无线网技术的区域家庭防盗报警系统原理与设计

无线网技术的区域家庭防盗报警系统原理与设计

引言
    近年来，随着生活水平的提高，家庭住宅面积不断扩大，居住环境越来越好，人们的居住质量有了明显的改善。同时，科技的日新月异带动了电子类产品的快速发展，尤其是家用电子类产品已经成为人们生活必不可少的一部分。为家庭和小区用户提供安防保障的家庭防盗报警系统也已走近人们的家庭。
    本系统利用单片机控制技术、无线传感器网络技术和GSM移动通信技术，实现一种具有联网功能的智能防盗系统。该系统采用GSM移动通信技术，可以使小区安防人员和用户及时收到报警信息，在第一时间赶赴现场，从而使用户损失降到最低。采用无线数据传输方式，可以轻松组网。报警网络可大可小，小到家庭独立使用、小区组网，大到地区组网。采用无线数据传输方式，不需要重新布线，可随意放置监视探头，非常适合小区及家庭使用。

1 智能防盗报警系统工作原理
    智能防盗报警系统主要由4部分组成：无线防盗报警探头、家庭主机、小区主机、地区主机。
    无线防盗报警探头一般安装在用户住宅的窗户上，其外形小巧美观，可以直接贴在窗户上。防盗报警探头通过对振动和红外热源的双重探测原理，确认盗贼的入侵。当发现警情后立即启动自身声光报警，震慑入侵者，同时通过无线数据传输方式将报警信息传送给家庭报警主机。家庭报警主机立即将报警信息通过短信的方式发送到用户手机、小区或地区的报警主机，同时可启动大功率的室内声光报警装置，阻止进一步的侵犯行为。
    (1)无线防盗报警探头
    采用振动传感器和红外热释电传感器双重监测原理确认盗贼存在，保证了报警的准确性。该探头采用低功耗设计技术，功耗低，使用纽扣电池供电能够工作一年以上。每一个无线防盗报警探头均有唯一ID号码，可以与其安装的实际位置进行匹配。通过用户主机可以随时修改这些位置设置，用户可以通过报警短信收到报警的精确位置(具体到用户住宅的窗户位置)，便于通知相关人员尽快到达事故现场。
    (2)家庭主机
    可以发送报警短信，而且在居室内启动声光报警。预留大功率的电磁继电器，可以驱动其他家电进行报警等动作。报警对象可以进行分组管理(家人、朋友、保安等)，以便根据优先级通知最近人员尽快到达事故现场，减小用户损失。
    (3)小区主机和地区主机
    主要是根据报警短信内容识别报警所在位置。根据报警短信内容查询地理信息识别系统，尽快派出最近的安保人员到达事发现场。小区主机和地区主机有用户注册管理功能，管理本辖区的人网用户群，同时通过数据库系统管理报警日志。

2 智能防盗报警系统设计方案
2．1 无线防盗报警探头设计方案
    无线防盗报警探头安装于居室的各个窗户上，体积小巧，功耗低，可直接贴在窗户上，当发现盗贼入侵时可以独立声光报警，并发送无线报警信号到家庭主机。硬件结构如图1所示。

    (1)低功耗设计
    无线防盗报警探头采用纽扣电池供电，需要低功耗的处理器。本方案选用Atreel公司的ATtiny44处理器。ATtiny是Atmel公司的低功耗系列产品，ATtiny44具有3种可单独选择的低功耗休眠模式，使ATtiny44在电池供电设备上有良好的表现。应用软件可在需要时调整系统时钟频率以达到最佳功耗性能，例如在系统闲置时调慢微处理器部分模块的时钟频率。利用AVR Power Stop System，用户停止使用微处理器时可以关闭定时器、ADC等能耗模块，ATtiny44在掉电(PowerDown)模式下耗电量还不到10O nA。要求无线传感器的体积尽可能小，以便安装，ATti-ny44小巧的封装也使得整个无线传感器体积大为缩小。ATtiny44平时工作在掉电状态下，为功耗最小模式。当有报警信号时处理器从中断中唤醒，判断是否为盗贼入侵，如果不是则重新回到掉电模式，如果是盗贼入侵则启动无线发射模块发射无线报警信息。
    (2)红外热释电传感器
    在自然界，任何高于绝对温度(-273 K)的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体释放的红外波长是不一样的，红外波长与温度相关，而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。人体都有恒定的体温，一般在37℃左右，会发出10 mm左右特定波长的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。被动红外探头的传感器包含2个串联的热释电元件，2个电极化方向正好相反，环境背景辐射对2个热释电元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，此时探测器无信号输出。红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，经检测处理后就能产生报警信号。
    (3)无线发射模块
    无线传感器的无线发射模块选用的是Chipcon公司的CCll50单发芯片。CCll50具有丰富的频率资源，需要极少的外部元件。CCll50具有休眠状态，在没有报警信息的时候，可以将其设置为休眠状态，减少电池的电量消耗。当有报警信息时，无线发射模块被唤醒，发射报警信号完成后无线发射模块关闭。
2．2 家庭主机设计方案
    家庭主机是整个家庭智能防盗报警系统的核心，其自身既可以在收到报警信号后独立报警，驱走盗贼，还能发送报警短信到小区主机和地区主机，通知安防人员尽快到来。家庭主机硬件结构如图2所示。

    (1)无线收发模块
    家庭主机采用Chipcon公司的CCllOO无线收发芯片，该芯片可与CCll50单发芯片匹配使用，具有丰富的频率资源，接收灵敏度高，完全可以满足室内无线传感器信号的接收任务。当接收到无线报警信号后，CCll00将接收到的数据传输给单片机，单片机对数据进行分析，然后发出声光报警和短信报警信息。

    (2)无线传感器网络
    无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种监测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现指定范围内的目标检测与跟踪，具有展开快速、抗毁性强等特点。区域家庭智能防盗报警系统利用了无线传感器网络原理布设了无线智能防盗报警网络，其中无线防盗报警探头为簇内节点，家庭主机为簇头节点，小区主机为网关节点。无线防盗报警探头的报警信息可以及时汇聚到小区主机，小区主机及时反映，使安防人员能够快速响应。无线传感器网络结构如图3所示。

    (3)微处理器
    家庭主机对微处理器的要求稍高，微处理器同时连接无线收发模块和GSM模块，并有上位机通信接口。本方案选用ATmegal28微处理器，ATmegal28有2个串口，还有SPI接口，可以满足上述功能要求。另外，还具有丰富的I／O口资源，可以用来驱动声光报警和继电器的动作。ATmegal28内置4 KB的EEPROM，可擦写100 000次。因为家庭主机需要管理无线防盗报警探头的位置信息及ID，存储报警用户的报警电话、报警短信内容、报警次数等，所以4 KB的EEPROM可以很好地解决这个问题。当微处理器从无线收发模块接收到报警信息后，需要对数据进行分析，查找已激活的无线传感器列表，找到与ID号相对应的传感器，读出其具体位置信息，将位置信息插入到已预置的报警短信后，按照报警用户列表依次通过GSM模块发送给报警用户。
    (4)GSM模块
    GSM网络通信质量高，保密性好，网络容量大，抗干扰能力强，可实现全球自动漫游，并为用户提供了语音、数据、短信息等多种业务，是目前我国最成熟、最完善、覆盖面最广、应用最广泛的移动通信系统。GSM网络的短消息是通过信令信道传输信息，为GSM通信网所特有。它不用拨号建立连接，可直接把要发的信息加上信宿先发送到短消息服务中心SMSC，再由SMSC在适当的时刻转发给最终的信宿。短消息业务与话音传输及传真一样，同为GSM数字蜂窝移动通信网络提供的主要电信业务。它通过无线控制信道进行传输，经短消息业务中心完成存储和前转功能，每条短消息可以发送70个汉字，可以包含报警用户名称、报警地点的具体地址和无线防盗报警探头的安放位置，清晰地描述出事发现场位置，保证安保人员能够在第一时间到达事发现场。
    (5)键盘及显示
    键盘可以用来设置家庭报警器的各种功能，通过显示可以看到家庭报警主机的各个状态。基本的配置操作可以通过键盘来设置，一些高级的设置需要通过安装在电脑上的配置软件进行设置。基本配置可以使报警系统正常工作，一些不方便使用电脑的用户也能轻松使用此报警系统。基本的配置操作包括家庭防盗报警器的开关，报警用户的设置、启用激活和分组管理，无线防盗报警探头的注册和启用激活，简单报警日志的管理。
    (6)配置软件
    家庭主机配有配置软件，安装于家用电脑中。配置软件的主要作用有：
    ①报警用户设置。可以设置报警用户的姓名、手机号和启用状态，可以进行分组管理，区分不同报警用户的优先级。
    ②无线防盗报警探头设置。可以设置无线报警的ID号码、无线防盗报警探头放置的窗户位置和启用状态。
    ③报警短信设置。设置报警短信的预置内容，当有无线防盗报警探头发送报警信息时，只需要将户主名称和无线防盗报警探头的位置信息插入预置的报警短信，就可以直接交由GSM模块发送出去。
    ④报警日志管理。可以查看最近的报警信息详情，管理报警记录信息。
2．3 小区主机设计方案
    小区主机主要是进行居民小区内的用户管理，安防范围覆盖整个小区，适合于小区保安部门安装，对整个小区进行安全防护监管，小区主机硬件结构如图4所示。

    (1)GSM模块
    同家庭报警主机一样，小区主机配备了一样的GSM通信模块，当GSM模块收到报警信号后，立即将报警信息传送给微处理器，微处理器将短信信息通过串口传递给上位机软件。
    (2)报警功能
    软件的主要功能是收到微处理器传送的报警信息后，及时显示出来，同时发出声光报警，提醒值班人员快速做出反应，尽快到达事发现场。
    (3)数据管理
    小区主机的用户比较多，需要使用数据库进行管理。上位机使用sQL server进行用户数据管理。上位机软件进行小区内的用户管理，小区的用户首次使用报警系统时，需要用户通过向小区主机发送注册短信，或者到小区主机以人工输入的方式登记注册个人信息，建立小区报警用户的数据库。上位机软件管理报警日志，对每次的报警都详细记录，方便事后查找。
2．4 地区主机设计方案
    地区主机的管理范围涉及整个地区，可能包含地区内的若干个小区，用户更加庞大，适合于地区的公安部门安装，可以有效协助管理地区治安。地区主机的硬件结构与小区主机的硬件结构相同，但上位机软件功能更加强大，拥有更强的数据库管理功能和地图定位系统。由于地区主机管理范围的逐渐扩大，报警方式有可能并行发生，所以最直观的呈现方式就是当有报警发生时能够在地图中直接显示其确切位置。所以地区主机具有良好的地图数据信息，可根据报警信息的地址内容，查询地理信息数据，将与报警信息对应的地理位置直接显示在地图上。如果能配合警力GPS定位系统，可使警方更快到达事发现场，将用户损失降到最低。

结语
    本文阐述了区域家庭智能防盗报警系统的设计。现场调试证明无线防盗报警探头的报警响应及时且准确无误，其自身的声光报警动作能够对盗贼起到震慑作用。家庭主机可以及时接收报警信号，驱动更大的声光报警，同时户主、其他报警用户、小区主机和地区主机能够快速收到包含精确报警位置的报警短信，有效指导小区和地区的安防人员快速到达事发现场。这套系统可以有效防止盗贼入侵，满足不同家庭用户的安防需求，还可以协助小区和地区管理治安，有很好的应用效果。