（机械电子工程专业论文）住宅安全报警系统的设计与研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国国民经济的高速发展，人民的生活水平也不断提高，人们对自己生活环境 的要求也不断提高，安全、舒适的居住环境成了每个家庭住户必备的生活需求，也提出 了住宅安全保障的自动化问题。为此，从家庭用户住宅出发，将传统的报警系统，红外 报警系统、火灾报警系统、微波报警系统、可燃气体泄漏报警系统、紧急呼叫报警系统 等独立的系统进行优化、整合，通过计算机进行控制，组成一个综合性的全方位的住宅 报警系统，为家庭用户提供可靠的安全防范服务。 本系统主要面向小区的家庭住户进行整体设计，包括硬件和软件两部分。对整体设 计方案进行了论述，可以完成防盗报警、防火报警、煤气泄漏报警、紧急呼叫报警等功 能，通过固定电话网、宽带数据网、移动电话网等实现语音、短信、信号等报警，报警 信号可以接到家庭主人、小区值班员、医院、消防中心、公安局等；本系统除了报警以 外，还可以通过摄像头等设备能对现场进行实时拍摄，并通过f t p 服务器对报警现场进 行验证；用户通过电子钥匙对系统进行灵活的布防和解防等操作，通过智能插座对报警 现场进行一定的相应安全处理。对感应器单元及感应控制器等进行了较为详细的设计， 包括报警主系统和感应器控制器中的信号识别程序。系统的可靠性方面，从硬件及网络 通信两方面进行了抗干扰和通信安全的设计，使系统的安全性和可靠性得到提高。 关键词：报警系统；感应器；语音报警；短信报警；智能插座 堡墨室全塑兰墨竺塑塑盐量翌窒 d e s i g na n ds t u d yo f t h er e s i d e n t i a ls e c u r i t ya l a r ms y s t e m a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sn a t i o n a le c o n o m y , t h e1 i v i n gs t a n d a r do f 也e p e o p l ei si m p r o v i n gc o n t i n u o u s l y , p e o p l ea l s ou n c e a s i n # ym a k ed e m a n d so ft h er i v i n g c o n d i t i o n s s a f ea n dc o m f o r t a b l el i v i n ge n v i r o n m e n th a sb e c o m ea na s s e n t i a lf e a t u r eo fe v e r y h o u s e h o l dl i v i n gn e e d s ，a n dt h ea u t o m a t i o no fr e s i d e n t i a ls e o u r i t yi sp r o p o s e d t h e r e f o r e ， f r o mt h ev i e w p o i n to fh o u s e h o l du s e r s ，t h i sp a p e ro p t i m i z e sa n di n t e g r a t e st r a d i t i o n a la l a r m s y s t e ms u c ha si n f r a r e da l 锄s y s t 锄，f i r ea l a r ms y s t e m , m i c r o w a v ea l a r ms y s t e m , t h e c o m b u s t i b l eg a sl e a k a g ea l a r ms y s t e m ，a ne m e r g e n c yc a l la l a r ms y s t e ma n ds oo i lt of o r ma a l l - r o u n dc o m p r e h e n s i v er e s i d e n t i a la l a r ms y s t e mb yu s i n gc o m p u t e rc o n t r o lt op r o v i d e r e l i a b l es e c u r i t ys e r v f 嘲 t h i ss y s t e mi sm a i n l yo r i e n t e dh o u s e h o l du s e r sf o ro v e r a l ld e s i g n , i n c l u d i n gh 盯d w a r e a n ds o r w a r e t h eo v e r a l ld e s i g np l a ni sd i s e n s s e d t h e f ta l a r m , f i r ea l a r m , g a sl e a k a g ea l a r m a n de m e r g e n c ya l a r mc a nb er e a l i z e d v o i c ea l a r m , n o t ea l a r ma n ds i g n a la l a r mc a nb e p e r f o r m e db yu s i n gf i x e d - l i n et e l e p h o n en e t w o r k , b r o a d b a n dd a t an e t w o r k s ，m o b i l et e l e p h o n e n e t w o r k sa n ds oo n a l a r ms i l m l sc a nb ec o n n e c t e dt oh o m eo w n e r , t h ep e r s o no nd u t yi i l s u b d i s t r i c t h o s p i t a l s ，f i r ec 跫n t e r , a n dt h ep o l i c e ，e t c b e s i d e sa l a r m ，t h i ss y s t e mc a na l s o s h o o tt h es p o ti nr e a lt i m eb yu s i n gc a m e r a s u s e r s 伽d e f e n c et h es y s t e mw e l lt h r o u g h e l e c t r o n i ck e y c o r r e s p o n d i n gs a f e t ya r r a n g e m e n t st oa l a r ms p o ta r em a d eb yi n t e l l i g e n t s o c k e t i n d u c t o ra n di n d u c ec o n t r o l l e ra r ed e s i g n e di nd e t a i l ，i n c l u d i n ga l a r mm a i ns y s t e ma n d s i g n a li d e n t i f i c a t i o np r o g r a m i ni n d u c ec o n t r o l l e r i nr e l i a b i l i t y ,a n t i - i n t e r f e r e n c ea n d c o m m u n i c a t i o ns e c u r i t ya r ed e s i g n e df r o mb o t hh a r d w a r ea n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt o i m p r o v e t h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m k e yw o r d s ：a l a r ms y s t e m ：i n d u c t o r ；v o i c ea l a r m ；n o t ea l a r m ；i n t e l l i g e n ts o c k e t i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工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，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名杏红0 f 导师签名：r = 二兰翌垫丝丛 畦! 1 2 年卫月盟日 大连理工大学硕士学位论文 引言 1 序言 随着经济的发展，人们生活水平的提高，其生活质量也在不断提高，人们对社区的 安全防范越来越重视，采取了许多措施来保护社区及住宅的安全。以往众多住宅小区的 安全防范主要做法是安装防盗门、防盗窗、防盗网以及人工防范。这样不仅有碍美观， 不符合防火的要求，而且不能有效地防止坏人的侵入。事实上仅有消极防范作用的这种 机械式、被动式的防盗门及防盗网正逐渐淘汰，取而代之的则是各种先迸的、智能化的 电子保安设备。大多现代化的居民小区都安装有社区安全防范系统，但也存在着小区的 人为管理因素太多和安全防范系统灵敏度不高、效率低、误报率高、监视范围没有针对 性、与住户脱离了直接联系等缺陷。因此，一套高效快捷、安全可靠、灵活方便的警报 系统对家庭用户来说显得非常重要。它应集防盗、防劫、防火、防燃气泄漏等功能于一 体，一遇情况立即自动报警，防患于未然，保证小区内居民的生活安全。 2 国内外研究概况 在社会信息化进程日益发展的今天，信息技术应用己渗透到人类自下而上活动的各 个领域，智能化住宅是信息化社会的产物，它通过一个高度集成的通信和计算机网络， 把住宅小区安全防范系统、物业管理系统、公共服务系统、信息系统连接起来，建立集 成平台与信息处理控制中心，各个系统独立运行又共享网络硬软件资源，实施智能化与 最优化【l 】，为住户营造一个安全、自由、舒适的现代居家生活环境。 现代安防报警系统己有了新的概念，通常称为安全自动化s a s ，并与防火自动化系 统f a s 共同构成智能建筑系统最底层的系统【2 1 。目前国外发达国家己逐渐形成一个集安 防、消防、医疗救护为一体的安全保障待业。安全技术防范行业真正形成行业规模是在 第二次产业革命中，即1 9 5 0 年- - 1 9 7 1 年，首先在美国、英国等国家形成，像a d e m c o ( 安 定室) 、v i c o n ( 维康) 、c h u b o ( 集宝) 等。6 0 年代视频图像技术、7 0 年代计算机数字 技术、8 0 年代生物识别技术及9 0 年代国际互联网技术的应用，使安防行业得到快速发 展。 西门子楼宇科技公司的产品在安防行业中具有一定代表性，其新产品g u a r t oe a s y 将视频监控、音频对讲监听、防盗报警、火灾感应、危险气体感应等多种警告方式( 声 光、无线、拨号) 结合起来，对住宅小区进行全方位的安全防划3 1 。它采用总线式结构， 符合安防系统的暴露线路最短的原则。通过适配器可以接入各种信号( 电压、触点等) ， 可以连接防盗感应器，震动感应器，气体感应器，紧急按钮，门禁触点等多种感应器， 住宅安全报警系统的设计与研究 能够适应各种情况。在线路上，可以接入中继器实现感应线路的延长，从而更好地适应 环境。 就智能住宅中的火灾报警而言，目前出现的大型组合火灾报警系统或智能火灾报警 系统，一般是根据灾前检测的光、热、烟、气、味等个别异常或是否达到某种阈值来做 出判断的多阈值系统【4 】，多感应元件火灾感应器是智能型的装置，使用三种不同类型感 应元件的感应器记录模拟量的火灾参数，并将这些模拟量转换成数字信号，然后，感应 器利用数值算法判定是否存在火灾危险。现在世界各国都在致力于研究和开发能早期预 报火灾的火灾感应方法和设备，如利用神经网络所具有的自学习和自适应【5 】等特点，就 可组成智能火灾感应系统，提高火灾感应系统的检出率，增进系统的可靠性。 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。小区安全防范报警系统已成为智能小区中实现安全管理的重要系统，根据我国建设 部的规定，主要包括电视监控、防盗报警、求救求助、煤气泄漏报警、消防报警等内容， 是一种比较完善的安全防范系统。通过在可视对讲的基础上，不断扩展主机功能，增设 室内分机用于接收室内各感应器的报警信号。室内分机有多个感应器接口，可接收感烟 感应器、温度感应器、红外及微波感应器、煤气泄漏感应器等传来的报警信掣“。 目前，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。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 能住宅将成为2 l 世纪建筑业的发展主流。特别是在我国，随着人们的生活水平的日益 提高，安防系统是否完备可靠，将成为评价住宅的一个重要指标。 3 本文主要工作 目前我国的智能化住宅和智能化小区正以飞快的速度发展着，很多小区都应用着这 些智能化报警系统，其智能化的发挥在一定的程度上受到了很大的限制，问题依然很多。 根据安全防范系统的发展现状及其发展趋势，借用社区安全防范系统的部分设计思想面 向家庭住户，将安全防范范围由小区缩小到住宅内部，进行报警系统设计。具体工作如 下： ( 1 ) 感应器设计 对市场出现的单一的感应器进行电路改装，添加相应的发射模块，使得每个感应器 所感应到的感应信号均能发射到感应器控制器。由感应器控制器对信号进行识别，即达 到防盗报警、防火报警、防煤气泄漏报警、防紧急呼叫报警等功能。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 感应器控制器设计 在感应器控制器中设计多元信号感应接收，能对多种防盗或防火的感应器所发射的 信号进行综合处理，大大降低了误报率。采用单片机进行控制，使得它能够正确的识别 各种感应信号，并将处理后的各种感应信号通过串口送给计算机进行报警处理，同时通 过驱动智能插座实施现场报警和相应处理。 ( 3 ) 通信系统设计 充分利用家庭住户己有的通讯设施。完成语音报警、短信报警功能。通过m o d e m 实现电话自动拨号报警( 语音报警) ，通过在感应器控制器中添加s i m 卡实现手机短信报 警，通过互联网的短信网关实现手机短信报警，并且可通过f t p 上传现场图片和录音来 达到对报警现场真实性的验证。 f 4 ) 软件系统设计 对各报警模块进行设计，使得住户能够很方便地对系统进行布防和撤防，住户可根 据实际情况任意添加或修改多个报警电话，也可根据住宅的实际情况任意添置感应器或 挪动感应器的位置来达到准确、高效地触发感应信号。 本文后续章节内容安排如下： 第1 章从住宅安防的角度出发，介绍住宅安防的必要性，说明住宅安防系统的现状， 总结出现有报警系统存在的问题或不足，并提出对这些问题或不足的改进方法和设计思 路，说明本文所做的工作依据。 第2 章从总体上说明本系统所使用的一些相关理论技术。利用这些理论技术，从测 量条件、感应器性能及使用场景，有针对性地选择了各种类型的感应器，并能较好地被 触发，使得r s 2 3 2 c 通信接口能较好地应用到感应器与计算机的通信系统中，同时在计 算机与调制解调器之间进行很好的数据交换作用；通过电话拨号的方式使得电话网中能 较好地为住户传送语音报警信号；在感应信号触发s i m 卡后，能通过g s m 网络将短 信警报内容较好地传送到住户的手机中。 第3 章主要阐述各感应器的工作原理及电路设计，重点讲述多元感应器工作原理及 其设计，通过多元感应器的设计使得整个系统的误报率降低。详细地阐述感应器控制器 的设计，通过对单片机外围电路的设计及其合理使用使得整个系统的各个部件成为一个 有机的整体。智能插座、电子钥匙的设计使整个系统的功能有所增强，智能化程度加大， 操作更加灵活，使用起来更加方便。在信息化的社会中，充分利用了现有家庭的网络通 讯设施，分别通过公用电话网对用户手机或固定电话等实现语音报警，通过计算机网络 对用户手机实现短信报警、通过g s m 通信网络对用户手机实现短信报警，并通过计算 住宅安全报警系统的设计与研究 机网络对现场进行报警验证。将公用电话网、计算机网及g s m 通信网三种网络有机结 合起来对用户手机实现多种方式的报警，大大地提高报警效率。 第4 章主要从软件的角度阐述报警系统的运作模式，通过主要软件功能模块介绍报 警系统的工作流程及报警信号的流向，通过数据库的介绍了解软件系统的数据结构，并 进行报警控制程序设计。 第5 章从系统的稳定角度考虑，介绍系统硬件抗干扰的一些措施；从系统的安全角 度考虑，介绍系统在硬件设计及通讯系统设计方面采取的安全措施，使整个系统更加稳 定和可靠；并阐述减少误报相应的措施。 一4 大连理工大学硕士学位论文 1报警系统的分析与总体设计 1 1 概述 随着我国的社会、经济的发展，人们的安全意识也得到了相应的提高。由于入室抢 窃、偷盗等诸多社会问题的出现，人们也对自己的安全问题空前的忧患和关注。为保障 自身的人身和财产安全，中国许多的城市都出现了象鸟笼一样的防盗网，铁甲般的防盗 门等独特景观。这些措施在局部给主人带来安全的同时，却也给社会和自己留下了不安 全的隐患。 在人们生活水平不断提高的今天，人们经常旅游、出差在外，人在家的时间越来越 少，但家庭是人的安乐窝，身在外的家庭成员却时刻惦记在家的人的家居安全，随时随 地想了解家里的情况是任何一个身在外的入的正常心态。虽然现在一般的家庭都安装防 盗网、防盗门，但当家里没人的时候，却常常遇到盗贼的光顾。当家庭里的年轻人上班 后，家里剩下弱病的老人突然发病时，却无法通知家属等情况，这些都是经常会发生的 事情，但是目前却没有很好的一套安全防范系统来进行有效的预报。现在市场上报警器 进口的不少，但价格比较高，并且进口产品的设计环境和中国的实际情况不太一样，误 报的机率较高，并且进口产品的维修保养较困难，备件价格较贵。国产的产品报警种类 比较单一，有时只有红外报警或烟火报警，没有综合报警，误报率高等问题。 本系统就是基于这些方面的考虑而进行设计研究。充分利用当今社会成熟的电子技 术，先进的电路线路板的设计技术，充分利用现有的通信资源，使多种传感器、控制器 和现有的传输网络系统紧密结合，组成一套有效的报警控制系统，解决日益突显的住宅 安全防范问题。 1 2 系统的需求分析 1 2 1 系统需求 安防系统是目前现代社会比较热门的一个课题，它是随着社会的进步而出现的产 物，它的出现是社会经济得到普遍性提高的标志，它的需求表现在如下几方面【”。 ( 1 ) 企业发展过快，又希望减少保安人工费用开支。有的企业在发展过程中为了提 高企业的利润，必须要降低人工成本的开支来，其中的一个办法就是通过利用安防系统 来代替一部分保安员，通过安防系统集中监视，可以减少大量人工成本。 住宅安全报警系统的设计与研究 ( 2 ) 有些地方自然环境恶劣，对保安值班人员会造成人身伤害。因为在天气比较寒 冷的地方或有害身体健康的废气环境，如果保安员在那里上班就会对他们身体造成伤 害，通过报警系统可以达到无人职守却起到保卫的目的。 ( 3 ) 家居经常无人，盗贼经常光顾。因为现代的家庭成员工作繁忙，经常是早出晚 归，一天中有相当长的时间无人在家，就给盗贼提供作案的机会。报警系统能作为家庭 卫士，通过发出声音吓跑盗贼或通过通信网把告警信息发给主人或小区值班员。 ( 4 ) 家庭主人经常在外，想了解家庭的状况。因为现代生活人民生活水平提高，经 常外出旅游，在外面的时候却想看一下家里的情况，综合报警系统能够实现把家里的实 际情况经过摄像机发到主人的手中。 ( 5 ) 家庭有病弱老人在家，担心意外事故无人照顾。这是一般家庭都会出现的问题， 综合报警系统通过安装在一个病人比较容易触摸的按钮，当病人需要地时候产生报警信 息。 ( 6 ) 无人在家房子却发生火灾。家里没有人的时候，如果发生火灾，整个家庭将会 毁之一旦，但通过综合报警系统，当发生火警时，通过通信网络，可以向主人或火警中 心报警。 ( 7 ) 家庭煤气泄漏。煤气泄漏是经常的问题，通过安防系统在人还没有知道煤气泄 漏时，启动报警系统并自动控制抽风机启动。 以上的需求表明当今社会人们对人身、财产高度重视，也是对综合报警系统提出的 要求。 1 2 2 系统分析 根据上述的需求可知，要达到以上的目标，可采用以下办法【8 】： ( 1 ) 用红外线感应器、微波感应器进行对人体的感应； ( 2 ) 用温度感应器、光电感应器对火进行感应； ( 3 ) 用c o 气体感应器对煤气进行感应； ( 4 ) 用摄像机对现场进行图像扫描； ( 5 ) 用麦克风和系统对现场进行录音； ( 6 ) 用触摸开关向系统发求救信号。 各种警源信号经过感应器转换为电信号，电信号经过控制器分析后，输出控制信号 到有人职守的地方显示告警，实现告警传输，或经过智能插座对有关设备产生控制动作 制止灾难发生。 一6 大连理工大学硕士学位论文 1 3 现有报警系统的改进 现在社区安防系统由小区统一管理，其范围广，但针对性不强，对于住户家庭监控 力度不够，这种由小区统一进行监控管理的系统很难做到对住户房问内腔实时监控，另 外，功能较为单一，对于房间内的煤气泄露、有燃气体燃烧等不能做到准确、快速的报 替。而传统的家庭报警系统功能单一，主要体现在防盗报警系统上，而对其它方面的安 全防范并没有采取相应的措施，例如，防火、防煤气泄露等；也有些家庭采取了几种不 同安全防范功能的报警设备来达到家庭安全防范的目的，但是它们之间没有形成一个整 体，造成操作不方便，设置不灵活，如有红外线报警器和烟雾报警器相互独立，通过各 自的蜂鸣器来传送各自的报警信号。最主要的是这种报警方式对小区的管理存在很大的 依赖性，这种依赖性势必会给住户带来很大程度的损失。现在市场上出现了一种面向家 庭的通过电话实现语音报警的防盗报警系统，但是它的误报率比较高，且功能较为单一， 设置和操作不够灵活。这些报警系统的灵活性差，功能较为单一，与住宅用户脱离了直 接联系。相对于以上系统来说，本系统在功能和性能上作以下的改进： ( 1 ) 将多种报警系统的有机组合，形成一个功能齐全，完全能够满足家庭住户所有 安全需求的系统。通过红外线感应系统、微波感应系统及门磁感应系统来实施防盗报警； 通过温度感应器、光电感烟感应器及c o 气体感应器来实施火灾报警系统；通过可燃气 体感应器实施煤气泄露报警；通过紧急呼叫按钮实施突发事件报警；通过智能开关对现 场采取紧急措施进行相应的预处理；通过调制解调器为用户实施固定电话留言功能。 ( 2 ) 使用计算机对系统硬件进行控制和相应的设置，通过软件系统按照用户需求对 硬件进行灵活的设置。住户可根据实际情况任意添加或修改多个报警电话，如办公室固 定电话、用户手机、小区值班电话、派出所值班电话以及火警1 1 9 、匪警i l o 等。也可 根据房间的实际情况任意添置感应器或挪动感应器的位置来达到准确、高效地触发感应 信号。可通过遥控器按照住户的生活节奏来对感应器进行设防或解防，做到操作方便实 用。 ( 3 1 充分利用住户已有的电脑及网络通信等设备设施，只需简单地配置就能实现功 能强大的报警系统。由于电脑的日渐普及，只须添置几个相应的感应器和遥控器就可实 施语音报警，其成本也就是几百元而已，而固定电话、手机等均成为了每个家庭住户的 必备通讯工具。因此，这种低成本的报警系统，相对其它综合性报警系统来说，住户可 节省上万元的成本。 ( 4 ) 提高报警的准确性，降低误报率。通过多功能、全方位的报警措施能较好地解 决误报问题。通过多个不同位景的感应器对信号源进行感应来证实感应信号的真伪，通 过多个不同的报警电话和不同报警方式来避免漏报问题。 住宅安全报警系统的设计与研究 1 4 系统的总体设计 1 4 1 系统设计目标 通过在住宅内门窗及室内其他部位安装各种探测器进行昼夜控制，当监测到警情 时，通过住宅内的报警控制器传送至智能管理中心的报警接收计算机，准确显示警情发 生的住户名称、地址和警报类型，提示保安人员迅速确认警情，及时赶赴现场，以确保 住户和人身安全。 根据前面对系统的需求分析结合现在的实际情况，本安防系统的设计必须达到如下 的目标： ( 1 ) 探测：探测就是系统能及时发现有危险的信号，准确、实时产生报警状态。 ( 2 ) 自动处理：当传感器产生感应信号以后，安防系统将根据报警源和预先设置的 报警程序自动进行相应处理，驱动报警设备。 ( 3 ) 远程布控：当用户在外地时，可以通过电话对系统进行布控，并把信息传到用 户所在地。 ( 4 ) 报警：是系统通过收到传感器的报警信息，经处理后，通过语音报警、短信报 警，现场摄像现场录音等设备对用户进行通知和现场记录。 1 4 2 系统设计原则 报警系统的设计应当从实际需要出发，尽可能的使系统的结构简单、可靠，设计时 应遵循的基本原则如下： ( 1 ) 实用性和经济性。在系统的建设中，应充分利用现有资源，在技术的兼容性， 以减少资源的再投入。 t ( 2 ) 先进性和成熟性。系统的设计在技术上应有适度超前性和互换性，为系统的增 容或改装留有余地。系统的硬件应采用国内外最新且经过实践检验的产品，它们是可以 兼容的【9 】。 ( 3 ) 可靠性和稳定性。系统可靠性必须高，即使工作电源发生故障，系统也必须处 于随时能够工作的状态。 ( 4 ) 安全性和保密性。报警器应安装在非法闯入者不易察觉的位置，和报警器相连 的线路最好采用钢管暗埋的方式进行敷设。 ( 5 ) 可扩展性和易维护性。系统应具备一定的扩充能力，以适应日后使用功能的变 化。传感器尽量安装在不显眼的地方，当受损时易于发现，且容易处理的场所。系统应 尽量采用标准产品，便于日后系统的维护和检修。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 系统必须采用多层次，立体化的防卫方式。目标保护不能出现控制盲区。系统 应能准确及时地探测目标信号、发出报警信号。系统误报警率应控制在可接受的限度内， 系统不允许有漏报警。 1 4 3 系统功能结构 系统功能如图1 1 所示。 图i 1 系统功能结构图 f i g 1 1 s m a c t u r ea n df u n c t i o no f t h es y s t e m 系统功能可以分五个部分，分别是感应处理、布控管理、控制管理、控制中心、输 出驱动。 ( 1 ) 感应处理：主要是有感应器组成，包括红外线感应器、微波感应器、温度感应 器、光电感应器、c o 气体感应器。负责对目标信号进行监察，当检测到信号时，产生 一个状态信号发到控制管理模块。 ( 2 ) 布控管理：专门管理对系统的控制信息，系统的启动与关闭或部分感应器开， 关由它负责，并且可以处理遥控器发来的信息。它对系统的控制通过控制管理模块来起 作用。 ( 3 ) 控制管理：是一个单片机，它能接受感应器传来的状态信号，也能接受布控管 理模块发来的控制信号，同时也能接受控制中心发来的远程遥控信号，同时把报警信息 送到控制中心，需要启动当地的智能设备通过输出驱动模块来完成。 “) 输出驱动：输出驱动是当收到报警信息时，需要对现场设备产生控制，完成某 种动作。 住宅安全报警系统的设计与研究 ( 5 ) 控制中心：是系统通过网络和外界联系的平台，其中包括通过宽带网、电话通 信网对外界发布报警信息，通过对摄像机、麦克风的控制对现成图像和声音的记录，通 过远程处理接口处理远程的控制信息。 大连理工大学硕士学位论文 2 系统相关技术理论 2 1 感应器技术 感应器技术是信息采集技术的第一步，感应器是将能够感受到的及按规定被测量的 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， 其中敏感元件是指感应器中能直接感受或响应被测量( 输入量) 的部分，转换元件是指 感应器中能将敏感元件感受的或响应的感应量转换成适于传输和( 或) 测量的电信号的 部分【1 0 j 。 ( 1 ) 感应器的作用 信息的收集。对某种特定要求，需检测目标物的存在状态，把某状态信息转换 为数据，对系统或装置的运行状态进行监测。 信息数据的交换。把以文字、符号、代码、图形等多种形式记录在纸或胶片上 的信号数据转换成计算机、传真机等易处理的信号数据，或者读出记录在各种媒介上的 信息并进行转换。 控制信息的采集。检测控制系统处于某种状态的信息，并由此控制系统的状态， 或者跟踪系统变化的目标值。 ( 2 感应器的设计及选用 感应器的种类繁多，同一种类的感应器的性能也各差异，感应器的选择需考虑以下 几个方面的因烈1 1 】： 测量条件。如果误选感应器，就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采用感应器的必要性，绝对不要采用不适宜的感应器与不必要 的感应器。测量条件列举如下：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。 感应器的性能。选用感应器时，要考虑感应器的精度、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等。 感应器的使用条件。感应器的使用条件有设置的场所、环境、与外设的连接方 式以及供电电源容量等。 感应器电路设计是本系统电路设计的重点之一，感应器电路部分包括防盗感应器电 路、防火感应器电路、防有害气体泄露电路、紧急呼叫电路等四部分，其中详细设计了 防盗和防火电路。由多种类型感应器实现多元信号综合检测是本系统中感应电路部分的 住宅安全报警系统的设计与研究 基本设计思想，多元信号检测一方面完成盗情与火情的实时监测任务，另一方面大大降 低了感应器部分的误报率，提高了整个系统的可靠性和抗干扰性。 2 2r s - 2 3 2 通信接口 单片机系统设计中，经常需要使用串口进行外部通信，在本系统中通过串口实现电 话语音报警，单片机通过串口将信号传送至计算机系统中。而在串行通信中，只有通信 双方采用相同的接口标准，才能进行正常的通信。由于不同设备串行接口的信号线定义、 电气规格等特性都不尽相同，为了使这些设备能够相互连接，需要一个统一的串行通信 接口。r s 2 3 2 是目前最常用的一种串行通信接口标准。它是在1 9 7 0 年由美国电子工业 协会( e i a ) 联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端厂家共同制定的用于串行通信 的标准【1 2 】，因此具有一定的权威性。为此本系统选择了r s - 2 3 2 作为通信接口。 ( 1 ) r s 2 3 2 c 标准 在串行通信接口标准中，r s 2 3 2 c 接口是目前最常用的一种串行通信接口。其中c 代表r s 2 3 2 的最新一次修改。该标准对串行通信的连接电缆和机械、电气特性、信号 功能以及传送过程都进行了明确的规定，适合于数据传输速率在0 2 0 0 0 0 b i t s 范围内的 通信。 k s 2 3 2 c 标准最初是为远程通信连接数据终端设备d t e 与数据通信设备d c e 进行 通信而制定的。在本系统的语音报警子系统中使用了这种通信方式，这种通信的连接方 式图2 1 所示。 图2 1r s 一2 3 2 c 在通信线路中的连接方式 f i g 2 1 c o n n e c tm o d eo f r s - 2 3 2 ci nc o m m u a i e a t i o nl i n e s ( 2 ) r s 2 3 2 c 中的引脚定义 r s 2 3 2 c 中定义了2 0 根信号线，使用使用2 5 芯d 型连接器( d b 2 5 ) 实现。后来，为 了简化串口的线路连接，出现了简化的9 芯d 型连接器( d b 9 ) 。其中引脚的分布如表2 1 所示。 t x d 用于发送数据，串行数据通过该引脚从d t e 发送至d c e ，即通过该引脚将数 据从终端发送至m o d e m 。 大连理工大学硕士学位论文 r x d 用于接收数据，d t e 通过该引脚接收d c e 发送的过来的串行数据，即终端通 过该引脚接收m o d e m 发送数据。 r t s 用于请求发送，用来表示d t e 请求d c e 发送数据，即当终端要发送数据时， 该信号有效，向m o d e m 发送请求，此时m o d e m 进入发送状态。 c t s 用于允许发送，用来表示d c e 已准备好接收d t e 发来的数据，是对请求发送 信号r t s 的响应信号。当m o d e m 已准备好接收终端传来的数据时，该信号有效，通 知终端开始发送数据。 d s r 用于数据装置就绪，该引脚有效时，表明m o d e m 处于可用状态。通常将其 直接接至电源端，上电有效。 d t r 用于数据终端准备好，该引脚有效时，表明数据终端处于可用状态，通常将其 直接接至电源端，上电有效。 d c d 用于数据载波检出，当本地d c e 设备收到对方的d c e 设备送来的载波信号 时，该引脚有效，用于通知d t e 准备接收，此时d c e 将接收到的载波信号解调为数字 信号后，经r x d 线传送至d t e 。 鼬用于振铃提示，当m o d e m 收到交换台送来的振铃呼叫信号时，该信号有效， 用于通知终端已被呼叫。 q q d 用于信号地线。 表2 19 芯连接器信号说明表 t a b 2 1 s i g n a l n o l e s f o r 9 - p i nc d l l b p c l o r 引脚号符号缩写信号方向说明 ld ( 卫 d c e 至d r r e数据载波检出 2r 如 d c e 至d t e接收数据 3t x d d t e 至d c e 发送数据 4 d t r d r r e 至d c e数据终端准备好 5g n d信号地线 6d s rd c e 至眦 数据装置就绪 7r r sm 至d c e 请求发送 8c t s d c e 至d t e 允许发送 9r i d c e 至d t e振铃提示 ( 3 ) r s - 2 3 2 c 电气特性 住宅安全报警系统的设计与研究 为了满足系统的设计要求，r s 2 3 2 c 接口需要达到一定的技术指标，其通信速率、 传输距离等都是重点考虑的技术特性。如本系统中长度不长，只需2 至3 米就行了，而 传输的数据主要是普通的信号，而没有那些多媒体信息需要传输。r s - 2 3 2 c 标准的主要 电气特性参数如下表2 2 所示。 表2 2i t s 一2 3 2 c 标准主要电气特性参数 t a b 2 2r s 一2 3 2 cc r i t e r i af o rm a i ne l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s 项目参数指标 带3 - 7 k 0 负载时驱动器的输出电平逻辑0 为+ 3 v + 2 5 v ，逻辑1 为一3 v 一2 5 v 不带负载时驱动器的输出电平 一2 5 + 2 5 v 驱动器通断时输出阻抗 3 0 0q 输出短路电流 0 5 a 驱动器转换速率 弦信号分 别通过两个检波器，再将检波器输出信号送给组合器进行叠加处理。组合器输出的解调 信号对应的数字脉冲信号的高、低电平( 即逻辑l 与0 ) 的变化规律与调制器输入的数字 数据信号的高、低电平变化规律相同，因而能正确地实现数字数据信号通过模拟通信信 道的传输与接收。调制解调器在一对电话线上能实现全双工通信，在数据通信中，如果 一端被确定为呼叫端，则它使用下频带发送数据，在上频带接收数据。那么另一端一定 是应答端，它在发送数据时使用上频带，接收时使用下频带。如上频带中逻辑l 表示 2 2 2 5 h z 逻辑0 表示2 0 2 5 h z ，丽在下频带中逻辑1 表示为1 2 7 0 h z ，逻辑0 表示为 1 0 7 0 h z ，两个频带不会存在任何冲突【1 9 】。 ( 4 ) r s 2 3 2 c 接口交换电路 无论m o d e m 是内置式还是外置式，都具有r s 2 3 2 c 接口电路，其接口电路完成了 整个信号间的交互关系，以m o d e m 的应答呼叫过程来说明其工作流程。 应答呼叫过程是指调制解调器从接收到振铃信号开始，到数据传输完毕，调制解调 器和数据终端恢复到原来的空闲状态为止的过程。调制解调器是工作在全双工状态，o n 代表信号有效【2 0 】，即逻辑“1 ”。当振铃发生时，因为m o d e m 是全双工工作的，不需 要r t s c t s 握手信号，所以有： d t e 总是保持r t s 和c t s 为o n 状态。 d t e 的控制软件持续监视振铃指示( r i ) ，等待该信号有效。响铃后，m o d e m 在 振铃脉冲期间发出振铃指示信号( r i 有效) ，在振铃脉冲间隔期间，振铃指示信号无效。 即随着振铃脉冲的有无，砌信号的o n o f f 交替地变化。 d t e 的控制软件在检测到振铃指示后，开始通过计算机振铃指示信号o n o f f 交换的次数来对振铃进行计数。 当达到程序设置好的振铃计数时，控制软件发出数据终端就绪信号( d t r 有效1 ， 迫使m o d e m 进入摘机状态( 即应答电话状态) 。 住宅安全报警系统的设计与研究 m o d e m 在等待一小段时间( 如两秒钟) 后，自动地发送它的应答载波。同时， m o d e m 发出数据设备就绪信号( d s r 信号有效) ，通知d t e 已完成所有准备工作，正 在等待对方载波信号。 在d t e 发出数据终端就绪信号( d t r 有效) 期间，d t e 的控制软件监视着数据设 备就绪信号( d s r 是否有效) 。当d s r 变为o n 状态后，d t e 便知道了m o d e m 己准 备建立数据链路，于是d t e 开始监视载波检测( d c d ) 信号，以检查数据链路是否已建立。 主叫方m o d e m 的载波信号出现在电话线上时，被叫方m o d e m 就发出载波检测 信号( d c d ) ，通知d t e 已建立数据链路。 在数据链路连接期间，发送数据( t d ) 和接收数据( r d ) 线上即开始了全双工通信。 同时，数据终端仍监视着载波检测( d c d ) 信号，以确定数据链路是否连接。 数据传输完毕后，数据终端使数据终端就绪( d t r ) 信号无效，m o d e m 撤销载波 信号并以载波检钡g ( d c d ) 和数据设备就绪s r ) 信号无效给予响应。数据链路释放后， m o d e m 和d t e 返回初始状态，准备下一次接收或作另一次呼叫1 2 ”。 2 4f l s g 移动通信系统 ( 1 ) g s m 网络主要特点 g s m 数字蜂窝移动通信系统，是完全依据欧洲通信标准化委员会制定的g s m 技术 规范研制而成的，任何一家厂商提供的g s m 数字蜂窝移动通信系统都必须符合g s m 技 术规范。g s m 网络经过多年的发展完善，现己非常成熟，盲区少，信号稳定，自动漫 游，并且通讯距离不受周围环境影响。尤其是g s m 短信息，灵活方便，可以跨市、跨 省、甚至跨国传送，而且每发送一条短信息只要1 毛钱，非常可靠廉价。 g s m 系统是由几个子系统组成的，并且可与各种公用通信网( p s t n 、i s d n 等) 互连 互通。各子系统之间或各子系统与各种公用通信网之间都明确和详细定义了标准化接口 规范，保证任何厂商提供的g s m 系统或子系统能互连1 2 2 1 。 g s m 系统除了可以开放话音业务，还可以开放各种承载业务、补充业务和与i s d n 相关的业务。 g s m 系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全。 g s m 系统具有灵活和方便的组网结构，频率重复利用率高，移动业务交换机的话 务承载能力都很强，保证在话音和数据通信两方面都能满足用户对大容量、高密度业务 的要求。 g s m 系统抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高。 大连理工大学硕士学位论文 用户终端设备( 手持机和车载机) 随着大规模集成电路技术的进一步发展能向更小 型、轻巧和增强功能趋势发展。 ( 2 ) g s m 系统的结构 g s m 系统的典型结构如图2 , 4 所示。由基站收发信台和基站控制器组成了基站子系 统，由移动业务交换中心、操作维护中心、移动设备或来访用户识别寄存器等组成了网 络子系统。 图2 4g s m 系统结构图 f i g 2 4s t r u c t u r eo f g s ms y s t e m 由图可见，g s m 系统是由若干个子系统或功能实体组成的。其中基站子系统是g s m 系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分，它通过空中接口直接与移动台相 连，在移动台和网络子系统之间提供和管理传输通路，负责无线信号的收发与无线资源 管理：同时，它与网络子系统相连，实现移动用户间或移动用户与固定网络用户间的通 信连接；当然也要和操作维护子系统之间互通。网络子系统是整个网络的核心，它对 g s m 移动用户之间及移动用户与其他通信网用户之间的通信起着交换、连接与管理的 功能；负责完成呼叫处理、通信管理、移动管理、部分无线资源管理、安全管理、用户 数据和设备管理、计费记录处理、公共信道处理和本地运行维护等；网络子系统不直接 与移动台互通，基站子系统不直接与公用通信网互通。 移动台是公用g s m 移动通信网中用户使用的设备。移动台的类型不仅包括手持台