家庭防盜自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 隨著人們工作和生活方式的不斷變化，家庭防盜對(duì)于家庭財(cái)產(chǎn)安全變得越來越重要。文中設(shè)計(jì)了一種基于現(xiàn)代微電子和以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的傳感器單片機(jī)智能防盜系統(tǒng)，可以做到對(duì)家庭內(nèi)部財(cái)產(chǎn)安全發(fā)生威脅時(shí)的自動(dòng)報(bào)警、短信通知甚至是視頻圖像監(jiān)控。
關(guān)鍵詞 家庭防盜；3G網(wǎng)絡(luò)；計(jì)算機(jī)；傳感器；數(shù)據(jù)采集

    隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)的日益成熟，包括各種傳感器向溫度、濕度、紅外或者煙霧傳感器的大面積使用，給家庭防盜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了便利。通過這些新技術(shù)的組合和應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)一些家庭防盜需求。
    隨著3G網(wǎng)絡(luò)在全國范圍內(nèi)的大規(guī)模使用，3G網(wǎng)絡(luò)的高容量帶寬為各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)直接查看家中的監(jiān)控畫面，就是在3G網(wǎng)絡(luò)中完成的。而普通的語音和文字報(bào)警信息則是既可以通過傳統(tǒng)的2G網(wǎng)絡(luò)也可以通過3G網(wǎng)絡(luò)。

1 問題背景
    隨著物質(zhì)生活水平的提高，人們對(duì)于居住環(huán)境的安全、方便、舒適提出了越來越高的要求。以往保護(hù)家庭安全的做法是安裝防盜門、防盜網(wǎng)，既不美觀，又不符合防火要求，而且并不能有效防止犯罪分子對(duì)住宅的入侵，故利用高科技的電子防盜報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。在發(fā)生警情時(shí)，除了現(xiàn)場報(bào)警外，還可以直接呼叫主人預(yù)留的手機(jī)，對(duì)于3G手機(jī)，可以直接查看家庭監(jiān)控畫面，以便警情得到迅速處理。另外，該系統(tǒng)也可預(yù)防火災(zāi)、氣體泄漏等危險(xiǎn)，它改善了傳統(tǒng)的防范設(shè)施只防不報(bào)的弱點(diǎn)，給家庭帶來全新的安全。
    系統(tǒng)可以支持現(xiàn)場報(bào)警，還可以支持通過3G網(wǎng)絡(luò)訪問家庭計(jì)算機(jī)管理終端和進(jìn)行現(xiàn)場視頻查看。如果將系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，甚至可以通過手機(jī)對(duì)家庭中的所需傳感器進(jìn)行操控。

2 系統(tǒng)的組成
    家庭防盜自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)主要由傳感器陣列、放大器陣列、采樣／保持陣列、A／D轉(zhuǎn)換器陣列、單片機(jī)系統(tǒng)、2G／3G模塊、攝錄系統(tǒng)以及監(jiān)控計(jì)算機(jī)等設(shè)備組成。將家庭防盜自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)分以下幾個(gè)組成部分如圖1所示。

    (1)傳感器陣列是指在家庭防盜自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)所容納的范圍的左右傳感器的總和，在家庭室內(nèi)的所有傳感器都被連接到傳感器陣列上進(jìn)行統(tǒng)一控制和管理。傳感器的正常工作以及感應(yīng)靈敏度，直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度和報(bào)警正確率。常見的紅外傳感器的工作原理，是通過探測其他物體發(fā)射的紅外線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行工作的，可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。本系統(tǒng)可以通過室內(nèi)布放的被動(dòng)式紅外傳感器對(duì)入室的“盜賊”身上發(fā)出的紅外線進(jìn)行探測的原理進(jìn)行報(bào)警。選擇布放紅外傳感器的位置對(duì)本系統(tǒng)的識(shí)別率有較大的影響，該問題可以通過實(shí)驗(yàn)解決。還有一種主動(dòng)式紅外傳感器布放在窗戶和門的兩側(cè)，這類紅外傳感器通過一個(gè)發(fā)射器發(fā)射紅外線給另外一個(gè)接收，一旦有“盜賊”非法進(jìn)入，切斷紅外線的傳播路徑時(shí)將會(huì)觸發(fā)紅外線傳感器動(dòng)作。對(duì)于震動(dòng)傳感器，可以通過感知其周圍的微小震動(dòng)來觸發(fā)自己工作。
    (2)放大器陣列是所有工作用放大器的總稱，它將各種工作用放大器集中起來進(jìn)行統(tǒng)一管理。在本系統(tǒng)中，被檢測的物理量經(jīng)由傳感器變換成模擬的電信號(hào)，往往是微弱的微伏級(jí)信號(hào)，不能被直接處理，所以要通過添加前置放大器對(duì)傳感器得到的電信號(hào)進(jìn)行放大。
    (3)采樣／保持陣列是采樣保持器的總稱。從放大器發(fā)出的電信號(hào)要經(jīng)過采樣保持器進(jìn)行采樣，并且要在測量時(shí)間內(nèi)將該信號(hào)進(jìn)行保持，以便有足夠的時(shí)間對(duì)測量信號(hào)進(jìn)行處理。實(shí)際使用中需要通過測試來確定采樣保持器的采樣頻率和保持時(shí)間，以滿足家庭防盜自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)時(shí)報(bào)警需要。
    (4)A／D轉(zhuǎn)換器陣列包括了對(duì)所有從放大器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換的功能，以便被計(jì)算機(jī)處理。至于A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率，也要通過實(shí)際的測試來確定。
    (5)單片機(jī)系統(tǒng)用來處理來自A／D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)，并進(jìn)行統(tǒng)一的編碼處理，以便之后計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一編程。另外，單片機(jī)系統(tǒng)同時(shí)要對(duì)來自A／D的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一的預(yù)處理，如加權(quán)、平均以及去除干擾信號(hào)的過程，以使發(fā)送給計(jì)算機(jī)的信號(hào)都是可以使用進(jìn)行過編碼和預(yù)處理后的信號(hào)。
    (6)攝錄系統(tǒng)是為監(jiān)控家庭室內(nèi)情況以及在必要時(shí)候攝錄“盜賊”作案現(xiàn)場，作為以后的犯罪證據(jù)使用，該系統(tǒng)可以不放在室內(nèi)的需要重要監(jiān)控保護(hù)的位置。
    (7)2G／3G模塊是用于向外發(fā)射數(shù)據(jù)的模塊。在2G模塊下，監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以將報(bào)警信號(hào)以語音或者短信的形式發(fā)送到主人手機(jī)。在3G模塊下，監(jiān)控計(jì)算機(jī)除了可以發(fā)送語音和短信報(bào)警信號(hào)外，還可以通過3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行室內(nèi)視頻監(jiān)看。
    (8)監(jiān)控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)處理來自單片機(jī)系統(tǒng)的已編碼信號(hào)。已編碼信號(hào)按照預(yù)定格式進(jìn)入到監(jiān)控計(jì)算機(jī)后，監(jiān)控計(jì)算機(jī)按照預(yù)定程序?qū)@些信號(hào)進(jìn)行處理，如果是常規(guī)信號(hào)，計(jì)算機(jī)只做日常采樣日志處理。如果是預(yù)置的“盜賊”威脅信號(hào)，則啟動(dòng)預(yù)置的自動(dòng)報(bào)警程序，并可以進(jìn)行錄像。

3 系統(tǒng)工作原理
    家庭防盜自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的系統(tǒng)報(bào)警流程圖如圖2所示。

    (1)非法入侵階段。包括采取鑰匙、推拉以及暴力破換門窗進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域的行為。在門和窗戶兩側(cè)，安裝主動(dòng)式紅外線傳感器，只要有非法入侵，截?cái)嗉t外線傳感器的紅外線光束，都會(huì)觸發(fā)紅外線傳感器動(dòng)作。
    另外在房內(nèi)，裝有被動(dòng)式的紅外線傳感器和震動(dòng)傳感器，當(dāng)非法入侵在僥幸進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行活動(dòng)，將會(huì)觸發(fā)這兩種傳感器動(dòng)作，從而產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。一旦報(bào)警信號(hào)產(chǎn)生，就會(huì)觸發(fā)預(yù)設(shè)流程。
    (2)異常信號(hào)相對(duì)于正常信號(hào)。平時(shí)監(jiān)控計(jì)算機(jī)只對(duì)正常信號(hào)做日常監(jiān)測和日志記錄。一旦有非法入侵發(fā)生時(shí)，傳感器就會(huì)發(fā)出相應(yīng)的異常動(dòng)作信號(hào)，而這些異常信號(hào)經(jīng)過放大、采樣保存、A／D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)處理以及相應(yīng)的編碼后，就會(huì)變成監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以直接讀取的異常信號(hào)。這些異常信號(hào)將會(huì)由單片機(jī)通過專用信號(hào)線直接發(fā)送給監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行下一步動(dòng)作。
    (3)監(jiān)控計(jì)算機(jī)。當(dāng)計(jì)算機(jī)接到異常信號(hào)后，將根據(jù)自己數(shù)據(jù)庫中記錄的報(bào)警類型和警情位置進(jìn)行處理。比如，當(dāng)入侵發(fā)生在正門時(shí)，計(jì)算機(jī)將根據(jù)初始數(shù)據(jù)庫的設(shè)置將正門的警情以及相應(yīng)的報(bào)警種類發(fā)送給警情處理程序，有警情處理程序按照預(yù)定的設(shè)置完成整個(gè)報(bào)警。
    (4)警情處理。監(jiān)控計(jì)算機(jī)接到警情報(bào)告后，將會(huì)以聲光警告的形式對(duì)非法入侵進(jìn)行聲光警告，同時(shí)啟動(dòng)監(jiān)控?cái)z錄程序進(jìn)行拍攝，并向報(bào)警平臺(tái)發(fā)送報(bào)警信息。如果入侵者中止侵入并退出，則聲光告警停止，但攝錄程序和報(bào)警程序繼續(xù)工作。如果聲光警告后，入侵活動(dòng)仍在進(jìn)行，則除上述流程外，還可以根據(jù)預(yù)設(shè)程序直接呼叫110。
    在警情處理過程中，監(jiān)控計(jì)算機(jī)將會(huì)通過2G／3G模塊向主人手機(jī)直接發(fā)送報(bào)警呼叫和預(yù)先編制好的報(bào)警位置和報(bào)警類型。如果使用3G模塊，則會(huì)通過3G網(wǎng)絡(luò)將攝錄機(jī)的視頻畫面直接傳到主人手機(jī)上，主人可以根據(jù)情況決定處理過程。
    (5)警情反饋。當(dāng)主人手機(jī)接到報(bào)警電話或短信時(shí)，可以根據(jù)預(yù)先編制的程序直接從電話或短信中獲知警情位置和報(bào)警類型。若是3G手機(jī)，可以直接實(shí)時(shí)查看監(jiān)控?cái)z像頭的監(jiān)控范圍，從而決定是直接處理還是向公安部門報(bào)警求助。若是誤報(bào)警，可以通過手機(jī)方式經(jīng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)將系統(tǒng)復(fù)位。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，可分為單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)、系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)、警情處理模塊設(shè)計(jì)以及報(bào)警處理模塊設(shè)計(jì)4個(gè)部分。這里只對(duì)系統(tǒng)控制模塊初始化和警情處理模塊的中斷處理軟件設(shè)計(jì)流程敘述。

    圖3給出了系統(tǒng)控制模塊初始化的流程圖。該過程將系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行初始化，保證系統(tǒng)的各個(gè)部分正常工作。在系統(tǒng)的日常工作中，按照預(yù)先設(shè)定的控制流程對(duì)各個(gè)傳感器端口進(jìn)行檢測操作并計(jì)入日志。

    圖4給出了警情處理模塊的中斷處理過程。從流程圖中的判斷語句可以看出，無論是報(bào)警還是報(bào)警后的反饋，都要求有相應(yīng)的干預(yù)，否則系統(tǒng)將會(huì)反復(fù)地提醒直到主人通過手機(jī)發(fā)回反饋為止。

5 使用案例
    天藍(lán)花園是鄭州市北部的一居民小區(qū)，有1 000多住戶，南于遠(yuǎn)離市區(qū)，治安環(huán)境較差。本系統(tǒng)采用和本地通信運(yùn)營商提供的3G通道合作的基礎(chǔ)上在本小區(qū)實(shí)驗(yàn)布放50戶設(shè)備，安裝成本每戶約2 000元。經(jīng)過近半年的使用，設(shè)備工作良好，這些用戶不僅實(shí)現(xiàn)了零被盜，而且可以直接通過手機(jī)查看家中情況。所以，該系統(tǒng)不僅經(jīng)濟(jì)，而且實(shí)用性強(qiáng)。

6 需要注意的問題
    (1)各傳感器動(dòng)作閾值要預(yù)先試驗(yàn)設(shè)定，避免誤動(dòng)作。
    (2)被動(dòng)式紅外線傳感器的布放位置應(yīng)該盡可能的兼顧整個(gè)室內(nèi)面積。
    (3)可以對(duì)聲光警告設(shè)定不同的級(jí)別以震懾非法侵入者。
    (4)所有的預(yù)處理工作都交由單片機(jī)完成，送入計(jì)算機(jī)的為已編碼數(shù)據(jù)。
    (5)可以增設(shè)煙霧、溫度、濕度等傳感器來增強(qiáng)告警種類。
    (6)對(duì)于報(bào)警短信應(yīng)預(yù)先設(shè)置理解的格式。

7 結(jié)束語
    設(shè)計(jì)了一種新型的家庭防盜自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)家庭無人時(shí)的室內(nèi)安全監(jiān)控。另外，使用者可以利用3G網(wǎng)絡(luò)直接經(jīng)由監(jiān)控?cái)z像頭查看自己室內(nèi)的各種情況。同時(shí)，可以通過擴(kuò)展程序?qū)κ覂?nèi)的相應(yīng)部位進(jìn)行編碼，通過手機(jī)甚至可以操作自己家內(nèi)的譬如微波爐之類的電器動(dòng)作。