（计算机科学与技术专业论文）联网报警系统中报警控制器及探测器的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着国民经济的发展，人民整体生活水平的逐步提高，人们对自由、舒适、 安全的生存环境的要求和个人生命财产的安全意识也逐步提高。然而，随着城市 的人口急剧增长，城市的流动人口也快速增加，导致了许多社会治安隐患。人们 越来越追切地要求采取一种有效的高科技手段来满足日益增长的安全防范需求。 因此，基于公共电话网的联网报警系统的设计和实现具有很好的现实意义。 鞋网报警系统的设计在深入研究国内外相关技术的基础上，给出了有线无线 兼容、通过电话进行语音和d t m f ( d o u b l e t o n em u l t i f r e q u e n c y ) 联网报警的方案。 报警控制器和探测器的设计包括报警控制器的硬件设计、基于实时操作系统s m a l l r t o s 5 1 的软件设计，以及前端探测器被动红外探测器和主动红外电子栅栏设计三 个方面的内容。在报警控制器的硬件电路设计中，通过对无线信号的发射与接收、 编码与解码原理进行较深入研究，给出了报警控制器电路的详细设计方案，并从 硬件角度分析了单片机的抗干扰问题；在报警控制器软件的设计中，分析了报警 控制器的功能，根据功能列出了报警控制器基于s m a l lr t o s 5 1 的8 个任务，最后 给出了每个任务的详细实现流程；在前端探测器被动红外探测器和主动红外电子 栅栏的设计中，讨论了探测器的工作原理，分析了探测器存在的缺陷，给出了相 应的改进措施。 通过对系统功能进行测试，证明了基于公共电话网的联网报警系统具有兼容 性好、操作简单方便、运行稳定可靠、误报漏报率低等特点。系统投入实际使用 后，受到用户的好评。 关键词：联网报警系统，公共电话网，实时操作系统，探测器 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y , a n dw i t hg r a d u a lr a i s eo f t h ew h o l eg a n d a r do fl i f eo fp e o p l e ，t h er e q u e s to fp e o p l et of r e e d o m ，c o m f o r t ，s a f e t y o fl i v i n ge n v i r o n m e n t ，a n dc o n s c i o u s n e s so fp e o p l ea b o u ts a f et op e r s o n a ll i f ea n d p r o p e r t ya l s or a i s eg r a d u a l l y h o w e v e r , a l o n gw i t ht h es h a r pg r o w t ho f t h ep o p u l a t i o n o f t h ec i t y , t h ef l u i dp o p u l a t i o no f t h ec i t ya l s oi n c r e a s e sq u i c k l y , b r i n g i n ga b o u t al o to f h i d d e nt r o u b l ei ns o c i a lo r d e r t h ep e o p l em o r ea n dm o r eu r g e n t l yr e q u e s tt oa d o p ta k i n do fe f f e c t i v e l yh i g h t e c hm e a n st om e e tt h ei n c r e a s i n gn e e dt os a f e g u a r d t h e r e f o r e ， d e s i g na n dr e a l i z i n g an e t w o r ka l a r ms y s t e mb a s e do np s t n ( p u b l i cs w i t c h e d t e l e p h o n en e t w o r k ) h a s ag o o da n dr e a l i s t i cm e a n i n g 0 nb a s i n go fd e e ps t u d yo fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a la n dr e l a t i v et e c h n o l o g y ，t h e d e s i g no f t h en e t w o r ka a r ms 弘t e mp u t 趴v a r dap r o j e c tw i t hw i r ea 玎dw i r e l e s si n p u t i n t e r f a c e ，w h i c hc a nc a r r yo ns p e e c ha n dt h ed t m f ( d o u b l et o n em u l t i f r e q u e n c y ) n e t w o r ka l a r mw i t ht e l e p h o n e ，t h ed e s i g no ft h ea l a r mc o n t r o l l e ra n dt h ed e t e c t o r i n c l u d e st h r e ec o n t e n t s ：t h eh a r d w a r ed e s i g n so f a l a r mc o n t r o l l e r , t h es o l , w a r ed e s i g no f a l a r mc o n t r o l l e rb a s e do ns m a l lr t o s 5l ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) a n dt h e d e s i g no ff o r e p a r td e t e c t o r - p a s s i v ei n f r a r e d d e t e c t o ra n da c t i v ei n f r a r e de l e c t r o n i c b a r r i e r , i nt h ed e t a i lh a r d w a wd e s i g no f a l a r mc o n t r o l l e r , t h ed e t a i l e dd e s i g np r o f e c to f t h ec o n t r o l l e rd r c u i ti sg i v e nt h r o u g hd e e pt h r o u g hr e s e a r c ho f t h ep r i n c i p l eo fw i r e l e s s s e n d i n ga n dr e c e i v i n g ，c o d i n ga n dd e c o d i n g ，t h ep r o b l e mo fm c ua n t i - j a m m i n gi s a n a l y z e di nt h ev i e wo ft h e2 m r d w a r e nt h ed e t a i l e ds o h a , a r ed e s i g no fa l a r m c o n t r o l l e r , t h ef i m c t i o no fa l a r mc o n t r o l l e ri sa n a l y z e d a n dt h e n , a c c o r d i n gt ot h e f u n c t i o no fa l a r mc o n t r o l l e r e i g h tt a g k sb a s e do ns m a l lr t o s 5 1a r eg i v e n f i n a l l y , t h e d e t a i l e df l o wc h a r to f e i g h tt a s k sa r eg i v e n ! nt h ed e s i g no f f o r e p a r td e t e c t o r p a s s i v e i n f f a r e dd e t e c t o ra n da c t i v ei n f r a r e de l e c t r o n i cb a r r i e r , t h ep r i n c i p l eo fap a s s i v e i n f r a r e dd e t e c t o ra n da c t i v ei n f r a r e de l e c t r o n i cb a r r i e ri sd i s c u s g e d a n dt h e n t h e s h o r t c o m i n g so ft h ed e t e c t o ra i ea n a l y z e d f i n a l l y , t h ed e t a i l e di m p r o v e m e n tr c l e a s l ? z e s a r eg i v e n t h o u i g ht h et e s to ft h ef u n c t i o no ft h es y s t e m ，i ti sp r o v e dt h a tt h en e t w o r ka l a r m s y s t e mb a s e do r ip s t ni sc o m p a t i b l e ，s i m p l ei no p e r a t i o n ，s t a b l ai nr u r m i n ga n dh a v n g t h el o w e s tp o s s i b i l i t yo fm i s s i n ga n de r r o r si na l a r m t h ec u s t o m e r sh a v eh i g ho p i n i o n a b o u tn e t w o r ka l a r ms y s t e mi np r a e t i e a l er i s e k e yw o r d s ：n e t w o r ka l a r ms y s t e m ，p s t n ，r t o s ，d e t e c t o r n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 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结果由本人承担。 学位论文作者签名：钐 日期：咕矿歹年，口月珀 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，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密回。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：匀穆妒 日期：j 年，月，日 指删嗽：膨莎砭 同期：j 埘年i ，d 月p 扩日 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 本章将就课题的主要来源及意义、联网报警系统的发展概况和该研究所涉及 的关键技术进行论述，最后给出本课题的主要研究工作。 1 1 课题来源及意义 二十年的社会经济改革开放，使我国人民的生活水平有了极大的提高，同时 应看到，随着经济的发展，出现贫富差距悬殊【1 】；社会人口的流动性大大增加了， 社会结构和社会治安都日趋复杂，导致社会治安隐患，盗窃、抢劫的案件时有发 生1 2 】。人们对家庭、对生活环境、对安全保障的要求越来越高，传统的安全防范 措施如：防盗门、防橇锁、防盗网等已不能满足住户的安全需求，而且还增加了 不安全因素【3 】如；防盗网的安装为犯罪份子攀登提供了方便；发生火灾时，由于 门和窗被封死无法逃生而导致的死亡的事例多有发生。智能小区在人们对美好生 活的呼唤中迅速崛起，然而，最初的智能小区功能比较单一，仅仅实现出入口、 门禁方面的管理，但近几年，科学技术的目新月异，计算机技术在全球的普及， 智能化小区在人们对美好生活的呼声中迅速崛起，使得家庭安防产品的发震出现 了前所未有的变化1 4 】。小区安保系统已经从本地向远程发展，从小区的周边向核 心家庭逐渐靠拢。新的智能型家庭防盗报警系统在探测器端主要通过门磁、 红外、煤气、烟感、玻璃破碎等探测器来感应异常的变化，当探测器感应到异常 情况时，自动地把警情发送至相关部门和人员，以便得到及时的处理，减少人员 伤亡和财产损失p j 。 目前市面上最常见的防盗报警系统有三种类型：独立报警器、电话联网型以 及总线联网型。在相较之下，各有优缺点见表1 1 。独立报警器以及电话联网型的 产品在可靠性、报警速度、误报警等方面表现皆不佳，至于近年才l 出现的总线型 的报警设备在功能特性上则较具优势，其优势是价廉，且符合中国国情，然而， 在实际应用中总线型有一些不足： 1 可靠性不够：总线型多点通讯方式出错几率高，尤其是点数目超过3 0 时， 通讯出错的几率明显增高。 2 ，布线要求高：总线型对网络拓扑结构有严格的要求，而工程商却难以严格 按照要求施工。 3 网络短路可造成系统崩溃：由于是总线构造，在总线上的短路将使整个剐 华中科技大学硕士学位论文 络上的设备不能通讯，某设备的损坏可能导致总线失败。 4 ，距离有限：总线不能超过1 2 0 0 米，否则需增加中继器。 武汉正泰保全科技有限责任公司是一家专业从事设计、生产多种保全系统， 进行保全方案策划、实施的企业。公司为支持武汉市科技强警的实际工作，真正 实现警察对人民群众2 4 小时的“贴身”保护，于2 0 0 3 年与武汉市公安局达成无 偿为武汉市各派出所安装数码接警系统的协议，为此公司决定针对三种系统在应 用上的优缺点，开发具有自主知识产权的电话联网智能报警系统( 包括前端的探 测器、报警控制器、接警卡和接警软件) 。 表1 1 常见三种报警产品比较分析【6 l 、类型报警传输 特点 可靠性 施工监测案情 速度距离 不够可靠，断路不 独立报警器慢简单近单向报警 报警 自检功能差，断路 ，一 电话联网型慢简单惩单向报警 不报警 易崩溃，局部故障 总线联网型快要求高皿双向通讯 影响其他 1 2 联网报警系统的发展与现状 中国的联网报警系统从上世纪八十年代中期开始发展到现在，出现了三个高 潮：第一个高潮期在1 9 8 8 年左右，第二个高潮期在1 9 9 2 年左右，第一、第二个 高潮期因设备不成熟和认识还外于低级阶段而走向低谷。第三个高潮从1 9 9 5 年开 始，它不断发展至今还处于上升期。中国已有几个个区域接警中心建立，目前新 的增长点是居民住宅小区接警中心居民住宅小区接警中心有的是独立的，有的是 区域接警中心的延续，它的建立、技术支持、警力均得到区域接警中心的支持。 第三个高潮时期的表现为：设备从简单发展到较完善；从几十户发展到几万户； 设备功能不断完善、设备可靠性和稳定性大幅度提高；管理软件也不断完善、管 理上的漏洞大大下降等”i 。 目前市面上的联网报警系统有采用电话线、总线、网络、电力线、专线、无 线等多种方式联网的系统，以下主要针对目前应用面最广的两种进行探讨1 8 1 。 挚中群技火学硕士擎拉论文 1 2 1 电话联网报警拳统 目前家嚣簖盗报警繇统的主流是建立在公共电话耐络的基础上，如美国( 据 迪信d s 、安定保a d m c o 、美舞i n t e l l i s e 等) 、加拿大( 枫时p a r a d d x 等) 、 澳犬瓤亚、荚淘( b m 等) 、醴毡强( v i s o a i # 等) 、f j ! l 本( 芟藏富a l e p h 等) 、 韩国及国内绝大部分产品均建越在公菇电话网t ，实现家庭控制器将罄情通过 电话网络上报到报警中心，用户或公安局1 1 0 、派出所、小匿值班室，实现安全 骑范的目韵。 1 ，2 2 总线联闻报警幕统 以l o w , v o r k s 为蔟础的总线结构是国外较常见的联网报警系统，它的系统组成 较简单，比较适用于社区不太的环境中，以及直接同社区甚至城市报警中心联接 的报警系统，这是由二窗步卜太甜少，且生活嚣境较好的家寒多是住剐鐾豹缘敝， 但由亍它是点对点的结构( 形象地说就是每卟家庭或几个家庭的报警主机相当于 个点，而相对应的点就是报警中心) ，它的机制不适台超过3 0 0 个控制点的通讯。 基于4 8 5 总线的联网报警系统是吸取了国外总线的长处结合中国的实际现状 研发出的结构，它采用总线式布线和i n e t 协议通信，完善的路由器等设备，形 成了多点对点的结构，莲本以一条总线满足了几十系统功能， 2 z 腿t 2 0 丛立 智能小区系统为倒，它由一条总线集成家庭安防、定时电子选更、周界防范、三 表抄送系统、联动控割、门禁控制等六个系统功能，同时由于系统是扩展式网络 结构，监控中心电脑可以集成接入c c t v 监控系统、“一卡通”系统、停车场系统、 防火系统等等，简单说就是剩用条专门铺设的线路集成了一个多功能的安确平 台，使各娄数据及指标完全无收发延缓的在系统中传输。当拣，无论是l o n w o r k g 总线制还是4 8 5 总线制一个基本要求就是要提前布线，它比较适用子新建住宅 小医韵报警联网组成，但对于维护和改造就显得有些麻烦，为了更好地补充这一 缺憾，有的公司在研发总线制产品的同时，也推搿了无线联网报警系统，例如深 堋字盛永华智能科技有礤公司新推出的 鹰s y - 9 9 5 日无线报警系统。 考虑到远端传输的问题，上文中提到的总线联网报警系统和无线报警系统就 显得有些不切实际，前者不但要布线，而且不适用远端传输。后者无线坡容易受 干扰m j “，本身使用就有一定的范围，时下的城市联网报警系统多采用电话线报 警接警的方式 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = ；= ；= = # = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = ； 目= = 1 2 3 报警系统的探测器 探测器是报警信号的直接采集者，在这一层面关键的问题就是报警探测器的 稳定性和灵敏度。早期的探测非法入侵的移动探测器有主动红外对射，主要应用 于周界防范1 1 3 】：被动红外探头，主要用于大厅、室内、走道等大面积的防护，它 是根据不同物体所辐射的红外线波长短差异来探测物体的。因物体的不同，其所 辐射之红外线波长亦有差异，当人体进入探测区域，稳定不变的热辐射被破坏， 产生一个变化的热辐射，红外传感器接收后放大、处理，发出报警信号。但由于 暖气、空调等电器影响，红外传感器出会产生误报【l “，它的缺点是： 1 。容易受各种热源、光源干扰； 2 被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收； 3 易受射频辐射的干扰； 4 环境温度和人体温度接近时，探测器的灵敏度明显下降，有时造成短时失 灵。 后来出现了红外微波双鉴探头，它是红外传感器设备中又添加了微波探测 器。微波是一种频率非常高的无线电波，波长很短，容易被物体反射，根据入射 波和反射波的频率漂移，就可以探测出入侵物体。当红外和微波探测器同时有报 警信号时，红外微波探头才会有报警输出，降低了误报的可能。但其也有其缺点： 1 采用了红外报警和微波报警相与的关系，但这样也就降低了探测能力； 2 微波本身具有一定的穿透能力( 如墙壁等) ，增加了误报率； 3 微波可以被金属屏蔽，在实际应用中( 如冰箱) 增加了探测的局限性。 其它的入侵探测器还有：门磁开关是一种广泛使用、成本低、安装方便、不 需要调整和维修的探测器，主要用于保护门、窗等，它的缺点是由于防范区域、 部位不严密，漏洞较大。很少单独使用：红外防卫栏杆是新出现的探测器，也叫 对射式红外探测器或数码隐形防盗网，栏杆是一对，一侧发射端、一侧接收端。 发射端投射出红外线，接收端接收红外线，形成几束看不见摸不着的红外线网络， 一旦盗贼从窗进入，必将遮断两侧的红外线而触发报警，而且由于红外防卫栏杆 能够具备防水、防强光、防宠物、防断电四大功能于一身，因此成为一些高端客 户的首选防窗产品。红外防卫栏杆的发射端与接收端之间有1 - - 3 0 米的距离，可以 同时解决在一个平面的二至三扇窗，同时又把价格降下来了，但它其缺点是：多 对安装时相互有干扰，造成误报或漏报。 4 华中科技大学硕士学位论文 1 3 论文涉及的关键技术 在联网报警系统的研制过程中使用了三种关键技术，即：双音多频 d t m f ( d o u b l et o n em u l t i f r e q u e n c y ) 传输数字信号技术、嵌入式实时操作系统 s m a l lr t o s 5 1 、被动红外、主动红外探测技术。 1 3 1 d t m f 编码技术 双音多频d t m f 信号是贝尔实验室发明的，是电话系统中电话机与交换机之间 的一种用户信令【15 1 ，通常用于发送被叫号码，逐渐在全世界范围内使用在按键式 电话机上，因其提供更高的拨号速率，迅速取代了传统转盘式电话机使用的拨号 脉冲信令。近年来d t m f 也应用在交互式控制中1 1 6 】( 诸如语言菜单、语言邮件、 电话银行和a t m 终端等) 及远程数据传输中 1 7 - 2 0 。 d t m f 由低频组和高频组两组频率信号构成，每个数字信号由低频组和高频 组中的任一个组合而成1 2 l2 2 1 。设v ( t ) 为d t m f 信号，v h ( t ) 和v l ( t ) 分别为构成v ( t ) 的两个信号，则它们应满足关系式( 1 1 ) ： v ( t ) 2 v h ( t ) + v l ( t ) ( 1 1 ) 根据c c i t t 的建议【2 3 12 4 1 ，d t m f 的编译码定义如表1 2 所列，可用式( 1 2 ) 表示： v ( t ) 2 a s i n w l t + b s i n w h t ( 1 2 ) 式中两项分别表示低、高音群的值，a 和b 分别表示低音群和高音群的样值量化 基线。同时规定，对应于表1 2 中的标称频率在发送时，d t m f 信号的频率偏差 不应超过1 8 ，每位数字的信号极限时应大于4 0 m s ，而接收设备对2 的偏差应 能可靠地接收，对3 0 - - 4 0 m s 的信号时长可正常接收。 表1 2d t m f 的编译码表 高频 高频组h z 低频、 1 2 0 91 3 6 61 4 7 71 6 3 3 6 9 7 l2 3a 低频组 7 7 0 4 56b h z 8 5 2 78 9c 9 4 1 0 群d d t m f 在数据远距离传输中具有以下优点： 1 抗干扰能力强： 2 传输距离远。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 2 嵌入式实时操作系统 实时，表示“立即”、“及时”。实时系统是对外来事件在限定时间内能作出反 应的系统【2 5 1 。按照历史性、本质性、普遍性的要求，嵌入式系统就是：嵌入到对 象体系中的专用计算机系统。它具有“嵌入性”：由于是嵌入到对象系统中，必须 满足对象系统的环境要求；“专用性”：软硬件的裁减性，满足对象要求的最小软 硬件配置；“计算机系统”：嵌入式系统必须是满足对象系统控制要求的计算机系 统 2 5 , 2 7 。 随着嵌入式系统的发展，嵌入式软件设计向软件平台靠近，单片机软件设计 不再是单一线程结构方式，而是逐步采用多任务的设计思想。实时内核也称为实 时操作系统或r t o s 。它使得实时应用程序的设计、扩展和维护变得更容易，不 需要大的改动就可以增加新的功能。通过应用程序分割成若干独立的任务。r t o s 使得应用程序的设计过程大为简化。使用可剥夺性内核时，所有时间要求苛刻的 事件都得到了尽可能快捷、有效的处理。通过有效的服务，如信号量、邮箱、队 列、延时、超时等，r t o s 使得资源得到更好的利用【2 2 】。 目前，国内应用最多的是以5 1 系列单片机为主的8 位单片机【3 3 】。在5 l 系列 单片机系统中，可以进行移植的嵌入式操作系统为数不多。其中，k e i l 自带的 r t x s l 没有源代码，使用起来很不方便；u c o s i i 虽然有源代码，也有移植的例 子，但是，它对于5 1 系列单片机系统的资源占用过大，需要外扩r a m ，而且要 保证每个函数的可重入性，使用起来比较勉强3 7 】。s m a l lr t o s 是一个源代码公 开的多任务实时操作系统，可以简化那些复杂而且时间要求严格的工程的软件设 计工作。 s m a l lr t o s 有以下的特点p 8 - 4 0 ： 1 公开源代码：只要遵循许可协议，任何人可以免费获得源代码。 2 可移植：尽量把与c p u 相关部分压缩到最小，与c p u 无关部分用a n s ic 编写。 3 可固化：s m a l lr t o s 为嵌入式系统设计，如果有固化手段，它可以嵌入到 产品中成为产品的一部分。 4 占先式：s m a l l r t o s 可以管理1 6 个任务，用户最多可以使用1 6 个任务， 每个任务优先级不同。 5 中断管理：中断可以使正在执行的任务挂起。如果优先级更高的任务被中 断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行。中断嵌套层数可达 2 5 5 层。如果需要，可以禁止中断嵌套管理。 6 华中科技大学硕士学位论文 6 r a m 需求小。s m a l lr t o s 为小r a m 系统设计，因而r a m 需求小，相应 的，系统服务也少。 目前，s m a l lr t o s 的最新版本为1 , 2 0 0 。可以进行任务的建立、删除、动态 内存分配等操作。 1 3 2 被动红外、主动红外探测技术 自然界的任何物体，只要其温度高于绝对零度( - 2 7 3 。c ) ，总是不断地向外发 出红外辐射，并以光的速度传播能量【4 ”。主动红外探测就是投光器发射出比自然 界发射的更强辐射的编码红外线，受光器从背景杂波中识别到投光器发射的红外 线，如果未收到信号则报警；被动红外探测就是利用热释电红外传感器检测经菲 涅尔镜片聚焦的移动人体所发出的红外信号。这两种探测器是目前家庭最常用的 入侵探测器，但存在误报问题。 1 4 论文的主要研究内容 联网报警系统现正处于兴起阶段，市场上有各种产品，但这些产品都存在许 多缺点，本联网报警系统的研制的主要目的就是使本系统集合其他产品的优点， 克服其缺点，使本系统具有兼容性好、操作简单方便、运行稳定可靠、误报漏报 率低等特点。 课题从联网报警系统的方案认证入手，围绕报警系统的报警信号的传输方式、 主要功能的选择，报警控制器硬件电路的设计，基于嵌入式操作系统s m a l lr t o s 5 1 的软件编制及主动红外与被动红外探测器的研制展开。课题研究的完成对于联网 报警系统的研制起到了关键作用。 课题研究的主要内容是： 1 分析报警信号的通过电话线、总线、无线、网络等传输的优缺点，选择一 种适合联网报警系统的传输方式。 2 报警控制器的硬件、软件的设计与调试，它将具有兼容性好、操作简单方 便、运行稳定可靠等优点。 3 对被动红外探测器的工作原理进行研究，针对它存在的缺点给出改进措 施，使其误报漏报率低降到最低。 4 对主动红外电子栅栏的工作原理进行研究，针对它存在的缺点给出改进措 施，使其误报漏报率低降到最低。 华中科技大学硕士学位论文 5 对单片机系统的抗干扰进行研究，使本报警控制器运行稳定可靠。 6 对嵌入式操作系统s m a l lr t o s 5 1 在8 0 5 1 单片机上的应用进行研究，是本 报警控制器的软件运行更稳定可靠。 最后对课题研究工作总结，并提给出下一步的工作方向。 华中科技大学硕士学位论文 2 联网报警系统的总体设计 本章先介绍联网报警系统的组成，然后分析了报警控制器的主要功能，最后 对几种报警信息的传输方式进行对比分析，确定联网报警系统的总体方案。 2 1 联网报警系统的组成 联网报警系统是一个多层次多系统的集成概念，是由单用户或者单个家庭的 公共安全防范子系统发展起来的多用户公共安全防范系统，它的功能是指其每层 子系统的设备所采集起来的报警信号通过各种传输方式( 有线、电话线、专线、 电力线等等) 向报警主机、城市联网报警系统基站、城市联网报警指挥中心等各 级接警中心传输，接着由接警中心处理报警信息后，向各出警单位发出指令，最 后各出警单位依指令和现场情况进行处理的过程。 联网报警系统一般由下西几大部分构成：警情收集系统、输出控制系统、警 情处理系统、警情传输系统、警情接收及远距离遥控系统。 一套完整的联网防盗系统一般由用户端防盗系统及联网报警中心两部分组 成，用户端的防盗系统即家庭安全报警系统，是联网报警系统的最底层系统，是 报警信号的直接采集者，它包括探测器端、处理控制器端及输出端。 典型的联网报警系统如图2 1 ，前端探测器( 由被动红外探测器、主动红外电 子栅栏、门磁、烟雾探测器、有毒气体探测器等组成) 进行警情收集，然后通过 有线或无线将警情信息传送到报警控制器，报警控制器根据系统当前工作状态( 布 防状态留守布防状态和撤防状态) 发出声光报警信号，同时通过网络向小区控 制中心、固定电话、手机等报警并可根据程序联动控制相应设备。联网按警中心 的接警卡收到报警信息后将信息上传到电脑的接警软件，接警软件发出声光报警， 等待值班人员处理。 本课题是研究报警控制器及前端探测器，它是联网报警系统的关键组成部分， 它关系到整个系统能否稳定运行及具有较低的误报率( 人为误操作导致的误报警 和探测器导致误报警或漏报警) 。 华中科技大学硕士学位论文 图2 1 联网报警系统结构框图 2 2 报警控制器的功能 报警控制器是联网报警系统的重要组成部分，它是探测器与接警中心的之间 的桥梁，它对探测器的信号进行处理，并将处理结果传输给接警中心或用户的电 话、手机等。它应具备以下功能： 1 防盗功能：报警系统最基本的功能，报警控制器能通过外接的有线、无线 的被动红外探头、门磁、红外对射、红外栅栏等探测器探知到非法入侵后，可自 动拨打预设的报警电话号码，向手机、固定电话等报警或现场报警驱赶入侵者。 2 紧急求救功能：在本报警控制器的遥控器和键盘上都备有“急救”键( 但 需按3 秒，防止误触发导致的误报警) ，按下此键可自动拨打预设报警电话号码， 1 0 华中科技大学硕士学位论文 向手机、固定电话等发出急救信息，适合家中有老人、小孩遇突发事件和急病报 警或特殊情况下不方便打1 1 0 报警( 比如抢劫等) 。 3 可燃气体泄露报警功能：与可燃气体泄露探测器相配合，能及时防范家中 煤气泄露的威胁。 4 火灾烟雾报警功能：与光学或离子烟雾探测器相配合，能及时防范家中火 灾威胁。 5 八个独立的有线、无线输入防区：市场上的许多同类产品中有线输入无线 输入兼有的报警控制器很少，国产的报警控制器为了节约成本通常仅有无线输入 防区，但无线易受同频干扰，导致报警控制器失去防盗作用：进口的报警控制器 因为无线探测器的干扰或误报问题通常仅有有线输入防区，仅能通过键盘操作， 导致操作不方便( 没有遥控器) 。 6 防区种类多：各防区类型有：2 4 小时、延时、立即、跟随、屏蔽、有声 无声报警、紧急求救等，方便用户根据不同需要设置使用。 7 电话自动拨号报警：在报警控制器接收报警信号后，立即按所设定的6 组 电话自动拨号报警，轮流拨4 遍，直到拨透。 8 现场监听功能：报警控制器发出报警信息后，用户可监听家中的情况，并 可启动报警器的超响度警笛，起至4 惊吓及驱赶盗贼的作用。 9 远程设防撤防功能：用户在任何位置都能对家中的报警控制器进行设防或 撤防操作。 1 0 防破坏功能：当遇蓄意破坏时，本报警控制器通过自动检测系统，迅速 启动超响度警笛报警。 1 1 数码录音：可在报警控制器内录制2 0 秒清晰的语音，不掉音或失音， 1 2 语音提示功能：可语音提示给手机、电话等区分报警类别。 1 3 抢线报警：布防状态不影响电话正常通话，触发报警后优先抢线报警。 1 4 掉电自动记忆功能，断电后恢复供电时，主机保持原设置不变。 1 5 设有看门狗电路。避免死机，自动复位。 1 6 组网功能：本报警控制器能与报警中心连接，组成多用户网络，适合于 小区、企事业单位的整体防范。 2 3 报警信息的传输方式 联网报警系统信息的传输方式可分成有线传输和无线传输两类，有线传输又 可分成总线联网型、电话线联网型、局域网联网型、电力线联网型及专线联网型 华中科技大学硕士学位论文 ；昔皇暑置昌宣昌= = = = = = = = = = = = 昌= = = = = = = = = = = = = = = 鲁暑昌= 昌昌= ；= 昌= 昌； l 昌；昌昌：昌： 等多种。本节通过对报警信息的传输方式的选择，从而完成对联网报警系统的总 体设计。 现有的报警系统可以分为单户型和联网型两大类： 单户型是当整个小区在防盗报警方面没有形成统一的意见，有的用户愿意安 装，有的用户不愿意安装，那么对于希望安装防盗报警系统的用户，就可以采用 单户型结构；另一方面，老的小区改造存在很多的问题，联网型系统需要重新布 线、重新安装，也需要单户型来过渡。因此单户型系统也具有相当大的市场份额， 这主要取决于具体用户的自身素质和经济能力。 联网型就是以小区为中心组成社区型的防盗报警中心，小区的治安和管理由 专门的物业部门来处理，业主减少了后顾之忧。 上述两种报警系统面对的市场产品主要包括三种信息传输方式：有线网络传 输、无线网络传输和公共网络传输，其中利用现有的公共网络( 如电话网、宽带 网) 进行信息传输，尤其是电话网应用有其十分优越的条件： 1 电话的普及率较高，不必再建专用传输网，设备投入成本低：4 8 5 总线联 网型、宽带联网型等都需布线，对布线有严格的施工规范，且仅适合于新建小区， 不适合于老城区和分散的商业门点、工矿、企事业金融单位、政府机关等场所( 注： 无线联网型也不需再建专用传输网) 。 2 可双向联络：4 8 5 总线型和电话联网型能双向联络，中心可控制用户的报 警主机，报警主机将报警信息上传到控制中心。其它的联网型不具备此功能。 3 可多址报警：4 8 5 总线联网型、宽带联网型、电力联网型、专线联网型、 无线联网型等仅能点对点联网，而电话联网型能将报警信息传输到多个点( 一般 5 8 个) 。 4 传输距离远：4 8 5 总线型和无线联网型传输距离有限，4 8 5 总线型理论传 输距离为1 2 0 0 米，再长需加中继器。无线联网型的传输距离受发射功率限制。 5 抗干扰能力强：无线联网型的受环境的无线电磁波干扰严重，其它的联网 方式的抗干扰能力都强。 6 对现场有监听功能：此功能为电话联网型专有功能。 7 具有语音功能：此功能为电话联网型专有功能。 8 可组网使用也可单独使用，这是前二类传输方式无法比拟的。 其缺点是： 1 容量小，报警速度慢：由于报警中心也采用电话线路，在多家报警同时会 出现通讯堵塞现象，一般从报警触发，拨号上报，中心接警成功需要8 - 2 0 秒的时 间，考虑到报警系统每天都有一定的状态( 撤布防、自检等等) 信号上报，不适 华中科技大学硕士学位论文 合在大中型小区使用。 2 通讯费用高：由于打用电话线路通讯，每次与报警中心通讯都要付一次电 话费。 总线联网报警系统的优点【4 2 ，4 3 】是： 1 通讯速度快、容量大：采用4 8 5 总线方式，在波特率仅为2 4 0 0 情况下，上 报一条警情信息后仅为0 1 0 3 秒，中心基本不占线，适合大容量小区使用。 2 ，双向通讯方式：采用总线制不仅报警可以上报，中心还可以迅速下载信息。 3 费用低：由于小区采用自己的通讯线路，报警通讯是不需要费用的，可以 降低住户的负担。 4 集成性能好：由于大多数智能优化系统都采用总线制通讯方式，便于与其 他系统进行集成，降低工程费用、增强中心通讯控制功能。 5 成本低：总线制报警系统省去了电话线报警系统中的拨号模块，成本下降 很多，便于普及。 其缺点是： 1 工程施工要求高：对于线路铺设、总线隔离有较高的技术要求。 2 没有语音通讯功能：只适合联网使用，不适合住户独家独户使用，缺乏有 效的报警通知用户手段。 3 不适合长距离报警用户：一般报警器与中心通讯距离不能超过1 2 0 0 米。 本联网系统的客户对象是商业门点、金融、企事业单位、政府机关等，这些 客户都是分散的，且联网的接警中心都设在派出所，这是总线型等其它联网系统 所无法解决的。 基于上面论述，系统的总体方案是：探测器和报警控制器之间采用有线、无 线相连接传递信息，报警控制器与接警卡采用电话线相连接传输报警信息，接警 卡与电脑问通过r s - 2 3 2 串口传递信息。 2 4 小结 本章论述了联网报蟹系统的组成，联网报警系统中报警控制器应具有的功能， 然后通过分析现行的几种联网报警系统的信息传输方式的优缺点，并结合本联网 报警系统所针对的客户对象确定了联网报警系统的总体方案。在下面章节中将论 述报警控制器的硬件设计与开发、报警控制器的软件设计与编制以及主要前端探 测器的设计与开发。 华中科技大学硕士学位论文 3 报警控制器的硬件设计与实现 报警控制器是联网报警系统的重要组成部分，本章首先论述了无线数据的传 输方式，接着对报警控制器的硬件电路进行设计，包括有线信号的接收、d t m f 信号的接收与发送、语音信号的播放与录音等。最后根据设计中遇到的问题讲述 系统设计中抗干扰需注意的事项。 3 1无线数据传输原理 由于报警控制器要接收无线信号，所以在开始硬件电路设计之前，要对无线 信号的发射与接收，编码与解码有清楚的认识。一个完整的通讯过程见图3 1 。信 号源发出信号，信号再经发送器编码后发出，编码后的信号经传输系统到达接收 机，接收机接收到信号后进行解码，再将解码后的原信号给信号使用者。以下分 别介绍无线信号的发射与接收及无线信号的编码与解码。 i 信源l _ 一发送器l 一传输系统l 一接收机h 信宿l 图3 1 一个简单的通讯模型 3 1 1 无线信号的发射与接收 无线信号传输系统的核心部分是无线收发组件，它包括发射机和接收机两部 分。无线发射机和接收机多采用高频电路来传输低频的数字编码信号，频率可达 几百兆赫以上，目前国内规定和通常使用的频率为3 1 5 m h z 和4 3 3 m h z 。它采用 两种调制方式，为调幅( a m ) 和调频( f m ) 两种。调幅( a m ) 方式因价格低廉、 性能可靠目前被广泛应用于安全防范产品中。 1 无线发射机 无线发射机的就是将不同探测器的报警输出信号通过单片机或固定编码集成 电路处理，转换成不同的地址码和数据码数字信号。这组表示报警地址和报警类 型等信息的数字信号先由发射机的载波对其进行频率调制，调制后的信号再经功 率放大和匹配，送至发射天线，最后转换为空间电磁波幅射出去。 几年以前的无线发射机高频振荡部分大多采用l c 并联谐振来起振。l c 谐振 缺点很多，温度漂移不大，容易频偏造成发射距离不稳定。声表面波谐振器( 市 1 4 华中科技大学硕士学位论文 场上简称“声表”) 的出现很好地解决了这一问题，声表频率稳定、温漂小、差损 小且频率高，可以做到几百兆赫，无需象晶振那样倍频。只要匹配得当，频率在 正负温差1 0 0 以上仍能保持稳定，并且用手触摸或大型金属物屏蔽仍能保持稳 定。随着声表技术的发展，现在的声表频率误差可以做到小于万分之三以内，且 规模生产后的价格也越来越低。现在以两种声表稳频的发射电路为例来讨论其特 性。 在图3 2 中发射电路a 其特点是：l 生能稳定，电路成熟，功率比较小，空旷传 输距离3 0 0 m 左右，应用于遥控器。发射电路a 是给出的3 1 5 m h z 的参数图，l 1 为固定印制电感，如需增加频率，如4 3 3 m h z ，可将c 1 改为o 5 p ，c 2 改为3 5 p ， c 3 改为2 p 即可。如需增大发射电流和发射功率，可将r 2 改为3 9 k ，反之是将 r 2 增大。此发射头电压可在3 v 1 2 v 之间转换。 b 图3 2 无线发射电路 发射电路b 是大功率发射头，适用于远距离的传输。其特点是性能稳定，电 路成熟，功率大，空旷传输距离为1 0 0 0 米。此图给出的是3 1 5 m h z 的参数图，l 1 为3 5 4 5 t - 0 7 空心线圈，1 2 为3 5 2 5 t - 0 7 空心线圈。如需增加频率，如4 3 3 m h z ， 可将：2 改为3 5 1 5 t - 0 7 空心线圈，c 1 改为3 p ，r 1 改为1 0 k ，c 2 改为3 p 即可。 如需减小频率，如2 6 0 m h z ，可将1 2 改为3 5 4 5 t - 0 7 空心线圈，c 1 改为1 0 p ， c 2 改为1 0 2 p 即可。此发射头的电压在3 v i 2 v 之间。如需求超远距离的发射头； 只要在此发射头前加上级功率放大电路即可：工作电流为1 5 0 m a 左右，空旷最 华中科技大学硕士学位论文 大传输距离为5 k m ，采用d c 9 v 供电。 2 无线接收机 现在的接收机主要采用调幅方式，以便和发射机配对。一般采用两种电路， 即超再生