基于现场总线LonWorks智能防盗系统的设计

1、目录第1章 设计题目分析、总体设计方案选择.2第2章 系统电路设计.3 2.1 系统网络设计的整体介绍.3 2.2 LonWorks总线技术概述.5 2.3 收发器的介绍.5 2.4 基本电路的设计.6 2.4.1 单片机的认识.6 2.4.2 防盗探测器电路设计.7 2.4.3 防火探测器电路设计.9 2.4.4 自动报警器电路设计.10 2.4.5 声音报警电路.12 2.4.6 电压比较整形器.13 2.4.7 执行电路.14 2.4.8 LED路设计.15第3章 系统软件设计.16第4章 调试及仿真.17第5章 总结.19参考文献.20第1章 ：设计题目分析、总体设计方案选择 随着通讯

2、技术和控制技术的高速发展和应用，在工业与民用建筑上广泛使用传感器技术，使建筑物获得了智能作用。而我们把网络技术为核心的信息技术的迅速渗入建筑物中，建筑群的发展空间得到极大地拓展。在全国建成了一批又一批智能化住宅小区。建筑物的智能化问题也已经被提上日程。在典型的建筑物中防盗门窗的应用日益广泛,这些措施虽有一定的防盗作用，我们生活水平的提高，小区和居民住宅中有很多贵重的物品，但人们在睡觉时和外出游玩或者工作的时间段中不会很放心，并且盗窃者的技术手段也在大大增强。人们渴望一个安全生活的空间,楼宇智能化的需求日益迫切，而楼宇安全防范系统作为衡量楼宇智能化程度的重要标准之一，对它们的要求也是越来越高。防

3、盗系统是保障居民人身和财产安全的重要手段；对其进行的研究具有深刻的实际意义。安全防盗系统作为小区智能化系统中的一个重要环节必须具备高度的安全性、保密性；必须做到高智能的技防措施和人防管理有机结合，从而加强小区的自身防范能力，确保小区的人员和设施的安全。传统的防盗报警系统只是单纯的防盗系统，其功能并没有集成在一起,而是自成体系。当出现异常情况时，通过家中的电话线路自动拨号报警；并将相关信息传送至中央控制器中，系统不需要另外占用电话线路；当有报警信号时,报警电话享有电话线路的优先权,报警传输网络采用电话线，即通过电话线把警情信息传送至中央控制器。采用这种传输方式的优点是投资小，已建好的小区不用在报

4、警器与中央控制器之间重新布线；缺点是单纯的防盗报警系统只能够对一种报警信息进行采集，而且采用电话线来上传警情信息，实时性差，系统的功能不易扩展，不能满足用户日益增长的功能需求。 针对这种情况，在传统的防盗报警系统的基础上提出了基于LonWorks的控制系统，且该报警系统是集防盗于一体的联动报警系统。基于LonWorks现场总线的家庭保安系统集现场总线技术、微机控制技术及网络通讯技术于一体，能够达到高可靠性、高准确度、低误报率以及实时联动控制。它为人们提供一个安全的生活和工作环境的系统。达到事先预警、事后控制和处理的效果，保护建筑(大厦、小区、工厂)内外人身及生命财产安全。第2章 ：系统电路设计

5、2.1系统网络设计的整体介绍 硬件系统的设计由中央控制器、LonTalk适配器以及多个自动报警器组成。这些自动报警器相当于一个智能节点，用于采集现场盗情和火情信息，节点数量可根据监控的需要增减。当有警情信息产生时,通过电话线路拨号报警，同时通过LonWorks总线将信息传送至中央控制器，中央控制器管理软件负责处理接收到的各类报警信息，及时通过声光等辅助手段通知小区治安亭的值班人员进行时间处理。系统网络结构如图1所示图1系统网络结构图 该系统的控制功能已分散到各个节点，即自动控制器中，这也是本系统设计的核心和重点。现在的住宅小区正逐渐向智能小区方向发展，把每个节点安装于居民住宅，用于对居民住宅各

6、个不同部位的不同类型探测器(红外、微波、光电感应)进行检测与控制,并对从各个探测器采集来的数据进行处理。节点在中央控制器、通信链路和其它节点出现故障的情况下均能安全地工作，提高了系统的可靠性。智能节点主要完成检测与信号处理以及中央控制器和智能节点间的信息交换(包括智能节点检测到的信号、自身的运行状态和中控机发出的控制命令)两项任务。该系统中的智能节点，即自动报警器的硬件电路主要由神经元芯片、单片机、键盘、LED显示、蜂鸣器以及信号采集部分、执行器部分等组成,其结构如图2所示。其中信号采集部分主要是防盗探测器，防盗探测器可以由门磁开关、微波探测器、主/被动红外探测器等构成。电磁锁除具有普通锁的功

7、能外，它还具有依据开锁时间长短识别主人与窃贼的功能。当主人用原配钥匙在较短时间内开锁时，电路不报警；当窃贼撬锁或使用万能钥匙开锁时，一旦超时即可产生报警信号。微波侦测由多普勒效应传感器产生的微波信号通过环行天线发射到空间，形成一个立体空间微波警戒网，当人进入其中，从人体反射回天线的微波信号与原信号就会产生频移，对此频移信号进行鉴别放大即可产生报警信号输出。家庭防卫型红外探测器常采用一种被动式红外探测器，当人进入保护区时，人体温度会引起环境温度辐射场的变化，安装于某角落的探测器感受到这种变化后即可产生报警信号。玻璃破碎感应器通过感应玻璃破碎时产生的声音和振动，而达到触发报警的目的。22 LonW

8、orks总线技术概述 LonWorks作为一种现场总线技术，是一个开放的控制网络平台技术，是国际上普通用来连接日常设备的标准之一。比如，它可将家用电器、调节设备、窗户、灯光控制系统等相互连接并和互联网连接。 它由美国的Echelon公司于20世纪90年代初推出LonWorks控制技术具有优良的开放性、互操作性、灵活的网络拓扑、网络适应性以及面向对象的网络通信设计等优点，所以，使得LonWorks技术已从工业自控逐步发展运用至安全防范系统中。LonWorks技术主要特点有：分布式控制、良好的开放性和互操作性、系统网络结构灵活、节约成本和方便维护。而LonWorks协议作为LonWorks系统的核

9、心，遵循由国际标准化组织(1so)定义的开放系统互连(0sI)模型，包含LonTalk协议和ANSIEIA7091控制网络标准。为满足控制网的可靠和鲁棒的通信标准要求，LonTalk协议为控制应用提供了一个可靠性高、性能高、抗干扰性高的通信机制。 上图中Neuron芯片MC14315相当于两个寄存器，一个是读、写数据寄存器(偶地址)，另一个是只读状态寄存器，又称控制寄存器(奇地址)。主机通过对这两个寄存器的访问实现与3150芯片之间的数据并行传输。控制寄存器的最低有效位(通过IO0读取)，就是握手HS位，主机通过对控制寄存器的访问获得3150芯片反馈的握手应答。3150芯片接收108作为片选信

10、号cs，接收IO9以确认主机的读、写操作RW，接收IO10作为寄存器的选择输入A0(A0是主机地址总线的最低有效位)。出现下列两种情况时，IO0 IO7构成双向数据总线：(1)CS维持“低”，IO10为“高”，RW为“低”(2)cs维持“低”，IO10为“低”，RW为“高”或“低”。如果cs维持“低”，IO10为“高”，RW 为“高”，IO0输出的是给主机的握手应答信号。所以，主机访问偶地址是实现数据传输，访问奇地址是监视HS的状态。2.3收发器的介绍在与LonWorks总线的接口上，选用的是FTT-10A 自由拓扑双绞线收发器。它支持无极性星型、总线型和环型布线，不再局限于总线拓扑结构。FT

11、T-10A收发器的主体是一个隔离变压器，它集成了一个78kbps差分曼彻斯特编码通信收发器。FTT-10A能自动检测5M、10M或20M三种时钟频率；在未加电时呈高阻状态，不会影响网络通信，是常用的收发器。2.4基本电路的设计2.4.1单片机的认识AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密

12、度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。故此设计采用AT89C51。图3 AT89C51的引脚结构图2.4.2 防盗探测器电路设计微波探测器为空间探测器，用于探测在防范空间内的任何运动物体。微波探测器可靠性强，无光亮和热源的要求，探测环境要求低。在微波段，当以一种频率发送时，在微波能量覆盖的范围内，如果有物体移动，将会以另一种频率反射，这样发射频率和反射

13、频率有一个频率差异产生。这种频率差异与很多因素有关，其中包括移动物体的速度，与探测器的径向角度等。 实际电路中，是由振荡器电路产生并发射近微波段电磁波形成微波场，天线把电信号转换为相应的电磁波辐射到周围空间，辐射半径可达10m 以上（如果想继续增大辐射半径或提高灵敏度可以通过调整天线的大小和方向来完成）。当有人在场中运动时，反射回去的微波将发生频率变化，从而使微波探测器输出一个与人体运动速度有关的低频电信号。根据该特性，也选择微波探测器用于盗情的检测。天线比较电路微波振荡电路前级放大两级放大滤波电路LED电源图4 微波探测器原理框图环形天线和它周围的电阻、电容和MOS 场效应管组成了近微波段高

14、频自激振荡电路（它的振荡频率在1GHz 左右），微波探测器原理如图3-1所示，当电路接通电源以后，振荡产生的单频、等幅信号通过外接天线发射到空间，产生一个立体空间微波防护区，天线既发射振荡信号，也接收回波。反射回来的微波信号与原信号之间混频后产生微弱的频移信号，该信号送放大器进行放大。放大后的信号送窗口式鉴幅比较输入端，经比较将一定强度的探测信号转换为宽度不同的等幅脉冲输出。微波探测器电路使用的主要元件是单电源通用四运算放大器KIA324P 、环形天线、微波振荡管C3355 及一些外围元器件，外接6V 电源。其电路图如图5。图5微波探测器电路图当有人在该微波防护区内移动时，振荡频率和幅度发生相

15、应的变化。根据多普勒效应，该波动的频率与物体运动的快慢有关，而幅度与距离有关。混频后高频信号因为过高而失去作用，剩下微弱的低频信号经U1 作前级放大，10 pF 电容与7.5K 电阻构成充电电路，充电电压作为第一级比较器U4 的基准电压，同时实现延时功能，即只有前级放大电压高于该参考电压时，输出才为高电平，此时，C9O15 导通，最后信号经U2 、U3 构成的窗口比较器比较后输出探测到的信号。实验过程中报警范围实测约为7-8 米，探测到有效信号时，有20 秒的报警信号输出，LED 发光做出预警指示，可有效的进行实时探测。该电路可以工作在较宽的电压范围内（标准电压是32V ，但实际可以工作在很宽

16、的电压范围内），当检测到异常信号时为高电平。2.4.3 防火探测器电路设计这部分电路是用来防范住宅意外出现火灾而设计的。温度探测器使用数字温度传感器DS18B20 , 5V 直流电压供电。DS18BZO 的测温原理是利用温敏振荡器的频率随温度变化的关系，把温度信号直接转换为串行数字信号，通过内部计数器对受温度影响的振荡器周期的计数可实现温度测量。探测器中DS18B20 采用寄生电源供电方式，保证在有效的DS18B2O 时钟周期内能提供足够的电流，图6 中采用一个MOSFET 管和MCU 的I/O 口来完成对DS18B2O 的总线上拉，然后通过另一I/O 对DS18B2O 进行控制并取得温度值。

17、图6 温度探测器电路2.4.4自动报警器电路设计自动报警器电路见图7 。时钟电路由两个30P 的电容和12MHz 的晶振构成。复位电路由电阻、电容、二极管和按键开关构成，具有上电复位和手动复位的功能。单片机的INTO 、INT1 分别与盗警、火警传感器相连，实现各种警情的采集。为防止环境干扰信号对触发中断的影响，当响应中断后，对中断信号多次（如5 次）巡检，确认是中断信号时，才去执行中断处理子程序，否则认为是外界干扰信号不执行报警处理，有效降低误报几率。图7 自动报警器电路P2.1 与语音电路相连，实现语音的回放控制。P2.2 接通讯接口转换芯片的数据发送、接收片选端RE (DE）。P2.3

18、与电话接口电路相连，实现模拟摘挂机的控制。P2.4 接探头掉线检测端，单片机对该口定时查询，正常时为高电平，当检测到低电平即发出掉线警报。P2.5 接交流电源掉电报警信号（交流断电后由直流电源继续供电，直流电源放电低于预警值后向自动报警器发直流断电预警信号。P1.0 、P1.1 、Pl.2 为接键盘电路的三根I/0 口线，Pl.3 接紧急呼救按键。Pl.5 接液晶显示器的串行时钟输入端，Pl.6 接液晶显示器的数据输入端。Pl.7 接多路开关CD4O51 的片选端INH , PI.4 、P2.6 分别接多路开关的输入端A 、B 。多路开关输出分别接报警LED 、蜂鸣器，有警报发生时开关的输出I

19、/O 口给出高电平信号。PO.O 、P0.1 、P0.2 和P0.3 分别与MT8888 的DO 、Dl 、D2 和D3 相连，用作数据总线。P2.0 与MT8888 的RSO 相连，控制MT8888 内部寄存器的选择。P2.7 与MT8888 的CS 相连，控制MT8888 的选通。P3.6 、P3.7 分别与MT8888 的WR和RD相连，控制MT8888 的读写。P0.4 、P0.5 接EEPROM 的串行输入和串行输出端，P0.6 、PO.7 分别接EEPROM 的串行时钟输入和片选输入端。量。探测器中DS18B20 采用寄生电源供电方式，保证在有效的DS18B2O 时钟周期内能提供足

20、够的电流，图6 中采用一个MOSFET 管和MCU 的I/O 口来完成对DS18B2O 的总线上拉，然后通过另一I/O 对DS18B2O 进行控制并取得温度值。2.4.5声音报警电路如图8所示：高音报警电路选用12V的高音喇叭作为报警装置，使用SS8050大功率三极管做驱动电路，当SPK为高电平时，三极管导通。反之则截至。本系统中经过软件设置使报警器真实模拟了声音频率均匀拉高，还原、再拉高的过程。形成频率在9761945Hz之间平滑递增的声音效果。实现报警器声音非常逼真。图8 报警电路2.4.6电压比较整形电路 电压比较器的作用是将一个模拟电压与一个参考电压相比较。在二者幅度相等的附近，输出电

21、压将产生越变。本系统应用LM324剩余的两个集成运算比较器构成一个双限电压比较器。双限电压比较器的工作原理，如图9所示： 基准电压分别由(R6+R14)和R14分压提供。当输入电压VO113脚电压时，比较器也输出高电平。而当6引脚电压VO113脚电压时，比较器输出低电平。如图10所示：图10双限电压比较图当人体通过菲涅尔透镜组成的传感器现场时，传感器输出一交变信号。其变化幅度大于13引脚电压，小于6脚电压，才能使比较器输出高电平，否则为低电平，而前级放大器静态时输出电压基本为1/2VCC，处在6引脚和13引脚电压之间，故比较器输出为0。所以两引脚电压的差值越接近1/2VCC，电路的灵敏度越高，

22、但容易因噪声干扰产生误动作，若两引脚的差值远离1/2VCC，电路的可靠性将提高，但灵敏度降低。一般基准电压可按下列式子来计算：V差值=（45）VN式子中VN为噪声电压。传感器给出的噪声电压，是指传感器噪声输出的信号经过70dB以上的放大后的噪声电压的峰-峰值。本产品的噪声电压大约为80mV,所以有V差值=（45）80mV=320400 mV.这样，即照顾到灵敏度，又能保证电路有一定的可靠性。2.4.7执行电路如图11所示,当传感器在无触发信号输入的静态时保持低电平,当有检测信号时,比较器输出一个高电平,经过施密特触发器变为低电平来触发后级的555延迟电路，延迟电路后的三极管饱和导通,发射极变为

23、高电平,继电器动作,常开开关吸合,照明灯接通电源后亮。图11 执行电路2.4.8 LED路设计单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器，简称LED（Light Emitting Diode），近年也有配置CRT显示器的。LED显示器价廉、配置灵活，与单片机接口方便；后者可进行图形显示，但接口较复杂，正本也较高。本系统只需显示数字，不需要显示图形，因此选用LED显示器。在单片机中通常使用七段LED，构成字型“8”，另外还有一个小数点发光二极管以显示数字、符号及小数点，这种显示器有共阴和共阳两种，如图12所示。 图12 LED数码管本系统采用了共阴极的LED，一位显示器由八个发光二极管组

24、成，其中七个发光二极管构成字型“8”的各个笔画ag，另一个小数点为dp发光二极管。当在某段发光二极管上施加一定的正向电压时，该段笔画即亮；不加电压则暗。为了保护各段LED不被损坏，需外加限流电阻。通过采用LED动态显示方式,在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，有一个8位I/O口控制。而共阴公共端分别由相应的I/O线控制，实现各位的分时选通。图13所示为6位共阴极LED动态显示接口电路。 图13 LED动态显示接口电路由于所有6位段选线皆由一个I/O口控制，因此，在每一瞬间，6位LED会显示相同的字符。要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方法轮流点亮各位LE

25、D，即在每一瞬间只使某一位显示字符。在此瞬间，段选控制I/O口输出相应字符段选码（字型码），而位选则控制I/O口在该显示位送入选通电平，以保证该位显示相应字符。如此轮流，使每位分时显示该位应显示字符。段选码、位选码每送入一次后应延时1ms来等待数码管响应，因人眼的视觉暂留时间为0.1s，所以每位显示的间隔不能超过20ms,并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果，给人看上去每个数码管总在亮。第3章 ：系统软件设计 系统软件设计主要是节点的应用程序，采用Neuron C 语言编写，并使用NodeBuilder 节点开发工具进行调试。Neuron C 的任务调度采用事件驱动，当一个给定事件发生的条件

26、为真时，与该事件关联的一段代码( 称为任务) 被执行。事件是通过When语句来定义的，一个When 语句包含一个表达式，当表达式为真时，则表达式后面的任务被执行。安防节点的程序的主要任务如下：初始化：包括本节点子网号、节点号的设置及对网络变量初始化； 将保存在节点E2PROM中的设置参数上传给监控计算机，用以完成对监控计算机上的相关网络变量初始化；检测键盘电路发出的控制信号，执行相应的控制功能和显示功能；检测布防与撤防状态；检测探测器的报警工作类型；向安防控制网络发送本节点的实时信息；当监控计算机下传的参数到达本节点时，执行网络变量要求的相关操作和设置功能。防盗节点的部分程序流程图如图9 所示第4章 ：调试及仿真调试及仿真程序如下几点4.1家庭防盗程序如下：4.2门禁身份识别子程序 本模块实现的功能是识别iButton中的身份信息，并将其以发送至物业监控中心进行识别比对，程序如下：IO_3 input leveldetect io_twire_pres；IO_3 touch io_twire；/定义IO对象network output int