学生公寓安防测控系统研究与设计删减版Word下载.docx
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第一章概述
1.1课题研究背景
随着国民经济的发展和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、控制技术的飞速发展和广泛应用,人们的生活逐渐由现代化向智能化方向发展。
开始出现了诸如智能化仪表、智能化家电、智能化汽车、智能化住宅等具有不同智能程度的产品。
其中智能住宅的概念起源于美国，其发展也最为迅猛。
智能化住宅是信息化社会的产物，住宅智能化的内容一般包括：
住宅安全自动化（SA），通信自动化（CA），保健自动化（HA）和管理自动化（MA），因此也称为4A系统[3]。
所谓智能化小区，即是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，为住户营造一个安全、自由、舒适的现代居家生活环境[1]。
继美国之后，欧洲、日本、新加坡等国家住宅智能化也得到了飞速发展。
例如欧洲一个叫INTEGER的组织于1998年建造了一座智能建筑，它包括环保、节能、智能控制等许多特色。
德国费劳恩霍夫研究会与11家公司联手合作，建成世界首座样板智能住宅，其内部完全实现了电子化和网络化。
在我国智能住宅这一概念推广较晚，但其发展的速度也很快。
全国已建立了一些具有一定智能化功能的住宅小区。
目前，美国、日本、欧洲等发达国家正在尝试着用现代高新技术建设智能型生态住宅和智能型家居环境，向实现人类聚居环境的“可持续发展技术”方面发展。
美国的“智能塑料屋”称得上是这方面的典范，这种房屋的主要特点是:
通过微机控制系统使房屋的塑料玻璃改变颜色，使之充分利用自然能源对室内的照明、室温、水温等进行自动调节。
还有位于日本东京西部的一幢智能住宅，可由微机控制系统根据天气的温度、湿度、风力等情况自动调节窗户的开闭，以保持室内的最佳环境。
如当天气不好或刮风下雨，窗户马上自动关闭，空调随即开始工作。
看电视时如有电话铃响，则电视音量自动降低，晚间音响设备或外界噪音超过一定分贝时，家庭智能控制器自动启动隔音设备，以免影响他人和自身休息。
此外，美国的MIT实验室正在研究一种高科技的住宅智能化系统，该系统是通过生物传感器对人的生理行为进行感知，并把感知到的信息传给家庭智能控制器去分析、处理，随后根据分析判断的结果自动控制和调节居住系统，使室内环境始终达到最佳状态。
Intel公司则大力推广其电子住宅（eHome），即强调以电脑为中心，采用各种有线和无线方式连接各种家电设备，组建电子自动化住宅:
思科系统公司在2000年正式提出“互联网家庭”（InternetHome）计划，现正在美国南加州建设近6万的商用与家庭住宅，在这个小区中的每个家庭、办公室和商店都将预设有连接宽带互联网的线缆，以适应互联网发展的需要;
日本松下公司正在把“数码家庭”概念应用到老人住宅，住宅内设置有多种测量仪器、触摸式显示屏、数码摄像机等，这样每个居住人的体温、血压等多项数据都会通过网络传向护理中心，可实现家庭的远程医疗监护。
摩托罗拉公司则在美国亚利桑那州凤凰城附近建造了一个智能住宅，这个住宅是有5个微型电脑构成的电子系统进行控制，屋顶装有太阳能方阵，它与集热器一块向住宅提供所需的电能和热能。
屋顶两侧窗户采用半透明的光学玻璃，光线可以入内，而在阳光直射时所产生的热量却大都被拒之窗外，这样可以使室内冬暖夏凉。
控制室内温度和湿度的工作主要由电脑检测与调节完成。
除之以外，电脑能定时开关家用电器，并检测家用电器的运行状况，达到了控制和节省能源的目的。
概括来讲，未来住宅的建设除了改进其功能外，还力求在教育、娱乐、医疗等方面添加适当的软、硬件来实现“家庭共同式”的全功能住宅。
我国从1997年初开始制定《小康住宅电气设计（标准）导则》（讨论稿），在“导则”中规定了小康住宅小区电气设计总体上应满足以下的要求:
高度的安全性，舒适的生活环境，便利的通信方式，综合的信息服务，智能化家庭系统。
同时也对小康住宅与小区建设在安全防范、家庭设备自动化和通信与网络配置等方面提出了三级设计标准，即第一级为“理想目标”，第二级为“普及目标”，第三级为“最低目标”[2]。
在我国，小区安全防范报警系统己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、求助求救、煤气泄漏报警、消防报警等内容。
该系统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，增设室内各探测器的比较信号。
室内分机有多个探测器接口，可接收感烟探测器、温度探测器、红外及微波探测器、煤气泄漏探测器等传来的报警信号。
我国智能住宅与智能小区虽然起步比较晚，但发展速度却很快。
以北京、深圳、上海、广州等较发达的城市为龙头在近几年内形成了一股智能化住宅热。
目前，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、智能小区将成为21世纪建筑业的发展主流。
特别是在我国，随着人们生活水平的日益提高，住宅小区是否智能化，安防系统是否完备、可靠将成为评价住宅小区的重要指标。
学生公寓就是学生在学校的家，而智能住宅及其相关的自动控制软件产业的发展为实现学生公寓实现智能化安防提供了可靠而有效的技术支持。
从技术上分析，实现一个集多种功能于一体的智能系统是可行的。
1.2学生公寓安防现状
我国是世界上人口最多的国家，人均占有的高等教育资源相对匾乏。
“十五”期间，我国高等教育逐步完成了由精英化向大众化的转变，目前不论是公立普通高校还是民办普通高校，招生规模均在不断上升，校园中聚集的人员数量较此之前有了大幅度的攀升，大多数学校的在校生规模均超过万人，有的民办学校学生数甚至高达十万人。
与此相适应，校园中的各类建筑物数量也不断增加。
伴随着这些变化的产生，使得学校校园成为既隶属于社会大环境又有别于其他人群居住场所的独特的小区。
对于校园这一特定的小区环境，特别是学生相对集中的学生公寓，必须利用有效的科技手段和管理方法对其进行稳定的、长期的实时监控，保证高校校园的安全，积极寻求改变学校的安全防范的手段和途径，使校园的安全防范模式不断向信息化、综合化、网络化和主动化方向发展，才能适应日益发展的社会要求。
目前，随着我国教育事业的发展，学校规模不断扩大，学生高密度集中，校区开放程度和后勤服务社会化程度越来越高。
1999年11月在上海召开第一次高校后勤社会化工作会议后，高校后勤社会化被正式提上了议事日程，学生公寓建设取得了飞速发展。
据不完全统计，从1999年至2002年底，4年内全国新建大学生公寓3800多万平方米，改造1000万平方米。
全国四年新建的学生公寓超过1999年前50年建设的总量，大大改善了学生公寓的住宿条件，同时也给公寓管理工作一个广阔的空间和新的发展机遇[3]。
国家教育部从1999年至2002年共召开了四次全国性的高校后勤工作会议。
并于2002年2月22日以教发（2002）6号文下发《教育部关于进一步加强高等学校学生公寓管理的若干意见》，2002年8月26日以教社政（2002）9号文下发了《教育部关于加强高等学校学生公寓安全管理的若干意见》。
这些都体现了高校学生公寓建设和管理的重要性。
但由于高校校园环境的特点，也造成了学生公寓管理中的一些问题：
1、人员安全问题。
高校校园的人员鱼龙混杂，很难避免学生公寓的清净，虽然各个高校采取了一些门禁制度，但学生在公寓被骗事件，更严重的侵害学生身体、权利的治安案件，以及涉及师生人身安全的各类灾害事故，如火灾等的发生屡见不鲜。
2、财产安全问题。
随着我国居民生活水平的提高，大学生拥有电脑、手机等贵重物品的数量也有很大程度的增长。
3、能源浪费问题。
当代大学生多为独生子女的一代，由于生活的富裕、家长的溺爱，多数学生仍然缺乏节约意识和环保意识。
造成学生寝室长期出现“长明灯”、“长流水”的现象，在能源日趋短缺的今天，是对能源的巨大浪费。
纵观目前校园安防的现状，无论高校还是中小学校都不容乐观，基本上处于以人防和物防为主的状况，技防仍处在起步阶段。
学校不断在人防和物防方面增加投入，如增加学校保安人员，加高围墙，在学生宿舍的窗户上安装钢筋护栏等。
这些措施产生了一定的效果，但也存在弊端。
增加学校保安会带来持续的支出，宿舍安装钢筋护栏不符合消防要求。
其实，在技术上建立防范监控系统，在学生公寓安装安防报警系统，实行人防、物防、技防结合的防控体系，才能更好地增强安全系数，减少投入，把安全事故控制在最低限度。
1.3课题研究的内容与意义
本课题针对学生公寓这个特殊的应用环境，根据安全防范系统的发展现状和发展趋势，设计了一种基于单片机系统的学生公寓智能安防报警系统，这是智能建筑技术在高校的一个创新应用。
本智能化安防系统集防盗、防火、节能以及日常显示于一体，引入模块化思想，从而使系统整体更简洁、完善。
本课题需要研究的内容主要有以下几个方面：
（1）根据系统功能要求并且考虑产品的性价比，进行系统的整体方案设计。
该方案采用模块化设计方法，以方便系统的调试和用户的使用。
（2）系统硬件设计。
包括芯片的选型、所选芯片的功能、芯片外围电路的合理设计。
主要内容有主控电路的设计、无线探测器的选择、无线发射接/收电路的设计、键盘显示电路的设计。
（3）系统软件设计。
主要包括系统主程序、密码程序、中断程序、节能程序等。
（4）系统整体电路调试、系统整体软件调试、最后进行联机调试。
本课题具有重要的实践探索意义：
一方面针对校园的综合安防系统的设计研究目前在国内尚不普遍，系统性的描述和论证校园安全防范系统的设计理论和设计方法也不多见。
并且，本系统所设计的适合于公寓寝室应用的节能模块，能较好的解决寝室“长明灯”、“长流水”的问题，是智能安防系统在学生公寓的一个创新应用。
另一方面住宅智能安全防范系统是我国未来智能住宅建筑的重点发展方向，而智能防盗、防火报警系统又是当前智能报警领域术热点，虽然这方面的资料比较多，但是只是单纯含防盗或防火功能，并且这些报警器的误报率比较高，即使有部分产品的性能较好，但是价格又比较昂贵，并且受距离和容量的限制。
因此，针对学校的智能化公寓安防系统的研究很有必要，并且应当有所创新和突破。
开发一套功能和结构合理、包含多种技术和功能的具有针对性和高性价比的新型安防报警系统具有重要的现实意义。
第二章学生公寓安防系统总体设计
2.1系统总体方案设计
学生公寓安防系统开发设计方案是针对学生公寓这一特定应用环境的实际情况，参照国内外相关技术的发展状况，根据我国智能化住宅建设的实际情况，为满足新时期学生公寓的居住要求，并充分考虑其经济性和可靠性，能真正实现智能化报警的要求来确定的。
本课题从智能报警系统的简单、可靠、低成本等方面进行研究和设计。
这里涉及到智能报警系统的功能、可靠性以及在使用过程中是否简单方便、便于编程等一系列的问题。
经过长期调查研究，从技术上认真分析，在对安防系统进行设计时，应遵循如下一些原则进行设计：
Ø
可靠性：
安防系统的可靠性是第一位的。
在安防系统设计、设备选型、调试、安装等环节都应严格执行国家、行业的有关标准及公安部门有关安全技术防范的要求，贯彻质量条例，保证系统的可靠性。
独立性：
安防系统应建成为独立体系，绝不能作为其它弱电系统的子系统进行混合管理,以减少安放系统可能遭到的各种损坏或其它系统可能造成的干扰。
安全性：
安防系统的程序或文件要有能力阻止未授权的使用、访问、篡改，或者毁坏的安全防卫级别。
硬件设备具有防破坏报警的安全性功能。
联动性：
安防系统能与其它系统联动，如消防系统、灯光照明系统，保证自身能获得更好、更准确的信息，并为其它系统提供必要的服务，同时确保安防系统不会影响到其它系统的功能。
扩充性：
系统可集中管理、监控，分散控制，总体结构具有较强兼容性和可扩展性，既便于系统的充实、完善、改进和提高，又便于设备的更新、换代。
实用性：
系统的操作简单、快捷，充分分析学校环境情况，采用优质设备，满足安防要求，保证操作方便耐久实用。
经济性：
在满足安全防范级别的要求前提下，在确保系统稳定可靠、性能良好的基础上，在考虑系统的先进性的同时，按需选择系统和设备，做到合理、实用，降低成本，从而达到极高的性能价格比，降低学生公寓安全管理的成本。
针对以上原则本次设计的完整的学生公寓安防系统应该具有的主要功能有：
1、能对信息的实时采集
2、能对信息的准确判断处理
3、能与上位机的实时通信
4、具有节能节电的功能
要实现以上功能，一个完整的安防系统应该包括数据采集模块，主控模块，通信模块，报警接收模块以及上位机系统和数据库的建立。
鉴于本次设计仅是针对安防系统中测控部分的设计，主要工作是针对下位机的报警控制设计。
系统的工作流程大致如下：
探测器安装在宿舍需要防范的部位，报警主机放在比较隐蔽的区域。
在通常情况下，防盗监控器是处于休眠状态，而防火探测器始终处于布防状态，当学生要出门，宿舍没人时，可以通过键盘启动防盗监控器，防盗监控器接到命令后，等待一个时间（如3分钟），让用户启动监控器后有足够的时间离开住宅，该时间过后，防盗监控器会启动探头，此时监控器处于真正的布防状态，只要有人在探头检测范围内经过，而他又不能在规定的时间内输入正确的密码进行撤防，报警探测器立即向自动报警主机发出报警信号，接到警情事件后，进行现场警铃报警。
在此同时将信息发送给网络通信模块。
终端处理机通过接收的信息保存和处理数据，可以远程控制系统的工作，也可以通知管理员采取必要的措施。
考虑到该系统的实际应用环境，和实现节能低功耗的目的，本次设计采用Microchip公司的8位微处理器PIC16F877A单片机作为系统的中央处理器，将电子探测、智能控制和通信技术相结合，形成一个可联网通信的防盗、防火报警系统。
系统的结构框图如下：
图2.1系统结构框图
Fig.2-1Wholestructureofthesystem
2.2系统各模块概述
主控模块：
是安防测控系统的核心器件，它是整个系统的“心脏”，由它来接收报警信号并控制、协调各功能模块的正常工作。
各前端探测器/传感器完成对住宅里不同探测区域内的各种灾情发生前的各种参数（如人体热释电红外信号、火灾烟雾浓度）的可靠监测工作，所谓无线式智能报警系统，就是采用高可靠性的，性价比较高的无线式智能传感器，它将数据采集、A\D转换、比较判断等功能集成在一体，输出报警开关量，即只有实际参数达到用户设定的报警值时，才输出报警开关信号和探测器编号，然后通过无线传输的方式送给自动报警器主机。
存储模块中存储系统的一些原始参数、重要数据（预存电话号码、系统密码等）。
数据采集模块:
要求数据采集模块能完成对水表、电表、实现远距离抄收和自动化管理。
通过对各表的电脉冲信号进行采集、存储，并通过网络与管理中心连接。
另外，通过对电表功率的采集，可作为报警模块功率超限的输入。
其原理框图如图2.2所示
图2.2数据采集模块原理框图
Fig.2-2Functionalblockdiagramofthedataacquisitionmodule
节能模块:
节能模块主要实现节电功能。
节电模式与防盗模块通过分时共用红外探头进行对寝室有/无人的状态进行采集，通过单片机的判断实现节能控制。
通信模块：
基于单片机的TCP/IP协议通信，由单片机和网络接口芯片共同实现嵌入式TCP/IP协议，如图2.3所示。
采用的网络接口模块是Reltek公司的RTL8019AS全双工网络控制器，它可实现嵌入式TCP/IP协议中MAC层的功能，单片机则实现嵌入式TCP/IP协议中的其它协议层的功能，从而共同实现嵌入式TCP/IP协议。
它自带16KB的SRAM，并通过RJ45接口实现与网络通信。
系统上电初始化后，该模块工作于服务模式，时刻侦听来自远程计算机通信程序的请求，并依据远程客户的要求通过主控模块查询或发送控制指令并获得相关返回信息。
图2-3通信模块结构框图
Fig.2-3Thestructureblockdiagramofthecommunicationmodule
由于学校可以使用自身的局域网实现网络通信而不产生通信费用，所以基于单片机的TCP/IP协议通信模式可作为本系统远程控制通信的首选方案。
而通过电话线实现的通信模式，必须具备独立的电话号码，在现在手机普遍普及的情况下，不少寝室没有开通电话座机服务，所以，在实现上有一定的困难。
在本系统中不建议使用此种通信方式。
2.3系统软硬件功能划分
为了使系统的结构、性能、体积以及成本达到最优化的组合，必须对完成各功能的软件和硬件作出不同的分工，具体如下:
探测器、报警、控制和电源部分必须使用具体的硬件电路来实现，连接总控制终端和各分系统之间的通信部分也只能用硬件电路来实现。
在下位机系统中，各传感器所采集到的信号的综合判断以及控制元件执行何种操作可用软件来实现，因为软件实现比较简单，只需要很短的十几条语句即可。
比如在本系统中，多次用到了元件的复用，这样节省了硬件资源，但是系统何时，如何分时共用这些器件，就要靠软件来识别、控制。
这样可减小系统的体积，降低成本，实现也很容易。
所以合理、充分的协调好系统的软硬件分工，是提高系统执行效率、节省硬件资源、提高系统性能的关键之处。
综上所述，探测器、电源、通信接口、报警控制等功能模块用硬件电路实现;
而脉冲计数、软件延时、时钟程序、输入信息的分析处理以及控制等功能模块使用软件编程完成。
我们将在后续章节对系统硬件和软件部分的设计作详细地介绍。
第三章学生公寓安防测控系统硬件电路设计
3.1单片机控制模块及外围电路设计
3.1.1单片机的选择及主控电路设计
本系统中主控制器选用PIC16F877A。
PIC是美国Microchip公司所生产的单片机系列产品型号的前缀。
PIC系列单片机的硬件系统设计简洁，指令系统设计精练。
在所有的单片机品种当中，它是最容易学习、最容易应用的单片机品种之一。
PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向。
它具有以下特点[4]：
1、哈佛总线结构
PIC系列单片机在架构上采用了与众不同的设计手法，它既不像MOTOROLA公司开发生产的MC68HCOS/08系列单片机那样，其程序存储器和数据存储器统一编址（也就是两种存储器位于同一个逻辑空间里，这种架构的微控制器、微处理器、数字信号处理器或者微型计算机系统，称为普林斯顿体系结构），也不像早期在国内市场上最流行的单片机产品Intel公司开发生产的MCS-51系列单片机那样，其程序存储器和数据存储器虽然独立编址（也就是两种存储器位于不同的逻辑空间里，这种架构的微控制器、微处理器、数字信号处理器或者微型计算机系统，称为哈佛体系结构），但是它们与CPU之间传递信息必须共用同一条总线，而仍然摆脱不了瓶颈效应的制约，于是影响到CPU运行速度的进一步提高。
PIC系列单片机不仅采用了哈佛体系结构，而且还采用了哈佛总线结构。
在PIC系列单片机中采用的这种哈佛总线结构，就是在芯片内部
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