（电路与系统专业论文）嵌入式智能安防系统设计.pdf

硕士学位论文 摘要 随着数字信息技术、电子技术以及网络技术的不断发展，嵌入式系统已经广 泛应用于电子产品的设计和开发。将嵌入式系统应用于安防系统的设计能够实现 模块化开发，简化系统的开发流程，从而缩短系统的开发周期，节约开发成本，提 高系统性能，是安防系统发展的趋势。 本系统是基于电话开发的一种报警系统，同时结合了目前强大的i n t e r n e t 网 络。通过单片机控制并且和p c 机结合，不但可以使用户通过电话接收到报警信息， 还可以让用户通过i n t e r n e t 下载查看所有的报警记录。多种网络的组合和多种探测 器的灵活选择使本系统适用范围非常广泛。 本文在研究和总结安防系统发展现状及发展趋势基础上，结合实际需求给出了 嵌入式智能安防系统的总体软硬件实现方案，针对系统总体方案，本文从如下几 个方面开展系统的设计和开发： 1 ) 介绍了系统中所使用的探测器的工作原理和详细硬件电路图； 2 ) 给出了防盗报警主机中处理器的选型及电源模块、实时时钟模块、报警输 入模块、串行通信接口模块、遥控模块、键盘模块、显示模块、电话拨号 模块、报警数据存储模块和报警语音播放等模块的详细软硬件设计和实 现，并给出了监控主计算机与报警主机间的通信协议； 3 ) 基于电子地图的监控主计算机软件的设计与实现； 4 ) 对系统运行过程的抗干扰性进行了分析，并给出了降低系统误报率的软硬 件措施。 关键词：智能安防系统；嵌入式系统；报警主机；报警探测器：通信协议 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to fd i g i t a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，n e t w o r kt e c h n o l o g ya n d i n t e g r a t e d c i r c u i tt e c h n o l o g y , e m b e d d e ds y s t e m h a sb e e nw i d e l yu s e di nt h e d e v e l o p m e n ta n dd e s i g no f e l e c t r o n i cp r o d u c t s t h e r ea r em o r ea d v a n t a g e so fa p p l y i n g e m b e d d e d s y s t e m i n s a f e g u a r ds y s t e md e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o n ，s u c h a s m o d u l a r i z i n gs y s t e md e v e l o p m e n t ，s i m p l i f y i n g t h ed e v e l o p m e n tp r o c e d u r e ，c u t t i n g d o w nd e v e l o p i n gp e r i o da n dc o s t ，a n di m p r o v i n gs y s t e mp e r f o r m a n c e s oi t i sa g e n e r a lt r e n dt oa p p l ye m b e d d e ds y s t e mi ns a f e g u a r ds y s t e md e s i g n t h es y s t e ma r ec o m p o s e db yt h et e l e p h o n en e ta n dt h ei n t e r n e t i ti sc o n t r o l l e db y w 7 8 e 5 8 ba n dp c i tc a nt e l lt h eu s e rt h ea l a r m i n gm e s s a g ea n da l l o wt h e u s e rt o d o w n l o a dt h ea l a r m i n gm e s s a g eb yi n t e r n e t t h eu s e rc a ns e l e c td i f f e r e n t k i n d so f d e t e c t o r t h i sm a k e st h es y s t e mh a v eal a r g ea p p l i c a t i o ns c o p e b vs t u d y i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n da d v a n c e m e n tt r e n do fs a f e 。g u a r ds y s t e m ， t h i sp a p e rp r e s e n t sa no v e r a l ls o l u t i o no fe m b e d d e di n t e l l i g e n ts a f e - g u a r ds y s t e m t h e i m p l e m e n t a t i o n so ft h es y s t e mi n c l u d et h ef o l l o w i n gf o u ra s p e c t s ： 1 b a s i cp r i n c i p l e sa n dh a r d w a r ec i r c u i t s o fs e n s o r su s e di nt h es y s t e ma r e d e t a i l e d m a i np r o c e s s i n gu n i ts e l e c t i o no ft h ea l a r mh o s ti sf i r s tp a i dm o r ea t t e n t i o n ， a n dt h e nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n o fp o w e rm o d u l a l r e a l - t i m ec l o c km o d u l a r ，a l a r mi n p u tm o d u l a r ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l a r , r e m o t ec o n t r o l l i n gm o d u l a r ，k e y b o a r dm o d u l a r , l c dd i s p l a y m o d u l a r , t e l e p h o n ed i a l i n gm o d u l a r ，a l a r m d a t as t o r a g em o d u l a r , a n da l a r mv o i c e p l a y i n gm o d u l a r a r ea l ld e t a i l e dp r e s e n t e d s u r v e i l l a n c es o f t w a r eu s i n ge l e c t r o n i cm a p i sd e v e l o p e d s y s t e ma n t i i n t e r f e r e n c e sa n dm e a s u r e so fd e c r e a s i n ga l a r m i n g e r r o r sa r ea l s o g i v e n k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n ts a f e g u a r ds y s t e m ；e m b e d d e ds y s t e m ；a l a r mh o s t ；a l a r m s e n s o r ；c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l l i 乞 王 t 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 渐虱 嗍呻j 月细 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并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。本人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名： 娣团 导师签名：易仰 ， 日期：刁年亍月，铲日 日期：矽7 年厂月甲日 硕士学位论文 第1 章绪论 嵌入式系统的定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁 剪、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机 系统。“嵌入意味着这些系统本身与其所控制和管理的系统是融为一体的，是其 中的一个有机组成部分，是各种控制系统的基本构造单元。嵌入式系统可分为硬 件嵌入式系统和软件嵌入式系统，硬件嵌入式系统多为专用或多用途的可编程控 制模块，是最主要的嵌入式系统。本文讨论的主要是硬件嵌入式系统。嵌入式系 统的应用非常广泛，在数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外 部设备中就包含了5 1 0 f 嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘等均是由嵌 入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、 航空、航天、军事装备及消费类产品等方面均是嵌入式系统的应用领域n 1 。 单片机系统就是比较典型的嵌入式系统，在嵌入式系统中单片机占了相当大 的比重。嵌入式系统应用在安全防护系统中便构成了安防嵌入式系统。安全防护 系统是现代生产生活中不可缺少的组成部分，其应用涉及各个领域，如大楼保安、 防火防盗等。嵌入式系统在安全防护系统的智能化、网络化进程中，扮演了重要 的角色。 随着我国国民经济和人民生活水平的不断提高，全国各地众多的现代化小区 如雨后春笋般涌现，各种高档用品也大量进入人们的生活。同时各种不安全因素 也不断出现，例如人为的恶意侵犯( 如盗窃、抢劫等) 。所有的这些都对人们的正常 生活造成了不良影响，所以需要设计一种智能的安防系统来保护人们的财产，最 大限度的减小因此而产生的损失。 1 1 安防系统的国内外发展状况 在网络经济时代的大潮中，安防建设显得越来越重要。国内外的许多大公司 己进入了该领域，如微软公司投资一家i t r a n 公司，专业从事家庭安防和家庭自动 化产品的开发设计；i e u i 公司与建筑商合作，为用户提供装备有先进安防系统的 智能化住宅。美国联邦政府以i b m ，a t & t 等大型t f 民间企业为首，投资4 0 0 0 亿 美元，为全国5 0 0 万个小区和9 0 0 个家庭提供全面的小区和家庭安全防护以及信息 服务。 “安全技术防范 作为一个专业领域，在国内已经经历了二三十年的发展历 程。它的发展历程分为三个阶段：1 9 7 9 1 9 8 3 年为起步阶段；1 9 8 4 1 9 9 6 年为发展阶 段；1 9 9 7 年后为提高阶段，即探索安全技术防范的发展规律和方向的阶段。近两 年来，安防业又有了进一步的发展他1 。 嵌入式智能安防系统设计 1 2 安防行业的产业现状 我国安防行业是随着社会主义市场经济的发展逐渐成长起来的。改革开放以 来，在国民经济迅速发展，人民生活水平日益提高的推动下，安防行业呈现出一 个蓬勃发展的势头【3 1 。尤其是九五期间，我国住宅产业异军突起，极大的促进了安 防行业产业规模的扩大。从1 9 9 8 年起年产值近1 0 亿元的安防企业集团和上市公司 开始不断涌现。迄今，已有专营或兼营的业单位数千家，产品种类发展到1 0 余大 类，1 0 0 多个品种，从业人员数万人。目前，安防产品在市场结构方面呈现出三个 特点： 1 地区分布不均匀。北京、上海、江苏、浙江、广东和山东六省市的安防企业占 全国一半左右。 2 国内企业生产同类产品的差异性不大。这意味着产品容易替代，垄断程度低。 3 在市场进入障碍上呈现劣势。安防产品是境外企业竞相进入的热点，进入障碍 的高低，影响着市场内已有企业的优势大小。境外安防产品的成熟度比中国至 少早2 0 3 0 年，就电视监视设备而言，在中国市场上日本产品占有率为4 5 ，美 国产品占有率为2 5 ，台湾产品为2 0 。 安防产品在市场行为方面也具有三个特点： 1 价格竞争力不强。由于卖方众多，市场透明度较差，价格定位使企业间相互制 约，形成了国外产品价位高出国内产品1 3 倍的局面。 2 产品发展不平衡。在1 9 0 0 多家企业生产的7 类产品中，防盗类的企业占6 5 ， 而入侵探测器企业只占0 5 。 3 产品销售不畅。销售组织在围绕扩大市场份额，增加利润，为企业开辟渠道， 建立大规模销售及其信息网络方面，受到现有企业规模，外来经营产品和企业 类型等多方面因素的影响。 1 3 安防行业的应用现状 安防行业的应用范围在不断扩大。安防行业发展的二十多年，也是安防行业 应用不断扩大和成熟的时期。归纳总结安防行业发展的三个历史阶段，主要是以 安防行业应用为分析特征的： 1 在1 9 7 9 年到1 9 8 3 年的起步阶段，安防行业的应用范围很有限，主要限定在非常 重要和特殊的单位和部位。当时典型的安防工程是故宫博物院工程和天安门的 监控工程。 2 1 9 8 4 年到1 9 9 6 年的发展阶段中，安防行业的应用以内部保卫为重点，广泛发展 到重要单位和要害部位。各级公安机关更加重视安全防范工作，加大了对主要 单位、要害部位的安全防范力度，像金融系统、文物系统、军工、邮政等。 2 硕士学位论文 3 1 9 9 7 年后的安防行业的应用范围发生了巨大的变化，已由要单位、要害部门的 防范发展到商业、学校、社区、家庭等社会各方各面。安防行业的应用水平在 不断提高。 1 4 安防业的发展趋势 1 功能更加强大： 科学技术的发展，特别是信息网络技术的飞跃发展，极大的促进了安防技术 的发展，提高了安防行业的水平。9 0 年代初期开始，安防行业的应用就已经 开始由单一技术，单项工程向着系统集成的方向发展。9 0 年代中后期，安防 行业的应用又显示出网络化的发展趋势，安防产品的高科技含量和安防工程 的系统集成化都得到显著提高，安防行业的服务功能也在不断增强【4 】。安防产 业近2 - 3 年在“数字化、网络化、集成化”的影响下，数字技术、网络技术 一一被应用在防盗报警产品当中1 5 j 。 2 性能追求稳定： 无论是整个报警系统的前哨兵一报警探测器，还是报警信号的控制收发主 机( 报警主机) ，厂家都在不断追求稳定性一高灵敏度与低误报率之间的稳定。 就报警探测器而言，为求稳定厂家纷纷改进探测器的主要部件，尤其是在传 感器或信号处理技术上着墨更多。而就报警主机来说，无论是采用无线或有 线信号传输方式，也无论是走电话线、总线或是局域广域网( 宽带) ，如何能 够确保通讯线路2 4 小时畅通无阻、报警信息不漏接，进而确保报警信息的可 靠性，是厂家共同努力的目标【6 】。因此，为求稳定，无线产品在传输频率上要 求更精确。有线产品也在传输线路上采取更灵活的选择，而多重技术的应用 一如双网复合型控制主机则为产品的稳定性提供了更多保障。 3 更加强调人性化： 愈来愈多的防盗报警产品不仅在造型设计上愈趋美观与小巧。更追讲求工程 商安装上及用户操作上的简单与便利。目前也有不少客户端的防盗报警主机 采用新颖、流线型的外观设计，还配有高清晰度液晶显示屏( 有的还是触摸屏) ， 甚至采取图型化的界面，让用户更容易操作。 4 集成化越来越高： 为提高产品的技术竞争力，防盗报警产品的可扩展性、网络传输( g s m s m s 、 g p r s 和t c p i p ) 及远程控制与管理功能也已渐不可或缺【7 1 。越来越多的产品 采用模块化设计、附加通讯接1 2 1 如r s 4 8 5 2 3 2 ( 网络模块甚至已被内建至防盗 主机) 、以及具有开放式的协议【8 】。 我国的安防产业只有2 0 多年的历史，无论在规模上还是在产品的技术先进性 等方面与发达国家相比都存在较大差距。安防行业的市场结构在地区分布上不均 嵌入式智能安防系统设计 衡，缺乏市场竞争力，产品开发有待加强，销售渠道不畅。因此，我们倡导安防 企业应按照市场经济规律，通过兼并、联合、重组等方式形成合理的经济规模； 按照国际惯例，实现强强联合，优势互补，把企业做强做大。同时要使社会各界 充分感受到安全防范措施所起到的重要作用，以进一步加快安全技术防范的产业 化进程。 1 5 本系统的意义 本安防系统的开发是在以市场研究为基础，针对人们的需求和市场上的报警 产品的不足而提出的。它是基于电话的防盗报警产品。由于现在人们生活的提高， 电话已基本普及到家庭，因此它的实施就更加可行。本报警系统由于大量采用了 已有的技术和比较成熟的微电子元器件，可靠性高，同时各微电子元器件的价格 也比较低，所以整体价格也比较低，这对普通的工薪阶层来说比较经济实惠。由 于本系统设计中采用了功能可扩展设计，上下位机之间实行了模块化组和、拆分 结构，可以满足不同功能复杂性的要求。 1 6 本课题研究的内容 1 2 1 2 3 4 本课题需要研究的内容主要有以下几个方面： 根据系统功能要求并且考虑产品的性价比，进行系统的整体方案设计。该方 案采用模块化设计方法，以方便系统的调试和用户的使用。 系统硬件设计。包括芯片的选型、所选芯片的功能、芯片外围电路的合理设 计。主要内容有无线探测器的选择、无线发射接收电路的设计、双音多频 拨号电路的设计、语音电路的设计和电话接口电路的设计、键盘电路的设计。 下位机构成的嵌入式模块的软件设计。主要包括系统主程序、过程控制程序、 外中断处理程序、电话拨号程序、语音程序、液晶显示程序、键盘扫描程序 在占 守。 上位机的程序开发。主要包括用c + + 语言开发串口通讯和电子地图；用j a v a 语言开发网络上数据的传输程序。 根据本课题欲实现的功能和所要研究的内容，应采取以下研究步骤来实现： 系统整体功能分析与可行性研究、合理的将整个系统划分成各种功能模块。 各功能模块的电路原理设计、元器件( 芯片) 选择与特性测试。 各功能模块的软硬件调试、各功能模块的整体调试、系统整体电路调试、系 统整体软件调试、最后进行联机调试。 抗干扰设计应贯穿于整个设计过程之中。 在满足各项性能指标的前提下，不仅要考虑到系统的易用性，还要努力降低 4 硕士学位论文 成本，使其经济实用，在保证灵敏度的情况下，尽量降低误报率，确保在同类产 品中的竞争地位。 1 7 论文结构安排 1 第l 章是绪论。介绍了安防行业的国内外现状；安防行业的应用现状； 安防行业的发展趋势和在我国发展安防行业的紧迫性。 2 第2 章介绍本系统的总体方案。 3 第3 章讲解了热释电探测器和微波探测器的设计和防盗报警主机中包含 的各功能单元的硬件电路设计和软件编程。 4 第4 章对系统中的运行于上位机上的监控软件进行了开发。 5 第5 章对系统的总体抗干扰设计进行集中说明。 嵌入式智能安防系统设计 2 1 系统设计思想 第2 章系统的总体方案 本系统的总体设计是基于以下几个方面： 1 确保系统的稳定性和可靠性。降低系统的误报率。 2 工作中使用探测器的数量为o 一1 6 路。可使用多种类型探测器，只要探测器的 输出信号为开关信号，电平为t t l 电平。从而使系统具有很好的灵活性，便 于应用于各种场合。 3 充分考虑系统的集成化，将主要的功能单元集中到一个防盗报警主机里。 4 使系统与i n t e r n e t 互连，从而使系统具有开放和远程性。 5 使系统易安装，便维护，扩展性好。 6 面向市场，使系统具有高的性价比，增强市场竞争力。 对于嵌入式系统来说，要想其能够可靠的工作，具有良好的性能，硬件设计 是最为关键的。硬件就好比系统的骨架，只有硬件具有了高可靠性，才能支撑起 软件良好实现系统所要达到的功能。正是由于硬件系统的这种特殊地位，所以在 硬件的设计过程中必须有一个可靠的设计原则。针对本系统的功能特点、应用范 围和市场需要，在本系统的硬件设计中的基本设计原则如下： 1 可靠性高 高可靠性是系统应用的前提，是防盗报警产品的生命线。在系统设计的每一 个环节，都应该将高可靠性作为首要的设计准则，系统一旦失去了可靠性也 就等于失去了生命。为了实现系统的高可靠性主要注意了以下几个方面：使 用可靠性高的元器件，多使用集成电路，并尽量使用针对已选元器件已经得 到成熟应用的设计方法；严格焊接、测试硬件设备及电路；针对系统在具体 使用过程中可能存在的情况根据理论原理对系统的设计方案深刻论证严格把 关。 2 性能价格比高 智能防盗报警器硬件系统的核心是w 7 8 e 5 8 b 微型单片机，它本身具有了体积 小、速度较快、功耗低等特点。并且由于内部集成了较大容量的存储器不用 再在扩展存储器，所以具有很高性能价格比。因此，在设计单片机的外围硬 件电路时，尽量地做到简化设计减少元器件的使用数量，提高复用度。除了 保持高性能外，尽可能降低成本，参看多种资料，选用技术成熟、性能优良、 价格便宜的部件。 3 功能完备、操作简便 6 硕士学位论文 强大的功能将受到客户更多的欢迎，显著增加产品在市场上的竞争力。在设 计智能防盗报警系统的硬件系统时，针对很多同类产品的不足，相应地增加 了智能防盗报警系统的功能，如在下位机中使用电话语音报警，上位机中使 用电子地图，经过i n t e r n e t 下载报警信息功能等。功能完备的同时，系统的操 作使用上，尽量做到简便，各功能的选择操作，在下位机通过显示屏的提示、 键盘按键标示提示等来实现，而在上位机中则通过文字、图像和语音等来提 示操做人员。这些都给操作人员带来了极大的方便。 4 功能可扩展 一个有广泛使用性和强大市场生存力的系统必须在系统硬件的设计时考虑以 后系统的可扩展性。能够实现不用改变或者很少改变即可用于其它的场合， 或者根据要求能够增加系统的处理能力。使系统具有良好的可升级能力。只 有具有了可扩展性，系统才能够在市场上长时间的存在下去。相反则会很快 的被市场所淘汰。因为这样的产品属于阶段性产品，只能满足社会某个特定 时期的要求。本系统的设计充分考虑到了以后的系统升级需要。当系统需要 采用多个报警主机时，需要做以下变化： 1 ) 每个防盗报警主机和监控主计算机统一地址编号，每一个都有独立的地址。 2 ) 由监控主计算机统一调度每个防盗报警主机的收发顺序。让它们按顺序轮 换进行收发信息。 3 ) 在收发的信息帧中加入发送者和接收者的地址编号信息。 4 ) 电子地图中的探测器容量加大并且要标示出每个探测器所属的防盗报警主 机。 5 ) 系统还可以加入报警视频功能。只需要开发一个视频切换矩阵，用r s 4 8 5 总线与防盗报警主机和监控主计算机互连。监听防盗报警主机发送的报警 信息帧。一旦监听到有报警产生，就把相应的现场视频切换传输给监控中 心的主计算机，在其上显示报警现场视频。 5 上下位机能够实现模块化组合与拆分 根据本系统是用于防盗报警的这一特殊应用目的。系统尽量使用模块化设计， 要求实现上下位机能够实现模块化积木式组合与拆分的功能。便于以后的升 级换代，减少二次投资，可以满足报警场合的重要性和复杂度以及使用对象 对功能和价格的选择。 2 2 系统结构 智能防盗智能报警系统开发设计方案是参照国内外相关技术的发展状况，根 据应用场所的实际情况为满足各种不同场合的要求，真正实现智能化报警的要求， 并充分考虑其经济性和可靠性来确定的。本防盗报警系统是一种新型的电子安全 7 嵌入式智能安防系统设计 防盗报警系统，该系统的设计是将电子探测、智能控制和电话通讯技术以及i n t e r n e t 网络功能相结合，从而形成一个两级联网通讯的防盗报警系统。本系统总体构可 细分成防盗探测器、遥控器、防盗报警主机、监控中心主计算机与通讯线路等五 模块。根据系统拟达到的总体功能，将其详细划分为多个功能模块。系统组成框 图如图2 1 所示。 监控中 文酬黔记心主计 算机 r s 4 鼍蛞o 遥蝴薯氐 孽 1 电源瞄 i存储嚣i 键盘l l t 。i _ l ；t 。 。彳 实时日历苍片b 令 d 遥控接收薯妒 语音瞄b 一m c u 一：，| 液晶螨块 电话拨号电路b 毒叫看门猗一1 l 仃 。 j 1 甜苦移位扫描电路 彳 uli 公用电话嘎i 勰探濒l - l 潞i 图2 1 系统结构图 系统各个部分的作用如下： 1 报警探测器负责探测报警地点的情况，发现报警产生报警信息。报警探测器 产生的是开关信号。经过一块并串转换芯片将报警信号传送给w 7 8 e 5 8 b 单片 机。 2 遥控发射器发射信号被防盗报警主机上的遥控接收器接收，触发产生中断控 制系统在报警和待机两种状态之间切换。 3 防盗报警主机负责对探测器送来的信号进行读取判断并把结果传送给监控 中心的主计算机和对系统进行其它的多种操作设置。 4 监控中心的主计算机则在其上运行电子地图程序和网络下载服务器程序。 5 通讯线路把防盗报警主机与监控主计算机之间的通讯转换成r s 4 8 5 通讯的 方式。加大通讯的传输距离，提高通讯的抗干扰性与可靠性。 其中防盗报警主机是由单片机和其它的外围电路组成。如图2 1 中的黑色线 框内各部分。这包括： 1 电源单元：为防盗报警主机中的各种电路提供工作电源。 8 硕士学位论文 2 实时日历芯片：提供准确的时间，用于实时时间显示和当报警产生时记 录报警时间信息。 3 语音电路：当拨打电话时，由单片机控制经过电话拨号电路向用户发送 相应的报警语音。 4 电话拨号电路：由单片机控制拨打用户电话号码并向用户传送语音电路 送来的报警语音。 5 存储器单元：存储用户的电话号码、系统的各种参数和报警记录等信息。 它与单片机通过1 2 c 总线相连。 6 键盘：为用户提供人机接口。通过键盘用户可以完成对系统的各种设置。 采用矩阵式键盘，占用单片机的p 1 口。 7 液晶显示模块：为用户提供人机接口。显示提供给用户各种信息。 8 遥控单元：遥控产生中断，使系统在工作状态和待机状态两种状态间切 换。 9 看门狗电路：防止系统处于死机状态。 系统的具体的工作过程如图2 2 所示： 图2 2 单片机模块的工作流程图 系统工作过程中，无论读取的报警信息是否有报警，防盗报警主机都将报警信 息发送到监控主计算机。这样便于监控主计算机得知防盗报警主机的工作状态。 防止防盗报警主机因为断电或故障等原因出现不能工作而漏报。这样一旦监控主 计算机超过一定的时间没有收到防盗报警主机的信息。就会提示用户防盗报警主 9 嵌入式智能安防系统设计 机停止工作。这使得系统具备了自检功能。 2 3 系统的功能描述 系统的功能框图如图2 3 所示： 系统功能 防盗报警主机功能il 遥控器功能ll 监控中心主计算机功能 控制防盗报警 主机正常工作 或全撤防工作 图2 3 系统功能图 本系统实现的功能如下： 1 报警功能： 当有警情发生时，系统的液晶显示模块将显示警情发生的具体区域，电话拨号 电路将自动拨打存入的电话号码，一旦拨通电话，语音模块将发出录好的报警 语音给接听电话的人阳1 。同时系统的微处理器将把警情信息通过r s 4 8 5 串行总 线传送给监控中心的主计算机。主计算机上的将把警情发生位置以有色圆形标 记在电子地图上显示。地图的状态栏中会把报警发生的地点以文字的形式通知 保安人员。同时还伴有语音提示。 2 报警信息自动记录功能： 单片机会把报警信息存储到连接到单片机上的1 2 c 总线的存储器。同时报警信 息被写入到监控中心计算机的报警记录文件中。 3 系统具有布防撤防功能： 1 0 服务器工互联网下载报警记录 电子地图 查询功能存储功能报警功能通讯功能设置功能 通讯功能 液晶显示功能 测器防拆功能 查询功能 报警功能存储功能设置功能 查看报警记录查询报警信息存储报警记录 文字提示语音提一不 图像标识 接收报警信息 探测器备注信息设置 探测器布撤防设置 密码设置 发送报警信息显示报警记录显示工作菜单 拆除探测器报警 查询报警记录发出报警语音拨打报警电话存储报警记录电话号码设置 探测器布撤防设置 密码设置时间设置 硕士学位论文 可以任意改变1 6 个报警地点中的任何一个的布防撤防状态。在防盗报警主机 上和监控中心的主计算机上可以分别单独设置。相互独立，不会存在冲突影响。 防盗报警主机和主计算机分别根据从探测器得到的报警信息结合各自的布防 撤防状态进行报警判断。而防盗报警主机在向监控中心的主计算机发送报警信 息时，发送的只是从探测器得到的原始信号。它们各自的独立对探测器的信息 进行判断所以它们各自的布防撤防设置不会相互影响。 4 遥控控制功能： 通过遥控器发射遥控信号，遥控接收器接收到遥控信号后产生单片机中断。控 制系统使其在启动报警和待机( 全部撤防) 两种工作状态间实现切换。 5 报警信息查询功能： 当有报警信息产生时，系统将自动记录警情发生的具体时间和地点记录到防盗 报警主机的存储器中和监控中心的主计算机磁盘中，以供随时查询。用户通过 防盗报警主机上的键盘查询存储在存储器中的报警记录。在监控中心的主计算 机上则通过保存在硬盘上的报警记录文件查询。 6 应用的灵活性： 监控中心的主计算机上的电子地图可以动态的更换。可以根据设防地点的具体 位置将探测器放置并显示在电子地图上的任何位置。并且可以对每一个报警地 点添加和改变备注信息。当在探测器上单击鼠标右键选择查看备注信息后，就 可以看到添加和改变的信息，了解报警地点的详细情况。 7 权限管理功能： 针对系统以上所述功能的所有操作都必须首先通过密码认证后才能进行。没有 通过密码认证不能够得到操作权限，不能对系统进行任何改动。 8 防拆除功能： 系统根据安防产品的国家标准的要求具有报警探测器防拆除报警功能。一旦报 警探测器被拆除，系统会产生报警。 9 远程查询报警记录： 可以通过i n t e m e t 在远程的计算机上经过密码认证后，下载监控中心主计算机 上的报警记录文件【l o 】。 l o 防盗报警主机和监控中心主机模块化组合与拆分： 系统可以在不使用上位机而只使用防盗报警主机模块下单独工作，完成基本的 电话语音报警功能。当实际应用需要有监控主计算机时，只要用r s 4 8 5 通信线 将监控主计算机连到防盗报警主机上即可。 2 4 系统中防盗报警主机液晶屏菜单设计 系统的菜单简洁清楚，操作非常简单。菜单的安排使用户能够在短时间内迅 嵌入式智能安防系统设计 速掌握。下面是防盗报警主机上的具体操作和液晶屏上的相关显示图： 1 2 硕士学位论文 主菜单 i 刑摒纂1 时闻设置 牟 一 l 一月日 m 嘲键l 请输入密码- | _ _ 一2 窿码设置 尉一分 7 l 。l 7 堡期 3 探测器设 i 瞰键l 4 报警电话 5 报警记录 时牟 妇r 键 主菜单 同 月日 r l 垂 设 星期 随t 键 置 射分 开机屏幕 l 妇瘦i 密 i l 主菜单 码 输入密码- r i 设医：翮 l ：一：二l i开机屏幕1 r i 1 3 一子菜单三 一乎傣惮咀 嵌入式智能安防系统设计 1 键 年月 7 l 。 一下一条记录 报 警一日一时 it 键i l i 记上一条记录 录一分一秒 je 函t 键l 探测器一报警 l 一i l 开机屏幕 7 l “” 2 5 本章小结 图2 3 系统相关操作及显示图 本章根据预期的目标介绍了系统的总体设计思想；系统的结构组成；系统的 工作流程；系统的功能设计；系统的人机界面设计和系统的具体操作过程。 1 4 硕士学位论文 第3 章探测器的设计使用 近年来，先进、可靠的数字化处理技术已完全用于报警系统的控制主机及中 心的接收设备中，但报警系统的报警探测器却在技术上一直没有更大的突破，这 严重制约了防盗报警系统稳定性的提高。由此可见，报警探测器的技术滞后是造 成整个系统误、漏报问题的薄弱环节。所以将探测器的误漏报现象解决好才是 降低整个防盗报警系统误漏报率的根本所在。传感器技术是信息采集的第一步， 传感器能够感应需要测量的信号，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件 或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件是指传感器中能够直接 感受或响应被测量( 输入量) 的部分。转换元件是指能够将感应元件感受的或响 应的感应量转换成适于传输或测量的电信号的部分【1 1 。1 3 】。 3 1 传感器的设计及选用 在设计和选用传感器时重点考虑以下几个方面的因素： 1 测量条件。如果传感器不当将会降低系统的可靠性。为此，要从系统总体考虑， 明确使用的目的以及使用传感器的必要性。不要使用不适宜的传感器。这首先 需要明确传感器的测量条件，测量条件包括的内容列举如下：测量目的，测量 的范围，输入信号的带宽，要求的精度，测量所需要的时间等。 2 传感器的性能。设计和使用传感器时要考虑传感器的下列性能：精度，稳定性， 响应速度，模拟信号或者数字信号，输出量及其电平，被测量对象特性的影响 左蓬 专乎0 3 传感器的使用条件。传感器的使用条件包括传感器设置的场所，环境，与其它 设备的连接方式以及供电电源容量等。 3 2 热释电探测器设计 目前在种类繁多的探测器产品中，被动红外探测器的应用最为广泛。热释电 人体红外传感器能够将人体发出的红外线接收并转换成微弱的电信号，输出后需 经过放大电路对这一微弱的电信号进行放大。 热释电效应：在自然界，任何高于绝对绝对温度的物体都将产生红外光谱， 不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的 高低是相关的。热释电效应是指如果使某些强电质材料( 如钛酸钡) 的表面温度发生 变化，则随着温度的上升或下降，材料表面发生极化，即表面上就会产生电荷的 变化，从而使物质表面电荷失去平衡，最终电荷变化将以电压或电流形式输出【1 4 】。 嵌入式智能安防系统设计 在热释电红外感应器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外感应器p t r ，p t r 能将红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用。另 一个是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜，它用 来配合热释电红外线感应器，以达到提高接收灵敏度。用菲涅尔透镜配合放大电 路将信号放大6 0 7 0d b ，于是就可以检测1 0 2 0 m 处人的活动【”d 7 l 。 热释电红外传感器虽然能够接收人体发出的红外线，但是作为被探测对象的 人体必须是运动的，为了增强人体对红外探头的运动效果，通常总是在热释电红 外探头的之前加装一片“菲涅耳透镜【1 8 】，。 本文中的热释电传感器采用p 2 2 8 8 型，它是一种最常用的热释电传感器。它 采用平衡检差方式工作，只感应7 1 4i j , m 波长的活动人体红外辐射线，而人体都 有恒定的体温，一般在3 7 度，会发出特定波长1 0 u m 左右的红外线。p 2 2 8 8 内部 结构如图3 1 所示。包含两个互相串联的热释电元和一个f e t 管。制成的两个电 极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产 生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。不会受环境温度及可见光的影响， 传感器加装菲涅尔透镜可感应1 0 m 以内的人体辐射红外线【1 9 l 。传感器中有一个场 效应管进行阻抗变换，使传感器的输出电阻非常小。活动人体辐射的红外线被传 感器检测到后，传感器将产生微弱的电信号，经滤波、放大，送给双向比较器。 为防误动作，信号将与门限电平进行比较，产生脉冲信号输出。 热释毫元r r r g 图3 1p 2 2 8 8 内部结构 热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱，通常仅有1 0 m v 左右。通 过菲涅耳透镜后接收到的移动信号的频率在0 1 1 0 h z 之间，是一种超低频的脉 冲信号，要使其放大到足可以被单片机系统识别的高低电平需要放大器的增益为 6 0d b 左右。并且放大器的带宽应在0 3 7 h z 范围内。对于信号放大器，它的带 宽对于其可靠性和灵敏度有较大的影响。带宽窄的放大器噪声低，误动作率较低 且工作可靠；带宽较宽的放大器则噪声较大，工作可靠性差，但对人体移动速度 的变化有较好的反应。 其工作原理方框图如图3 2 所示： 1 6 硕士学位论文 i 传感器 _ 一叫滤波 一叫放大i 1 双向比较器l 1 一1 一i 一i 一 图3 2 热释电红外探测器原理图 对于热释电传感器输出信号的放大，有多种可选用的放大器，本文中采用的 是由运算放大器l m 3 2 4 组成的低频带放大器。由于运算放大器的开环增益一般都 很大，通过对其外接元件的设置，可以将其设计成所需要的增益和带宽的放大器。 图3 3 1 为这种探测器的电路： c i 二l 一匕。孚二 l 糠- 寸娃 i 碉一l g - n 帜 1 烈 y 2 、矗 _ c = h l 斗f - 鹣n 缓力 i 旦由 il o b i u 1 2 丛 i 一 三匙，kl ： 匙： 量， 、曩 ii 1 b ，r j l o ni- 1 ：=、h ，1 11 已t 柑孙 穗m ”厂_ 剥4t珥嘲 吣 v 一 一上 k 丁 擅 1 。t ， ：“ 、2 州 图3 3 热释电红外探测器电路图 下面对热释电红外探测器电路的组成和原理进行详细描述： 图3 3 热释电红外探测器的电路由热释电红外探头，信号电压放大器，窗口式 电压比较器组成。由热释电传感器输出的探测信号，输入两级低频带通放大器进 行放大。i c l 和i c 2 与外围的元件组成两级低频带通电压放大器，其中第一级放大 器采用同相放大器，被放大的信号由运算放大器的同相输入端输入。第二级放大 器为反相放大器，被放大的信号由反相收入端输入。 对于第一级同相放大器，它的工作带宽由下列公式确定： 上限截止频率： = 去咒r 。c ， ( 3 1 ) 二 下限截止频率： 1 z = 寺斌3 c 4 ( 3 2 ) 二 带宽： 兀= 厶一 ( 3 3 ) 对于第二级反相放大器，它的工作带宽由下列公式确定： 上限截止频率： 嵌入式智能安防系统设计 ：要艘，c l 。 ( 3 4 ) 下限截止频率： z ：委积8 c 8 ( 3 5 ) 电路参数的选择使第二级放大器的下限截至频率小于第一级放大器的下限截 至频率。并且两个频率间隔较大一些。这样两个放大器级连后的下限截至频率就 可以近似认为等于第一级放大电路的下限截至频率。 因为输入信号是低频信号而且一般在l o h z 以下。所以在设计两个放大电路的 上限截至频率时，则设计的两个放大电路的高频截至频率的相同，这样根据平方 的关系很容易确定每一级的上限截至频率。考虑到传感器的信号频率较低，而带 宽有很小，只要放大器的上限截至频率大于信号的高频部分，就能正常工作。因 此放大器的上限截至频率估算即可。 第一级放大器的电压增益为： r 。土 纠+ 釜1 ( 3 - 4 ) = 2 础4 c 4 ( 1 + 2 班3 c 4 从1 + 2 班4 c s j ) 第二级放大器的电压增益为： 即志，玑l o 1 r 。+ 二 妒一埠 ( 3 4 ) r + 赢 2 班5 c 8 ( 1 + 2 班5 c i o 烈1 + 2 砷8 c 8 ，) 两级放大电路总的电压增益为： a = a i a 2 ( 3 5 ) 电路中心，r ，是两只等值电阻，它将运放i c 2 同相端的电压分为v d d 2 ，以 适应单电源供电的需要，g 为电源滤波电容。 运放i c 3 和i c 4 组成窗口电压比较器，其作用是为了消除因热释电传感器的 固有噪声以及混入电路的干扰信号造成的误触发，窗口电压比较器的参考电压通 1 8 硕士学位论文 过冠。和足，的分压点确定，比较器的上限参考电压为v b 加至i c 3 的反相输入端； 比较器的下限参考电压为v a ，加至i c 4 的同相输入端。由i c 2 输出的电压波形为 正弦波，其正弦波的基准是由心和r ，所确定的分压点，即v d d 2 。当i c 2 输出的 正弦波信号电压范围在v b v a 之间时i c 3 和i c 4 均输出低电压；当i c 2 输出的 正弦波信号电压超过v b ，v a 时，i c 3 和i c 4 输出高电平。为了适应在应用中的实 际情况，还设置了微调电阻足，用来调节上下限电压范围，使电路既保证了抗干 扰的作用又保证了电路的触发灵敏度。 窗口电压比较器把输入的电压幅度限制在v b 和v a 之间，凡低于v b 和高于 v a 的干扰电压均不能使比较器有有控制信号输出。只有当i c 2 输出的信号电压幅 度高于v b 或低于v a 时，i c 3 或i c 4 才能有高电平的控制信号输出。 3 3 微波式探测器设计 微波感应器为空间感应器，用于感应在防范围内的任何运动物体。微波感应 器可靠性强，无光亮和热源的要求，感应环境要求低【2 0 1 。微波式探测器是利用人 体对微波的反射而设计的。由发射器发出的微波信号，当遇到人体后就会反射， 这种反射信号又会被接收机接收。无线电微波有一种特性，当它受到运动物体的 反射后，反射波的频率和幅度是随运动物体的运动速度而变化的，这种差异与很 多因素有关，其中包括移动物体的速度，与探