家居安防报警系统.docx
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家居安防报警系统
摘要
本文介绍了一种由AT89C52单片机构成的家居安防系统，家庭安防系统是智能住宅小区防范系统的最重要的组成部分，也是智能家居自动化的重要组成部分，主要包括住户防入侵报警，燃气泄漏报警，火灾报警等。
本课题以经济实用为原则，通过对相应报警传感器的选用，控制器软硬件的设计，实现门盗防护，窗盗防护，火灾报警，燃气泄漏报警，多项典型家庭安防功能，在系统受到入侵时发出声光报警或通过网络将报警信息传送给安防人员，以实现对家庭的全天24小时的安全防护。
本设计主要目的为当出口通道或窗户受到入侵，发生燃气泄漏或火灾，系统自动发出报警,所有系统提供电源。
关键词:
智能家居AT89C52单片机安防系统声光报警传感器
Abstract
ThispaperintroducesanAT89C52single-chipcomposedofhomesecuritysystems,homesecuritysystemisasmartresidentialdistrictguardsystemthemostimportantpartoftheintelligenthomeautomationisanimportantcomponent,includinghouseholdanti-intrusionalarm,gasleakalarm,andfirealarm.Thetopicstotheprincipleofeconomicandpractical,throughtheappropriatechoiceofalarmsensors,thecontrollerhardwareandsoftwaredesign,implementation,Piratesofprotectivedoors,windowsPiratesprotection,firealarm,gasleakalarm,anumberoftypicalhomesecurityfunction,thesysteminvasionswhentheaudiblealarmoralarminformationsentoverthenetworktothesecuritypersonnelinordertoachievethefamily24hoursadaysecurity.
Thedesignmainpurposeofwhentheoutletchannelorwindowsbeinginvadedgasleakorfire,Automaticalarmsystem.Allsystemsprovidepower.
Keyword：
SmartHomeAT89C52microcontrollerSecuritysystemsSoundandlightalarmsSenso
第一章绪论
1.1引言
近年来，随着社会的进步和人们生活水平的逐渐提高，我国居民小区建筑行业发展迅速，并呈现出巨大的市场潜力。
其社会、经济效益显著，对于提升传统居住条件和改善人民生活水平起到了积极的作用，为人们提供了更为安全、舒适、方便、高效的工作与生活环境。
居民住宅小区在我国各地发展较快，并且以较快速度增长，己成为建筑业新的增长点。
城市居民住宅小区的大量崛起，导致人们在家庭住宅的观念上发生了逐步的变化，对家庭财产及家居安全的重视程度也不断提高。
人们不仅需要住宅宽敞、豪华，同时也希望有一个安全、便利的生活空间。
然而，伴随着各种现代化设施的应用，相应地也带来了一系列不安全因素，如煤气管道、热水器的使用以及其它许多大功率家用电器的使用，都明显地增加了发生火灾的可能性、触电的不安全性以及煤气中毒、爆炸的危险等。
这些不安全隐患潜伏在人们的身边，使人们逐渐地意识到家庭安防的重要。
如此之快的建筑发展速度和相对滞后的安全配套设施，这之间无疑会造成巨大的安全隐患和防范真空。
社会上有些不法分子，他们置法律于不顾，人为地制造一些破坏和灾难。
行凶、盗窃等违法犯罪活动还时有发生，严重地扰乱了人们正常的生活，给社会带来不安定因素[1]。
所谓安防，就是有一个快速、有效、连动的防火、防盗、防爆的治安体系，同时要求家庭、社区管理中心及其有关单位部门都能及时获得相关信息并采取相应措施。
二是具有紧急事件求救中心及其他的便利服务体系。
这些都要求家庭不再是一个孤立的场所，而是一个能
与外界进行信息交流的单元。
因此研究家庭安防报警系统非常有必要，它可以优化组合社区资源，合理组织人力、物力，推动能源供给商、物业管理、通信网络商、房地产及其它相关行业的发展，为它们带来新的机遇和利润增长空间。
因此，如何切实加强居民小区的智能化安防报警体系，向科技要警力，向科技要安全，以科学技术为基础保障家居安全就成了摆在我们面前无法回避的现实问题[4]。
综上所述，鉴于家居安防产业目前的发展形势和广阔的市场需求，设计和研制新型的发家居安防报警系统就更具有迫切意义了。
因此设计开发智能家居安防报警系统，提高小区内防盗与应急事件的反应能力，就成了目前家居安防产业的重中之重。
1.2安防技术发展概况
经过多年的发展，智能小区家居智能化系统越来越成熟，功能越来越完善，安防报警系统已成为智能小区家居智能化重要组成部分。
因此必须建立一个稳定、可靠、易操作的安防报警系统。
稳定、可靠是指有警必报，无警不会误报。
易操作是指家庭成员可以对一些防盗点进行方便的操作。
要达到稳定、可靠，必须做好硬件和软件设计，要达到易操作必须在设计观念上有所突破[4]。
1.2.1国外家庭安防现状
自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。
智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。
1998年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”推出了新加坡模式的家庭智能化系统。
它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统软件配置等，这种“未来之家”家庭智能化系统，市场真正启动尚需时日。
目前在新加坡也有近30个社区（住宅小区）近5000户的家庭采用了“家庭智能化系统”，美国已有近四万户家庭安装了这一类的“家庭智能化系统”，将会有更多的住宅安装上这一类高科技智能化系统产品。
目前美国有一种占据市场主流的产品X-10，销售已超过1亿个，设计户型为单体别墅，应用多为旧房改造，仅在美国便有超过400万个家庭在使用，但这些产品技术限制较多，并不适合在我国原样照搬使用应用[3]。
三星公司在去年春节后，开始在中、韩两国同时推出其智能家居系统，通过机顶盒和网络，将家居自动化控制、信息家电、安防设备以及娱乐和信息中心这四部分集成一个全面的，面向宽带互联网的家居控制网络。
根据美国该行业的专业顾问公司PARKS的统计资料显示，1995年美国一个家庭要安装家庭自动化设备的平均费用在7000至9000美元之间。
1995年美国家庭已使用先进家庭自动化设备的比率为0.33%，看来市场真正启动尚需时日。
预计这五年内，家庭自动化的市场年平均增长率为8%。
PARKS公司的资料亦显示，到2004年家庭网络市场总额可达57亿美元。
由于智能家居的诱人前景和巨大市场，尽管国外市场真正启动也尚需时日，但并未能阻止企业去争食智能家居市场。
虽然每家公司的策略各不相同，但它们都坚持同样的信念:
山那边遍地是金。
MM公司的迈克尔凯罗斯克说:
“这是个不容IBM公司忽视的市场机会”，在网络经济时代的大潮中，智能社区的安防建设显得越来越重要，国外的许多大公司已进入到该领域中。
IBM公司与建筑商合作，为用户提供装备先进的安防系统的智能化住宅。
美国联邦政府和以IBM，AT&T等大型企业为首，投资4000亿美元，为全国500万个小区和9000万个家庭提供全面的小区和家庭的安全防护和信息服务[2]。
1.2.2国内安防行业发展情况
近两年来，安防行业又有了进一步的发展。
在我国已加入WTO的形势一下，积极探讨安防行业的发展问题，对于维护社会治安稳定，促进经济的繁荣，保障人民生活的幸福，具有非常重要而深远的意义。
我国安防行业是随着社会主义市场经济的发展而逐步成长起来的，改革开放以来，在国民经济迅速发展，人民生活水平日益提高的推动下，安防行业出现了一个蓬勃发展的势头。
尤其九五期间，我国住宅产业异军突起，极大地促进了安防行业扩大产业规模。
1998年起年产值近10亿元的大型安防企业集团，上市公司不断涌现。
迄今，己有专营或兼营的从业单位数千家，产品种类发展到10余类，100多个品种，从业人员数万人。
1999年初，统计部门针对7类安防产品生产企业进行3步统计，其中入侵探测器13家，防盗报警控制器74家，汽车防盗报警器22家，楼宇对讲104家，防盗安全门1366家，防盗保险柜245家，机械防盗锁42家，其它类124家。
像盼盼、美心、视得安、立林等品牌企业的市场份额不断扩大，从一定程度上改变了我国安防产业的小而全的落后局面，激发了安防行业的活力。
最近几年统计数字显示:
中国安防产品行业平均以15%-30%的年增长率迅速成长。
目前，安防产品在市场结构方面呈现三个特点:
第一是地区分布不均衡。
北京、上海、江苏、浙江、广东和山东六个省市的安防企业占43%左右。
第二是安防产品差别程度不大，国内安防产品企业，生产同类产品的差异性不大。
这意味着产品容易替代，垄断程度低。
第三是在市场进入障碍上呈现弱势。
安防产品是境外企业争相进入的热点，进入障碍的高低，影响着市场内已有企业优势的大小。
境外安防产品的成熟程度比中国至少早20～30年，就电视监控设备而言，在中国市场上日本产品占有率为45%，美国产品25%，台湾产品20%。
安防产品在市场方面特点:
第一是价格竞争不力。
由于卖方众多市场透明度较差，价格定位使企业间相互受到制约，形成了国外产品价位高出国内产品的l～3倍的局面。
第二是产品开发不平衡。
在1900多家企业生户的7类产品中，防盗类的企业占65%，而入侵探测器企业只占0.5%。
第三是产品销售不畅。
销售组织在围绕扩大市场份额，增加利润，为企业开辟渠道，建立大规模的销售及其信息网络方面，受到现有企业规模、外来经营产品和企业类型等因素的多方面影响[1]。
1.3家庭安防报警系统的组成
家庭安防报警系统通常由报警主机、探测器、报警信号传输通道等三部分组成。
1.3.1报警主机
报警主机作为信息的检测与处理中心,负责对探测器发送的报警信号的检测和分析以判断发生的警情种类以及需要进行的相应处理。
报警主机可以完成声光报警，打开警笛、强光灯、蜂鸣器等的处理任务[4]。
1.3.2探测器
探测器是用来探测各种可能发生的警情，并将发生的警情通知报警主机，是防盗报警系统的关键部件之一。
传感器是探测器的核心元件，采用不同原理制作的传感器，可以构成不同种类、不同用途、达到不同探测目的的探测器。
根据探测途径和探测方法的不同，家庭用探测器大致可分为以下几种：
①红外幕帘探测器
人从探测器的不保护区域向保护区域移动，穿越幕帘探头的探测区域时，立即触发报警；人从探测器的保护区域向不保护区域移动，穿越幕帘探头的探测区域时，触发探测器延时，在延时期间，从外部进入幕帘探头的探测区域不会触发报警。
这样就留给室内保护对象更多的活动范围，不必担心从内部触发探测器报警，同时室内保护对象也可以从内部穿越探测区到外面活动短暂时间再回来，而不会触发幕帘探测器报警。
②烟雾探测器
烟雾探测器也称为感烟式火灾探测器或烟感探测器。
烟雾是早期火灾的重要特征之一，烟雾探测器能够对可见的或不可见的烟雾粒子做出响应，将探测部位烟雾浓度的变化转换为电信号发送给主机实现报警功能。
③燃气泄露探测器
燃气泄露探测器安装于厨房中，主要用于检测CO（俗称煤气）等气体是否发生泄漏，一旦检测到CO气体生成且浓度超标时发出报警信号，现场也会发出声光报警，以及时提醒当事人，避免发生有害气体中毒的悲剧。
④温度探测器
火灾时物质的燃烧产生大量的热量，使周围温度发生变化。
温度探测器是对警戒范围中某一点或某一线路周围温度变化时响应的火灾探测器。
它是将温度的变化转换为电信号以达到报警目的[5]。
1.3.3报警信号传输通道
报警信号的传输通道有有线和无线两种。
①有线传输是指在两个通信设备之间采用物理连接将信号从一方传输到另一方。
有线传输介质主要有双绞线、同轴电缆和光纤等。
②无线传输是指在两个通信设备之间不使用任何物理连接，而是通过空间传输的一种技术。
无线传输介质主要有电磁波、红外线和激光等。
1.4本课题研究目的和意义
高科技产品的应用使我们的生活更加地便利,但是便利生活也给我们的家居带来了不少安全的隐患,比如说各种电器的燃烧和爆炸、电线短路造成的触电、煤气管道的泄露等等,对人们的生命安全造成了很大的威胁"而且当今社会中仍然有很多的不法分子在活动,抢劫盗窃犯罪现象屡见不鲜,而且犯罪的手段也趋向于更职业化和高智能化,所以作为智能家居中最重要的安防系统的研究具有迫切的意义"。
网络化的家居系统已经渐渐走入我们的生活,通过家居网络我们可以实现三表的网络化管理、家居内环境参数的远程监视、家用电器的远程监控、家居视频监控以及安全防盗网络系统等等。
"网络化的家居系统具有环保、安全、可靠、低成本、可扩展性强的特点,是未来家居发展的方向"[5]。
对于一个安防系统来说,最重要的就是系统的可靠性和稳定性"可靠性就是安防系统有警必报无警不会误报,稳定性就是系统可以长时间无故障地工作"本文采用低功耗、低成本、自组织、短距离的无线传感器网络技术来组建智能化家居网络,系统无须布线,灵活性和可扩展性都大大增加,节点大范围地分布于家居内并采用一系列的应答机制和算法来处理安防数据以提高系统的可靠性,某一个节点的损坏并不会影响系统的整体性能保证了系统的稳定性"基于无线传感器网络的智能家居安防系统从功耗、成本、稳定性和可靠性都拥有不可比拟的优势,对于更好地保障人们的生命财产安全具有重大的意义"[1]。
目前市场上出现了非常多的安防产品，安防产品可大致分为视频监控、楼宇对讲、门禁控制、防盗报警等相对较为独立的几大应用领域。
仅就家庭安防报警系统方面而言，以上列举的这些家庭安防产品虽然具有某些较好的报警处理功能，但有些产品由于功能较少或价格较高等原因而难于普及，更没有将加密技术和视频监控技术等很好的融入到整个家庭安防报警系统中来。
因此研发一种适合于家庭等处的低价位、运行可靠的具有自动拨号、语音录放和视频录像等多功能的安防报警系统具有很强的现实意义和广阔的应用前景。
本文结合实际需要研究并实现了一种多功能家庭智能安防报警系统[1]。
1.5本课题研究的内容
本报警系统所要实现的主要功能：
通过前端的探测器对家庭住宅等可能出现的各种警情进行监控，当探测器检测到报警信号后立即通过无线或者有线信道将相应的报警信号（探测器的编号）传送给报警主机，启动现场报警器，同时报警主机通过无线传输模块进行远程报警。
当报警系统播放相应警情的语音提示音，以便通知相关人员及时进行处理。
本系统还配置有应急按键，当家庭出现错报时可通过报警主机键盘上的应急按键直接取消。
根据本报警系统所要实现的主要功能目标出发，本课题需要研究的内容有：
（1）对与本家庭安防报警系统密切相关的无线传输技术。
（2）在对系统整体功能分析的基础上划分各功能模块。
（3）系统硬件设计
完成包括元器件（芯片）的性能分析及选择，系统硬件电路的合理设计。
主要有系统处理器单元电路、无线发射/接收电路、声光电路、电源电路、键盘及显示电路、时钟电路、报警主机状态监测电路等的设计。
（4）系统软件设计
采用结构化程序设计的方法，程序实现模块化、子程序化。
主要包括系统主程序、按键处理程序、入侵报警处理程序、系统状态异常处理程序、显示模块等的程序设计。
（5）系统调试
系统调试包括系统的硬件调试、软件调试和系统的整体调试。
另外，在满足各项性能指标的前提下，不仅要考虑到系统的易用性，还要努力降低成本，使其经济实用。
在保证灵敏度的情况下，尽量降低误报率，提高系统的可靠性，确保开发出的设备在同类产品中具有较强的竞争优势。
1.6本章小结
本文第一章主要介绍家居安防系统的国内外发展情况，并指出以后的发展方向，以及本课题研究的内容与意义。
最后简述了家居安防系统的组成和各个部分的组成情况，并对家居安防系统应该具有的功能做了简要的阐述。
第二章安防报警系统总体设计
2.1系统设计内容及要求
2.1.1系统设计内容
设计一个家居安防报警系统，该系统以单片机为核心，完成检测单元、控制单元、通信单元、显示单元和报警单元的硬件设计。
2.1.2系统设计要求
①操作自动化：
仪器的整个测量过程如键盘扫描、人体热释电红外测量、火灾烟雾浓度测量及显示等都用单片机控制操作，实现测量过程的全部自动化。
；
②测量智能化：
包括自动调零、自动校准、自诊断及量程自动转换等；
③具有友好的人机对话显示界面；
④报警功能：
当有人入侵或者将要发生火灾等紧急情况时，能够声光报警。
2.2系统设计总体方案
本文设计了一种操作方便、运行可靠的家居安防报警系统。
它集防盗贼入侵、防火灾等功能于一体，可实现自动检测和声光报警。
各无线传感器安装在用户家里需要防范的部位，例如门窗、厨房，卧室等，报警主机放在家里比较隐蔽的区域。
当系统设定为布防状态时，一旦有人入侵、或将要发生火灾等紧急情况时，与之相应的传感器（红外、烟雾浓度传感器）立即向报警主机发出报警信号。
主机接到警情事件后，确认无误后，进行事件的现场声（蜂鸣器）、光（LED）报警，同时报警主机控制通讯模块向远程主机发送信息报警。
安保人员接到报警信息并确认险情后可以通过远程主机控制关闭报警器和重新布防。
本设计属于单片机应用系统，确定单片机控制系统总体方案，是进行系统设计最重要、关键的一步。
总体方案的好坏，将直接影响到控制系统的性能和实施细则。
根据设计要求可以分为以下几个模块：
传感器模块、键盘和显示模块、单片机最小系统、通讯模块、复位及看门狗模块、编码模块、时钟模块和报警模块。
利用单片机系统把几个模块紧密结合起来，便可实现时间显示、险情和防盗报警。
系统由报警主机、解码模块、传感器模块、无线传输模块等部分组成。
可以对用户住宅进行安全防范。
下图2-1为系统总体功能框图。
图2-1家居安防报警系统总体功能框图
本设计主机采用单片机作为主控芯片。
输入输出设备包括矩阵键盘、报警蜂鸣器、按钮开关、各类指示灯等。
矩阵键盘用于用户密码的输入、修改等；报警蜂鸣器和各类指示灯用于声音报警和指示系统不同的工作状态；按钮开关用于系统电路调试工作或一些用到手工触发的场合。
报警主机主要由无线通讯模块、单片机、时钟模块、报警模块、复位及看门狗模块、矩阵键盘模块和液晶模块组成，各模块间连接如上图2-2所示。
图2-2报警主机模块图
2.3系统各模块的方案确定
2.3.1单片机选择论证
方案1：
采用AT89C52单片机实现，该单片机内部资源丰富，是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本[12]。
方案2：
采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。
CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，体积大，稳定性高，IO资源丰富，易于进行功能扩展。
采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。
由于本系统不需复杂的逻辑功能，对数据处理的速度要求也不高。
因此我们选择了方案1。
2.3.2通讯模块选择论证
方案1：
蓝牙技术（Bluetooth）。
蓝牙技术作为一种近距离无线连接的全球性开放规范，已经得到了全球众多大企业的支持。
蓝牙技术同时支持语音和数据传输，使用跳频扩频技术，本身包括纠错机制，可靠性高，蓝牙规范的核心部分协议允许多个设备进行相互定位、连接和交换数据，并能实现互操作和交互式应用[5]。
方案2：
无线单片技术。
无线单片技术是将成熟的单片机技术与无线技术相结合的产物。
嵌入了高性能单片机内核的高速、体积小、功耗少、外围元件少的低成本单片射频收发芯片，即将单片机和射频收发器集成在一体。
由于无线单片芯片的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，通讯协议简单透明，技术成熟。
从系统的经济性、传输速率，确定该系统部分电路设计使用方案2。
无线收发模块有NRF905、nRF24L01可供选择，除电源VCC和接地端，其余脚都可以直接和普通的5V单片机IO口直接相连，无需电平转换。
nRF24.L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。
内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。
相比之下nRF24.L01抗干扰能力更强，广泛用于小型无线网络、无线门禁控制系统、小区短距离传呼、工业数据采集系统、无线遥控系统等领域，本设计将采用nRF24.L01模块。
2.3.3时钟模块
PCF8563 是PHILIPS 公司推出的一款工业级内含I2C 总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。
PCF8563 的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能可以完成各种复杂的定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功能。
内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路1.0V 以及两线制I2C 总线通讯方式，不但使外围电路及其简洁，而且也增加了芯片的可靠性。
同时每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。
PCF8563有16个8位寄存器：
一个可自动增量的地址寄存器，一个内置32.768KHz的振荡器（带有一个内部集成的电容），一个分频器（用于给实时时钟RTC提供源时钟），一个可编程时钟输出，一个定时器，一个报警器，一个掉电检测器和一个400KHzI2C总线接口，下表2-1是PCF8563与其他型号芯片的比较。
表2-1PCF8563与其他型号芯片的比较
型号
PCF8563
PCF8573
PCF8583
PCF8593
I2C总线接口的速度
400kHz
100kHz
100kHz
100kHz
高速暂存存储器RAM
0
0
248B
0
年份和跳跃年份跟踪
有
无
有
升级会员 