無線網技術的區域家庭防盜報警系統原理與設計

引言
??? 近年來，隨著生活水平的提高，家庭住宅面積不斷擴大，居住環境越來越好，人們的居住質量有了明顯的改善。同時，科技的日新月異帶動了電子類產品的快速發展，尤其是家用電子類產品已經成為人們生活必不可少的一部分。為家庭和小區用戶提供安防保障的家庭防盜報警系統也已走近人們的家庭。
??? 本系統利用單片機控制技術、無線傳感器網絡技術和GSM移動通信技術，實現一種具有聯網功能的智能防盜系統。該系統采用GSM移動通信技術，可以使小區安防人員和用戶及時收到報警信息，在第一時間趕赴現場，從而使用戶損失降到最低。采用無線數據傳輸方式，可以輕松組網。報警網絡可大可小，小到家庭獨立使用、小區組網，大到地區組網。采用無線數據傳輸方式，不需要重新布線，可隨意放置監視探頭，非常適合小區及家庭使用。

1 智能防盜報警系統工作原理
??? 智能防盜報警系統主要由4部分組成：無線防盜報警探頭、家庭主機、小區主機、地區主機。
??? 無線防盜報警探頭一般安裝在用戶住宅的窗戶上，其外形小巧美觀，可以直接貼在窗戶上。防盜報警探頭通過對振動和紅外熱源的雙重探測原理，確認盜賊的入侵。當發現警情后立即啟動自身聲光報警，震懾入侵者，同時通過無線數據傳輸方式將報警信息傳送給家庭報警主機。家庭報警主機立即將報警信息通過短信的方式發送到用戶手機、小區或地區的報警主機，同時可啟動大功率的室內聲光報警裝置，阻止進一步的侵犯行為。
??? (1)無線防盜報警探頭
??? 采用振動傳感器和紅外熱釋電傳感器雙重監測原理確認盜賊存在，保證了報警的準確性。該探頭采用低功耗設計技術，功耗低，使用紐扣電池供電能夠工作一年以上。每一個無線防盜報警探頭均有唯一ID號碼，可以與其安裝的實際位置進行匹配。通過用戶主機可以隨時修改這些位置設置，用戶可以通過報警短信收到報警的精確位置(具體到用戶住宅的窗戶位置)，便于通知相關人員盡快到達事故現場。
??? (2)家庭主機
??? 可以發送報警短信，而且在居室內啟動聲光報警。預留大功率的電磁繼電器，可以驅動其他家電進行報警等動作。報警對象可以進行分組管理(家人、朋友、保安等)，以便根據優先級通知最近人員盡快到達事故現場，減小用戶損失。
??? (3)小區主機和地區主機
??? 主要是根據報警短信內容識別報警所在位置。根據報警短信內容查詢地理信息識別系統，盡快派出最近的安保人員到達事發現場。小區主機和地區主機有用戶注冊管理功能，管理本轄區的人網用戶群，同時通過數據庫系統管理報警日志。

2 智能防盜報警系統設計方案
2．1 無線防盜報警探頭設計方案
??? 無線防盜報警探頭安裝于居室的各個窗戶上，體積小巧，功耗低，可直接貼在窗戶上，當發現盜賊入侵時可以獨立聲光報警，并發送無線報警信號到家庭主機。硬件結構如圖1所示。

??? (1)低功耗設計
??? 無線防盜報警探頭采用紐扣電池供電，需要低功耗的處理器。本方案選用Atreel公司的ATtiny44處理器。ATtiny是Atmel公司的低功耗系列產品，ATtiny44具有3種可單獨選擇的低功耗休眠模式，使ATtiny44在電池供電設備上有良好的表現。應用軟件可在需要時調整系統時鐘頻率以達到最佳功耗性能，例如在系統閑置時調慢微處理器部分模塊的時鐘頻率。利用AVR Power Stop System，用戶停止使用微處理器時可以關閉定時器、ADC等能耗模塊，ATtiny44在掉電(PowerDown)模式下耗電量還不到10O nA。要求無線傳感器的體積盡可能小，以便安裝，ATti-ny44小巧的封裝也使得整個無線傳感器體積大為縮小。ATtiny44平時工作在掉電狀態下，為功耗最小模式。當有報警信號時處理器從中斷中喚醒，判斷是否為盜賊入侵，如果不是則重新回到掉電模式，如果是盜賊入侵則啟動無線發射模塊發射無線報警信息。
??? (2)紅外熱釋電傳感器
??? 在自然界，任何高于絕對溫度(-273 K)的物體都將產生紅外光譜，不同溫度的物體釋放的紅外波長是不一樣的，紅外波長與溫度相關，而且輻射能量的大小與物體表面溫度有關。人體都有恒定的體溫，一般在37℃左右，會發出10 mm左右特定波長的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發射的紅外線而進行工作的。被動紅外探頭的傳感器包含2個串聯的熱釋電元件，2個電極化方向正好相反，環境背景輻射對2個熱釋電元件幾乎具有相同的作用，使其產生釋電效應相互抵消，此時探測器無信號輸出。紅外線通過菲涅耳濾光片增強后聚集到熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，經檢測處理后就能產生報警信號。
??? (3)無線發射模塊
??? 無線傳感器的無線發射模塊選用的是Chipcon公司的CCll50單發芯片。CCll50具有豐富的頻率資源，需要極少的外部元件。CCll50具有休眠狀態，在沒有報警信息的時候，可以將其設置為休眠狀態，減少電池的電量消耗。當有報警信息時，無線發射模塊被喚醒，發射報警信號完成后無線發射模塊關閉。
2．2 家庭主機設計方案
??? 家庭主機是整個家庭智能防盜報警系統的核心，其自身既可以在收到報警信號后獨立報警，驅走盜賊，還能發送報警短信到小區主機和地區主機，通知安防人員盡快到來。家庭主機硬件結構如圖2所示。

??? (1)無線收發模塊
??? 家庭主機采用Chipcon公司的CCllOO無線收發芯片，該芯片可與CCll50單發芯片匹配使用，具有豐富的頻率資源，接收靈敏度高，完全可以滿足室內無線傳感器信號的接收任務。當接收到無線報警信號后，CCll00將接收到的數據傳輸給單片機，單片機對數據進行分析，然后發出聲光報警和短信報警信息。

??? (2)無線傳感器網絡
??? 無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取平臺，能夠實時監測和采集網絡分布區域內的各種監測對象的信息，并將這些信息發送到網關節點，以實現指定范圍內的目標檢測與跟蹤，具有展開快速、抗毀性強等特點。區域家庭智能防盜報警系統利用了無線傳感器網絡原理布設了無線智能防盜報警網絡，其中無線防盜報警探頭為簇內節點，家庭主機為簇頭節點，小區主機為網關節點。無線防盜報警探頭的報警信息可以及時匯聚到小區主機，小區主機及時反映，使安防人員能夠快速響應。無線傳感器網絡結構如圖3所示。

??? (3)微處理器
??? 家庭主機對微處理器的要求稍高，微處理器同時連接無線收發模塊和GSM模塊，并有上位機通信接口。本方案選用ATmegal28微處理器，ATmegal28有2個串口，還有SPI接口，可以滿足上述功能要求。另外，還具有豐富的I／O口資源，可以用來驅動聲光報警和繼電器的動作。ATmegal28內置4 KB的EEPROM，可擦寫100 000次。因為家庭主機需要管理無線防盜報警探頭的位置信息及ID，存儲報警用戶的報警電話、報警短信內容、報警次數等，所以4 KB的EEPROM可以很好地解決這個問題。當微處理器從無線收發模塊接收到報警信息后，需要對數據進行分析，查找已激活的無線傳感器列表，找到與ID號相對應的傳感器，讀出其具體位置信息，將位置信息插入到已預置的報警短信后，按照報警用戶列表依次通過GSM模塊發送給報警用戶。
??? (4)GSM模塊
??? GSM網絡通信質量高，保密性好，網絡容量大，抗干擾能力強，可實現全球自動漫游，并為用戶提供了語音、數據、短信息等多種業務，是目前我國最成熟、最完善、覆蓋面最廣、應用最廣泛的移動通信系統。GSM網絡的短消息是通過信令信道傳輸信息，為GSM通信網所特有。它不用撥號建立連接，可直接把要發的信息加上信宿先發送到短消息服務中心SMSC，再由SMSC在適當的時刻轉發給最終的信宿。短消息業務與話音傳輸及傳真一樣，同為GSM數字蜂窩移動通信網絡提供的主要電信業務。它通過無線控制信道進行傳輸，經短消息業務中心完成存儲和前轉功能，每條短消息可以發送70個漢字，可以包含報警用戶名稱、報警地點的具體地址和無線防盜報警探頭的安放位置，清晰地描述出事發現場位置，保證安保人員能夠在第一時間到達事發現場。
??? (5)鍵盤及顯示
??? 鍵盤可以用來設置家庭報警器的各種功能，通過顯示可以看到家庭報警主機的各個狀態。基本的配置操作可以通過鍵盤來設置，一些高級的設置需要通過安裝在電腦上的配置軟件進行設置。基本配置可以使報警系統正常工作，一些不方便使用電腦的用戶也能輕松使用此報警系統。基本的配置操作包括家庭防盜報警器的開關，報警用戶的設置、啟用激活和分組管理，無線防盜報警探頭的注冊和啟用激活，簡單報警日志的管理。
??? (6)配置軟件
??? 家庭主機配有配置軟件，安裝于家用電腦中。配置軟件的主要作用有：
??? ①報警用戶設置。可以設置報警用戶的姓名、手機號和啟用狀態，可以進行分組管理，區分不同報警用戶的優先級。
??? ②無線防盜報警探頭設置。可以設置無線報警的ID號碼、無線防盜報警探頭放置的窗戶位置和啟用狀態。
??? ③報警短信設置。設置報警短信的預置內容，當有無線防盜報警探頭發送報警信息時，只需要將戶主名稱和無線防盜報警探頭的位置信息插入預置的報警短信，就可以直接交由GSM模塊發送出去。
??? ④報警日志管理。可以查看最近的報警信息詳情，管理報警記錄信息。
2．3 小區主機設計方案
??? 小區主機主要是進行居民小區內的用戶管理，安防范圍覆蓋整個小區，適合于小區保安部門安裝，對整個小區進行安全防護監管，小區主機硬件結構如圖4所示。

??? (1)GSM模塊
??? 同家庭報警主機一樣，小區主機配備了一樣的GSM通信模塊，當GSM模塊收到報警信號后，立即將報警信息傳送給微處理器，微處理器將短信信息通過串口傳遞給上位機軟件。
??? (2)報警功能
??? 軟件的主要功能是收到微處理器傳送的報警信息后，及時顯示出來，同時發出聲光報警，提醒值班人員快速做出反應，盡快到達事發現場。
??? (3)數據管理
??? 小區主機的用戶比較多，需要使用數據庫進行管理。上位機使用sQL server進行用戶數據管理。上位機軟件進行小區內的用戶管理，小區的用戶首次使用報警系統時，需要用戶通過向小區主機發送注冊短信，或者到小區主機以人工輸入的方式登記注冊個人信息，建立小區報警用戶的數據庫。上位機軟件管理報警日志，對每次的報警都詳細記錄，方便事后查找。
2．4 地區主機設計方案
??? 地區主機的管理范圍涉及整個地區，可能包含地區內的若干個小區，用戶更加龐大，適合于地區的公安部門安裝，可以有效協助管理地區治安。地區主機的硬件結構與小區主機的硬件結構相同，但上位機軟件功能更加強大，擁有更強的數據庫管理功能和地圖定位系統。由于地區主機管理范圍的逐漸擴大，報警方式有可能并行發生，所以最直觀的呈現方式就是當有報警發生時能夠在地圖中直接顯示其確切位置。所以地區主機具有良好的地圖數據信息，可根據報警信息的地址內容，查詢地理信息數據，將與報警信息對應的地理位置直接顯示在地圖上。如果能配合警力GPS定位系統，可使警方更快到達事發現場，將用戶損失降到最低。

結語
??? 本文闡述了區域家庭智能防盜報警系統的設計。現場調試證明無線防盜報警探頭的報警響應及時且準確無誤，其自身的聲光報警動作能夠對盜賊起到震懾作用。家庭主機可以及時接收報警信號，驅動更大的聲光報警，同時戶主、其他報警用戶、小區主機和地區主機能夠快速收到包含精確報警位置的報警短信，有效指導小區和地區的安防人員快速到達事發現場。這套系統可以有效防止盜賊入侵，滿足不同家庭用戶的安防需求，還可以協助小區和地區管理治安，有很好的應用效果。