 2 3 1 硬件调试 硬件调试主要是使各个模块能够协同工作，使系统满足规定的要求，并且使系统 能够稳定可靠地工作。许多器件的使用都是先进行单独调试后再进行系统设计和调 试。 1 、模拟摘挂机电路和d t m f 收发电路调试 在用串联电阻在电话线上的方法模拟摘挂机时，电阻大小选择要合适，如果过大， 回路中电流没有达到2 0 m a 时，不能够使系统摘机，如果电阻过小会使系统摘机后馈 电电压过小，不能满足载波电压的要求，最后选择约3 0 0 欧姆的电阻。 d t m f 信号从电话线上接收，选择了模拟摘挂机电阻后，电话在摘机时馈电电压 约6 v ，要得到d t m f 的两种频率信号，所以采用电容接在m t 8 8 8 8 c 的输入脚和电话线 馈电输出端。m t 8 8 8 8 c 的接收外围电路中要调整合适的增益r 2 9 1 1 2 8 ，增益过小就不 能正确识别d t m f 信号，但输入脚的电阻r 2 8 不能太小，太小会使输入阻抗不匹配。 经过调试，使r 2 8 为2 5 k ，反馈电阻r 2 9 为2 2 0 k 即可，其放大倍数为8 8 。 经过试验发现，大概5 0 0o 左右的电阻可以很好地满足摘机要求和d t m f 信号收 发要求。 2 、液晶显示电路调试 液晶显示模块在使用时，需要调整显示的对比度，电路中采用一个可调电位器来 进行调节，在上电以后调节该电位器，使得液晶显示屏显示出一捧没有信息而另一排 呈4 0 黑度，调节以后就可以使用液晶显示屏来显示信息。 另外电源需要比较稳定，所以在7 8 l 0 5 前后都用一个电解电容进行滤波稳压，电 容大小的选取合适，太大了会占用很大的体积，太小不能满足滤波稳压要求。 2 3 2 软件调试 一部分硬件调试完成就可以进行该部分的软件的调试了。软件调试主要是完成流 程的调试，看设计的流程是否合理，是否满足设计的要求，同时解决程序设计时没有 考虑到的问题。另外一些功能需要软件编程来实现，如串行口通讯、无线接收、无线 发送、看门狗复位等，这些是在硬件基础上一边编程一边进行调试，直到程序实现功 能。 1 、串行数据传输调试 串行接收数据采用中断方式，则串行中断中接收数据。串口通讯中，串口中断是 2 1 塑! ! 堡童窒全些丝墨竺 一。 接收和发送都会触发中断，所以在接收串行数据时需要注意中断是接收引起的还是发 送引起的，如果是发送引起的则不能接收数据。发送结束需要检测是否发送完，如果 没有送完则等待到发送完成，为发送下一位做好准备。特别要注意的一个现象是，在 接收串行数据中断中发送串行数据不会再触发中断，而在非串行中断中发送串行数据 会产生串行中断。 2 、无线电指令检测调试 无线电指令接收时，由于接收模块一直处于噪音的干扰中，所以在没有有效无线 电信号时，信号是杂乱无章的，所以要避免干扰信号，软件需要具有过滤这些噪音的 能力。接收时需要不停检测接收模块的数据引脚，检测无线电帧头时不能等待某一个 电平，而是要用计时的方式，如果超过定时器最大记数则停止这个电平的记时，且该 位不是帧头，重新开始检测帧头，从而避免了程序在干扰少时的死循环危险。( 无线 电指令分析见4 1 智能插座中的4 1 2 节) 。另外对无线电指令帧头检测时，需要 一定的误差容限，因为报警模块以及遥控器在温度变化时，无线电信号脉冲的宽度会 有一定幅度的变化，比如温度不同，无线电信号帧头负脉冲的宽度变化幅度可以达到 l m s 。 3 、看门狗调试 看门狗的软件复位需添加在程序的适当位置，以防止程序运行不正常，且需要防 止正常运行引起超时复位的情况。 4 、与智能插座联调 在与智能插座联合调试时发现，在较大干扰的情况下不能查询或控制设备，所以 需要发送1 次以上的指令，而且每一次指令帧数不能过多，如果过多会导致智能插座 返回状态多次的现象。如果干扰导致没有能够实现控制或查询，在第二次发送指令时 需要避免智能插座端正在发信息的情况。要确切知道第一次指令没有被接收到再发送 第二次指令。 在与报警模块联合调试时发现，接收无线指令时需要判断是否与上一次指令相 同，因为当发生警报时，报警模块可能很长时间处于发射报警信号的状态( 如红外报 警器在外界侵入持续且有移动时会多次发送报警信息) ，所以在发生一次这种报警后 不再接受相同的警报。当有其他警报发生后就不影响先前发生的报警模块报警了。然 而，这样会对住宅设备状态查询产生影响，当然要允许用户多次查询同一个设备的状 态，而查询发回的信号是相同的，这个信号要能够被接受，所以需要设立一个开关， 当是查询指令时允许接收，当是报警信号时，与上一次相同则不接收。这个开关从 2 0 5 1 接收串行数据时得到，当需要发送查询或控制指令时允许接收相同无线信号， 当不是接收的串行数据时则不允许接收相同无线信号。 南京航空航天大学硕士学位论文 3 、报警模块 智能住宅安全监控系统的主要功能之一是安全报警，需要对住宅中的安全状态进 行采集并提供警报信息，这就需要报警模块。报警模块可以探测非法侵入、暴力破坏、 安全隐患等，例如红外报警器、门磁报警器、振动探测器、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。 为了使用的方便性，本系统采用无线报警模块，这样用户在布置报警模块时不需 要在住宅中再添加线路。 报警模块在探测到异常情况时将自动发射无线电报警信号，有一些同时还发出声 音报警。监控终端接收并处理报警信号，然后自动将警报信息传输给用户或监控中心。 下面分别介绍本系统中使用的各种报警模块的功能、特点及使用方法。 3 1 无线红外报警器 人体由于体温的原因不停地向外发射红外电磁波，所以可以根据这个红外电磁波 来判别是否有人的存在，红外报警器就是通过探测人体的红外信号两产生报警的设 备。当有人闯入报警器的探测区并处于移动状态时，红外报警器探测到人体的红外信 号并产生报警。在报警时有采用声音形式，也有无线电形式。无线红外报警器就是以 无线电形式向外发射报警信号，这个无线电信号采用p t 2 2 6 2 进行编码，用y c f 无线 电发射模块进行发射。在智能住宅安全监控系统中由监控终端进行接收无线电报警信 息。 红外报警器种类有许多，但以无线电方式发射报警信号的就比较少，市场上常见 的无线红外报警器有深圳运筹实业有限公司的y c f l 0 0 - i - f f ，现介绍如下： 一、主要工作指标： l 、工作电压：9 v 2 、静态电流：小于9 0 u a 3 、报警电流：小于3 0 m a 4 、工作频率：3 1 5 k h z 5 、探测范围：正前方6 - 1 2 m 6 、探测水平角度：9 0 1 1 0 0 7 、发射时间：1 5 3 s 8 、响应时间：小于1 0 m s 9 、工作环境：1 0 + 5 0 二、性能特征： 1 、触发可靠性高，频率稳定 2 、功耗小，穿透能力强 3 、内置高能锂电池( 9 v ) 智能住宅安全监控系统 4 、全自动温度补偿技术 5 、不会频繁发射、误报 6 、安装方便 当有红外源在探测范围内时，会触发红外报警器，红外报警器就会发射无线电报 警信息，持续时间约为1 秒，两次报警间隔大于5 秒。该红外报警器只能探测到探测 范围内移动的红外信号源，当红外信号源在探测范围内没有移动则不会产生报警。 3 2 无线烟雾探测器 住宅中有可能发生的危险情况很多，在发生明火前的燃烧会有烟雾产生，如果在 这个时候产生警报，可以把危险排除在发生大的损失之前。烟雾探测器就是用于探测 燃烧产生的烟雾并警报。无线烟雾探测器则是以无线电方式向外发出警报，同时还以 声音的方式发出警报，提醒附近的人员。深圳运筹实业有限公司的y c f l 0 0 一y g 就是一 种常见的烟雾探测器。现介绍如下： 一、主要工作指标： 1 、电源：9 v 电池 2 、阻抗：小于5 0 q 3 、静态电流：小于1 0 u a 4 、报警电流：2 0 一3 0 f l i a 5 、发射功率：l o m w 6 、烟雾灵敏度：符合u l 的2 1 7 号标准 7 、工作频率：3 1 5 k h z 8 、工作环境、温度：4 - 5 0 ，l o - 啕0 无冷凝 二、性能特征： 具可靠性高，频率稳定。抗干扰强，功耗小，且能测试，使用简便、安全可靠 等特点。 该烟雾探测器安置在室内需要监控的部位，通常由于烟雾会上浮，所以一般安装 在离天花板0 3 - 1 2 米的范围内。当探测器范围内烟雾颗粒的浓度达到报警指标时， 烟雾探测器产生报警。报警时，探测器发出尖锐的报警声以提醒附近的人员，同时发 射无线电报警信号。当烟雾恢复到正常范围时，警报自动解除。这种探测器具有一个 测试按钮，按下测试按钮会模拟警报，用于无线电测试。 3 3 无线燃气探测器 现代住宅中都使用煤气作为主要的燃料能源，在使用中要时刻注意安全，发生 泄漏是非常危险的。燃气探测器是一种探测可燃气体的报警器，当有燃气泄漏时，探 测器检测到一定浓度的燃气就发出报警信号，并以声音形式提醒附近人员。无线燃气 探测器是以无线电方式报警的燃气探测器。深圳运筹实业有限公司的y c f l 0 0 一r q 就是 2 4 南京航空航天大学硕 ：学何论文 一一一 一种常见的燃气探测器，现介绍如下： 一、主要工作指标： 1 、适用气体：天然气、液化石油气、管道煤气等 2 、电源：2 2 0 v 市电 3 、工作频率：3 1 5 k h z 4 、发射功率：1 0 m w 5 、功耗：小于2 5 w 6 、报警浓度：1 5 - 2 5 l e l 7 、工作环境：1 0 - + 4 5 ，湿度3 0 一9 0 二、性能特征： 具可靠性高、频率稳定、抗干扰强、功耗 小等特点，且还能测试，使用、安装简便等特 点。 当该燃气报警器探测到天然气、液化石油气或管道煤气时，报警器以无线电方式 和蜂鸣器方式发出警报。 该报警器针对不同的危险气体安置位置也不同，针对天然气和管道煤气时，由于 这些气体比空气轻，会悬浮于天花板，所以需要把报警器安装在低于天花板0 3 - 1 2 米，距气源半径1 5 米的范围内；对于液化石油气，由于其比控制空气重，会沉积于 低洼之处，所以报警器应安装在离地面0 3 - 1 2 米，距气源半径1 5 米的范围内。 3 4 无线门磁报警器 这是一种最实用、最基本的报警模块。 现在许多住宅中安装了各种防盗门来加强防盗，但还是不能满足人们的安全要 求，防盗门还是有可能被无声无息地打开，这样就不能达到安全的要求。同时，室内 一些厨门等设备也需要监视。门磁报警器则是一种采用电磁的方式探测门或窗是否被 打开的报警器，当门窗被打开，报警器就会报警。这样就补充了门窗的防盗功能。深 圳运筹实业有限公司的y c f l 0 0 m c 是一种常见的 无线门磁报警器，现介绍如下： 一、主要工作指标： 1 、工作电压：7 - 1 0 v 2 、工作电流：7 m h 3 、静态电流：5 u h 4 、工作频率：3 1 5 k h z 5 、发射功率：大于1 0 m w 6 、发射距离：大于1 0 0 m ( 空旷) 7 、发射时间：1 5 - 3 s 2 5 智能住宅安全监控系统 8 、磁控距离：吸合i 5 m m ，释放3 0 m m 二、性能特征： 具可靠性高、频率稳定、功耗小、穿透能力强等特点；内配锂电池，使用寿命可 达一年以上：安装方便。 门磁报警器一般安装在门或窗上，当门或窗被打开时就会发出报警信号，报警信 号持续大约3 秒，只有门或窗重新关闭后再被打开才会再次报警。 另外还有许多安全报警器，例如雷达报警器、振动报警器等，无线报警原理与以 上报警器相似，就不介绍了。 监控终端使用的布撤防的遥控器的原理和这些报警器也相似，区别主要在：报 警器使用时一直需要电源，以使报警器一直处于警戒状态，而遥控器在没有按下按键 则是不消耗电能的，只有在有按键被按下才会通电工作。 以上所有无线电报警模块、布撤防遥控器以及将在第四章介绍的控制模块的无线 电信号的编码格式是统一的，并且无线电信息可以进行编码设置，具体无线电编码格 式参见第四章的无线电指令分析。 2 6 南京航空航天大学硕1 学位论文 4 、控制模块 智能住宅安全监控系统的另一项主要功能是远程控制。远程控制功能通过监控终 端和控制模块来实现。 控制模块通常是一种智能插座。它按插在普通插座上，自身又提供被控电器设备 电源的插孔。当用户通过电话发送控制指令给监控终端时，监控终端将相应的指令通 过无线电方式发送给智能插座，智能插座根据指令对相应的电器设备进行开关控制， 并向监控终端提供该电器设备的开关状态。面对一些具有红外接口的设备，则采用红 外智能遥控器，即监控终端通过无线电方式向遥控器发送控制指令，再由遥控器发送 红外指令到相应的电器设备来实现控制功能。 下面分别论述智能插座和红外智能遥控器的设计思想和实现方法。 4 1 智能插座 智能插座主要用于接收智能监控终端发送的无线电指令来控制插座电源的开关， 同时还允许通过监控终端来查询插座当前的开关状态，并把状态信息以无线电形式发 送回给智能监控终端。每个智能插座具有唯一的地址，以区别其他智能插座。地址有 l o 位，7 位用户地址，3 位用途地址。用户地址区别不同的用户，防止用户之间相互 干扰。用途地址用于区分同一用户住宅中不同的智能插座，防止同一用户中不同的智 能插座之间相互干扰，例如同一用户一个智能插座可能控制电饭锅，另一个可能控制 热水器，这两个插座依靠不同的用途地址来区分。每一位地址有三种状态，所以最多 地址范围为3 1 0 即5 9 0 4 9 。这样的智能插座不需要布线，使用灵活、方便。智能插 座使用示意图参见图2 1 。 4 1 1 硬件设计 智能插座由电源模块、处理器8 9 c 2 0 5 1 、无线电发射模块、无线电接收模块以及 开关驱动模块组成，智能插座的内部组成块图见图4 1 ，电路图见附录b 。 图4 i 智能插座组成块图 2 7 智能住宅安全监控系统 l 、电源设计 智能插座的供电电源是市电2 2 0 v 的交流电，要得到内部需要的9 - 1 2 v 和5 v 的直 流电源，则必须由2 2 0 v 市电来得到。采用变压器进行变压，从2 2 0 v 变到i o v 左右的 交流电。为了得到9 - 1 2 v 直流电源，采用一个整流桥进行全桥整流，再用电容进行滤 波稳压处理。而5 v 电源则由i o v 的直流电源经过7 8 l 0 5 稳压得到。 2 、发射模块 无线电指令的发射采用深圳运筹实业有限公司的y c f l 0 0 来进行无线电调制。无 线电指令由处理器8 9 c 2 0 5 1 编码给出数字信号，经过发射模块的调制后发射出。为了 节约电源在不发射无线电指令时关闭发射模块，只有在需要发射指令时才给无线电发 射模块供电源。 3 、接收模块 无线电指令接收时，用深圳运筹实业有限公司的y c j l 0 0 来进行无线电解调，然 后用处理器8 9 c 2 0 5 1 进行解码识别。根据接收到的指令进行控制插座的开关以及状态 查询。 4 、开关驱动模块 开关驱动模块主要实现由弱电对强电的控制，根据插座使用的功率大小可以选择 不同的控制方式。对小功率用途，可以用继电器直接控制插座的导通状态，对于大功 率的用途，没有继电器能够满足电流要求，这时采用晶闸管。智能插座输出的电源也 是市电，为了不影响家电设备使用，所以采用双向晶闸管，用继电器控制晶闸管的控 制极来控制其导通。 4 1 2 软件设计 1 、无线电指令的分析 智能住宅安全监控系统中使用的所有的无线电模块的无线电协议是统一的。通过 示波器观察无线电指令的格式可以发现，指令的形式如图4 2 所示。 图4 2 无线电指令格式 每帧指令都是包括一个帧头，后面为1 2 个有效数据位。帧头为一个窄的正脉冲 和一个宽的负脉冲，见图4 3 。有效数据位有三种编码方式，分别编为0 、1 、2 ，见 图4 4 。图中所示的数据单位为微妙，并且会有一定的误差，但都在图示数据附近， 在解码识别时允许一定的误差容限。因此，根据以上编码方案，图4 2 所示的编码为： 帧头+ 用户地址( 2 2 2 2 2 2 0 ) + 用途地址( 1 0 0 ) + 开关选择位( 1 ) + 指令位( 2 ) 。其中 开关选择位指选择智能插座上的开关l ，指令2 表示查询开关状态。 2 8 南京航空航犬人学硕十学位论文 l、 l 、5 4 e 7 174 00 图4 3 无线电指令帧头 同同fn 厂 f 12 图4 4 无线电指令数据位的三种编码方式 2 、无线电解码识别 无线电接收模块接收到无线电信号并进行解调后输出以上的无线电指令波形，采 用处理器进行解码识别：用定时器对脉冲信号进行记时、比较、分析可以得到无线电 指令表示的数字信息。在无线电解码识别时，需要对每一帧数据的帧头进行识别，过 滤掉干扰信号。由正负脉冲来确定的帧头能够几乎确保不会接收到错误的无线电信 号，同时后面的有效数据在使用时需要跟用户地址进行比较，所以即使帧头识别时有 很小几率的误差也可以通过地址比较排除错误。 3 、无线电编码发射 在智能插座接收到查询或控制指令后需要返回当前状态给监控终端，所以需要对 插座当前状态信息进行编码。在编码信息中，首先需要包括帧头及用户地址和用途地 址，以便监控终端确定接收到的是哪个设备的状态。其次就要对状态信息进行编码， 0 表示插座处于关的状态，1 表示开。这里的信息按照图4 2 的格式进行编码。在发 射编码时，由处理器根据存储的是时间来控制脉冲的宽度，采用定时器进行控制。 4 1 - 3 调试 智能插座的调试主要是无线电信号的接收和发射。接收无线电信号时，识别无线 电帧头的误差容限能够包容监控终端发出的无线电信号脉冲帧头的误差。发射无线电 信号只要控制数字脉冲的时间宽度能够被监控终端接收。这些和监控终端中的无线电 收发时的处理相似。 该智能插座由本人和师弟温铁钝共同完成。 4 2 红外智能遥控器 红外智能遥控器主要用于接收监控终端发送的无线电指令，再发送红夕 指令来控 制具有红外开关控制的设备的状态。这种遥控器具有自学习功能，能够学习其它遥控 器的红外信号，从而实现一定功能上代替被学习的遥控器，使之能够在智能住宅安全 监控系统中使用。使用示意图见图4 5 。 图4 5 红外智能遥控器使用示意图 2 9 掣 智能住宅安全监控系统 4 2 1 红外信号分析 要学习遥控器的红外信号就必须先分析红外信号特征。对多种红外遥控器发出的 信号进行分析发现，不同的遥控器发出的红外指令中，起始码各不相同，而且后面的 控制指令差别也很大，甚至指令码的位数也不相同，这是因为这些红外遥控器的设计 没有遵循统一的红外遥控标准。通过采用数字示波器对红外指令信号进行采样，发现 它们和标准的编码方式不甚相同，但基本的编码思想是相同的，都是采用不同的周期、 不同占空比的脉冲来分别表示数字信号。和1 。不同遥控器红外指令的占空比会有所 不同，脉冲周期也会不同。比较不同遥控器指令以及相同遥控器不同指令的红外信息 可以发现其规律。图4 6 、4 7 、4 8 是两种空调遥控器的开关指令和增加温度指令。 图4 6 遥控器l 的开关 图4 7 遥控器l 的升温指令 图4 8 遥控器2 的开关指令 对以上两种空调遥控器以及其它遥控器的指令信号研究发现：相同的设备的遥控 器上不同按键的遥控信息码的起始位是相同的，而且指令信息的前一部分表示设备信 息，也是相同的，不同的仅是后面用于不同控制的控制信息。而不同遥控器的遥控信 息起始位就不相同了。从图中还可以分析出，每种遥控器发射的红外信息都是以1 个一宽一窄的正负脉冲为起始，后面紧跟设备信息，再后面才是控制指令信息。例如 以上的遥控器1 开关信号的整个信息可以表示为：9 m s 的负脉冲+ 4 5 m s 的正脉冲+ 设 备信息码( 0 0 0 0 1 0 0 0 1l1 0 11 1 ) + 控制指令信息码( i 0 11 0 0 0 0 0 1 0 0 111i ) 。而遥控器i 升温信号的整个信息可以表示为：9 m s 的负脉冲+ 4 5 m s 的正脉冲+ 设备信息码 ( 0 0 0 0 1 0 0 0 11l o l1i ) + 控制指令信息码( i 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1i1 ) 。其中，0 表示一个0 5 m s 的负脉冲和一个0 5 m s 的正脉冲，l 表示一个0 5 m s 的负脉冲和个1 5 m s 的正脉冲， 信息编码见图4 9 。负脉冲表示接收到红外载波，正脉冲表示没有红外载波。遥控器 2 的信息也有类似的规律，只是脉冲宽度不一样。接收设备只能接受与它有相同设备 信息码的指令，其他干扰信号则不接受。不同厂家生产的遥控器主要区别就是在起始 位、指令信息码的脉冲宽度、指令序列以及信息码的位数的区别。但他们编码的方式 是相同的，都是采用两种不同周期不同占空比的脉冲序列来表达信号的。 南京航空航大人学硕十学位论文 剀e p 图4 9 数字信息编码图 4 2 2 红外指令的识别 这里提出的红外智能遥控器的设计思想能够对不同遥控器的信息完全地记录下 来，并进行信息存储，在需要发射相同的控制信号时再根据存储的信息进行回放。