智能小区防火防盗系统设计docWord格式文档下载.docx

1、语音报警 第一章绪论引言 随着我国国民经济和人民生活水平的不断提高，在全国建成了许许多多的现代化住宅小区。由于煤气和大量家用电器设备使用中的不安全因素等，对小区居民的生命和财产造成了很大威胁。给居民生命和财产带来最大的威胁包括有两大方面，一方面是由人引起的破坏（如盗窃、抢劫），另一方面是自然灾害引起的破坏（如火灾、煤气泄漏）。因此，人们越来越迫切要求采用有效的措施，以满足日益增长的安全防范要求。 目前，所采用的防盗门和在窗户上加装防盗网等安全防范措施，难以满足现在人们防止外来威胁的要求。为了更有效保证居民的生命和财产的安全，必须在住宅和住宅小区内引入了智能化的手段进行安全防范管理。目前，我国正

2、在蓬勃发展的智能住宅的安全防范系统用以满足人们安全防范的要求。智能住宅的安全防范系统是由安全对讲系统、防盗报警系统、防火（火灾报警）系统和防煤气泄漏系统等组成，安全防范系统是家庭、住宅小区防范外来侵害和自然灾害的一种最重要的、最有效的手段，它大大提高了居民自身的安全感，己成为社会治安的一个重要组成部分，其中智能防盗、防火报警系统又是当前智能报警领域的技术热点。国家建设部规定1l，目前智能住宅应实现六项智能化要求，其中包括实行安全防范系统自动化监控管理;住宅的火灾、有害气体泄漏实行自动报警;火灾报警系统应是以烟、温及可燃气体等探测器为主体;防盗报警系统应安装红外或微波等各种类型报警探测器系统应能

3、与计算机安全综合管理系统联网;计算机系统能对防盗报警系统进行集中管理和控制。基于此项规定，住宅防盗防火系统实现智能化势在必行。1.2智能防盗防火报警系统的发展现状 在社会信息化进程日益发展的今天，信息技术应用己渗透到人类生存、活动的各个领域，在建筑领域，人们的现代生活、工作对居住和办公的建筑环境不仅要求舒适健康、安全可靠、高效便利，同时还要适应信息化社会运用科技手段和设备的要求。但是经济的发展也带来了相当大的负面影响，城乡收入差距、区域收入差距进一步拉大，以及流动人口的迅速增加，社会保障制度的不健全，盗窃、抢劫等刑事案件也呈现出了增加趋势，人们越来越渴望有一个安全生活的空间。犯罪分子的作案手段

4、越来越高明，甚至采用一些高科技的作案手段，使得以往那种以人防为主的防范方式越来越不能满足人们日常防范的要求。因此，人们的日常安防工作中，引入了很多高科技手段，称之为技术防范z1。因为技术防范能够及时发现各种案情.并为案件的破获提供有力的证据，所以，越来越受到人们的重视。与此同时，随着生活水平的提高，液化石油气、管道煤气进入了更多人的住宅里，各种家用电器也得到了广泛的使用，但是，人们在享受这些现代化设施带来的便利的时候，却也增加了火灾隐患。如果一个小区实现了智能化管理，管理人员就可以快速有效地完成对小区的智能管理，诸如各种盗情、火灾等报警数据的采集，管理中心对各种警情的及时处理等. 智能化住宅是

5、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31。所谓智能化住宅，即是通过一个高度集成的通信和计算机网络，把住宅安全防范系统、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4。居民住宅应当设置安全防范报警系统，对火灾、盗窃、入室抢劫等做到早发现、早报警，通过社会力量和科技手段来提高家庭抵御各种意外情况的能力。 现代安防监控系统己经有了新的概念，通常称为安全自

6、动化sAs（seeurity AutomationSystem），并与防火自动化系统队 s（FireAutomationsystem）共同构成智能建筑系统最底层的系统5。目前国外发达国家己经逐渐形成一个集安防、消防、医疗救护为一体的安全保障行业。安全技术防范行业真正形成行业规模是在第二次产业革命中即1950年一1971年，首先在美国、英国等国家形成，像ADEMCO（安定宝）;vleoN（维康）;CHuBo（集宝）;AME砒eAD翎AMIe（A.D）等、60年代视频图像技术6、70年代计算机数字技术、80年代生物识别技术以及90年代国际互联网技术的应用，使安防行业得到快速发展。西门子楼宇科技公司

7、针对社区住宅及分散型小型建筑安全防范的实际情况，充分结合社区住户本身，最新推出了Guart。Easy新型安全防范系统7。西门子楼宇科技公司的最新产品 GuartoEasy将视频监控、音频对讲监听、防盗报警（有线或无线连接方式）、火灾探测、危险气体探测等多种警告方式（声光、无线、拨号）结合起来，对社区住宅及分散型小型建筑进行全方位的安全防范。 GuartoEasy采用总线式结构，符合安防系统的暴露线路最短的原则。通过适配器可以接入各种信号（电压、触点等），可以连接防盗探测器、震动探测器、气体探测器、火灾探测器、紧急按钮、门禁触点等各种探测器，能够适应各种情况。在线路上，可以接入中继器实现探测线路

8、的延长，从而更好的适应环境。 就智能住宅中的火灾报警而言，目前出现的大型组合火灾报警系统或智能火灾报警系统，一般是根据灾前检知的光、热、烟、气、味等个别异常或是否达到某种阂值来做出判断的多阂值系统，多传感元件火灾探测器是智能型的装置，使用三种不同类型传感元件的探测器记录模拟量的火灾参数，并将这些模拟量转换成数字信号，然后，探测器利用数值算法判定是否存在火灾危险。现在世界各国都在致力于研究和开发能早期预报火灾的火灾探测方法和设备，如利用神经网络所具有的自学习和自适应等特点，就可组成智能火灾探测系统I川，提高火灾探测系统的检出率，增进系统的可靠性。 在我国，家庭安全防范报警系统己成为智能住宅中实现

9、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、求救求助、煤气泄漏报警、消防报警等内容。这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，增设室内分机用于接收室内各探测器的报警信号。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。 我国智能住宅安防系统相对国外来讲，是有较大差距的。现在一般居民住宅的主要防盗措施仅限于防盗窗、防盗门，虽有一定的防盗作用，在灾害发生的情况下，使逃生更加困难。另外，小区安全措施不足;居民安全意识有待增强;安全防范系统也急需普及。 在我国，以北京、深圳、上海、广州等

10、较发达的城市为龙头在近几年内也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。大连市华乐一环海花园全部住宅均设计有国内一流的家居安防系统，家居安防系统包括四部分功能:幕帘式电子栅窗、智能门禁管理、紧急呼救和误报自解除功能。该系统采用独立的不间断电源供电，当住户家居安防系统断电时，自检系统会自动向保安中心报警。保安中心计算机还会始终记录每一户住宅的家居安防系统是否处于设防状态，室内装有震动报警头（可以检测破坏门时的震动）红外微波双鉴式报警头（可以检测室内是否有人）及报警控制器，报警控制器以MCU为核心，可以检测两个报警头输入信号，可以设置新密码，可以接收遥控器输入

11、信号，可以实现声、光报警或把报警信号通过电话线送到110。系统中还配备了SAh的充电电池，以保证在断电或电源被破坏时系统正常工作。1.3课题研究的主要内容和现实意义 本课题根据安全防范系统的发展现状及其发展趋势，研究并设计了一个比较完整的家庭安全防范系统，其中重点设计了基于单片机的防盗、防火报警系统。 报警系统包括探测器、自动报警器、电源自动切换等组成部分，并引入模块化设计思想，从而使系统整体更简洁、完善。主本课题需要研究的内容主要有以下几个方面:（l）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

12、芯片的选型、所选芯片的功能、芯片外围电路的合理设计。主要内容有无线探测器的选择、无线发射接/收电路的设计、双音多频拨号电路的设计、语音电路的设计、电话接口电路的设计、显示、键盘电路的设计和系统电源电路的设计。（3）系统软件设计。主要包括系统程序、过程控制程序、外中断程序、电话拨号程序、语音程序、密码显示程序等。（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。家庭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的技术热点，因此开发出一套能够适应市场的需求，低价位的、可靠性较高的、功能齐全的智能型安全防范报警系统具有重要的现实意义。 第二

13、章系统总体方案设计2.1智能报警系统总体方案设计 家庭智能防盗防火报警系统开发设计方案是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，为满足新时期居民的居住要求，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，认为需满足下列技术要求，方能实现功能完善、操作方便、经济可靠这些主要目标:能够实现无线报警信号的发射与接收;控制器能够通过探测器检测警情，而且灵敏度要高，误报率要低;

14、控制器可以实现自动模拟摘挂机功能;通过DTMF自动拨号，语音报警;能够进行设置密码校验;系统开关机采用密码控制且允许修改密码，防止误报同时增加用户端自动报警器的保密性;能够预存用户报警电话号码等关键数据，并可以修改;断电保护。断电后，由备用电池给系统供电，保证系统能够正常工作。为此采用以下技术措施，实现上述目标:各种警情信号在室内，通过无线的方式和报警主机之间进行数据传输;采用公用电话线作为信息传输媒体，充分利用电话线路的优势，成本大大降低，同时简化了设计，提高了可靠性;传送报警信息用语音方式。语音简短明确，可在电话机上收听，使用方便;使用看门狗电路，死机后能自动恢复正常运行;采用电话断线检测

15、电路，在电话线被破坏后现场警报;加后备电源; 根据上述智能报警系统的具体设计要求，设计该系统组成框图如图2一1所示。单元模块的功能如下: 各前端探测器/传感器完成对家庭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旧转换、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。 自动报警主机的核心器件是单片机，它是整个系统的“心脏”，由它来接收报警信号并控

16、制、协调各功能模块的正常工作，考虑到系统的功能和经济性等因素采用的是当今流行的性价比较高的AT89551单片机。 输入输出设备包括键盘、显示、报警蜂鸣器、按钮或开关、各类指示灯等。键盘用于用户密码的输入、修改、预存电话号码的输入等;报警蜂鸣器和各类指示灯用于声音报警和系统不同工作状态的指示;按钮或开关用于系统电路调试工作或一些用到手工触发的场合。 考虑到系统使用时的安全性和保密性，特设计了密码控制电路，只有通过密码验证后才能来控制系统的运行和停止。 EZPROM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）。拨号电路主要采用MrrEL公司的编/译码集成芯片MT8888来完成电话

17、号码的发送、配合单片机完成电话线上各种信号音的监测等工作。 语音电路采用美国ISD公司的高保真录放一体化语音芯IsD142O来完成报警时 进行语音提示的预存工作，根据警情的不同进行相应的提示语音录存。2.2系统的基本工作原理 报警探测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。在通常情况下，监控器是处于休眠状态，当用户要出门，家中没人时，用户可以通过键盘启动监控器，监控器接到用户命令后，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，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

18、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，自动报警主机立即进行确认（多次巡检中断信号），确认无误后，从EZPRoM中读出相应的报警电话号码，通过双音多频拨号芯片自动拨打用户预先设置好的报警电话号码（如手机号码，办公室号码）进行远程拨号报警，待对方摘机后，启动语音电路，将预先录制好的语音信息通过电话线传给对方，通知对方发生警情，如果对方没有摘机，就连续拨打三次，并进行现场警铃报警。2.3本章小结 本章详细介绍了家庭智能防盗防火报警系统的总体方案设计，系统的各个功能模块的主要功能，包括整个系统的工作过程，还有设计过程中要注意的问题、以及要达到的

19、性能和技术指标。分析了系统的可行性，为下一步的软硬件设计提供了设计依据。第三章用户端探测器的设计 探测器电路设计是本课题电路设计的重点之一，探测器电路部分包括防盗探测器电路与防火探测器电路两大部分，其中详细设计了无线热释电红外传感器、微波探测器及光电感烟探测电路。由多种类型传感器实现多元信号综合检测是本系统中探测电路部分的基本设计思想，多元信号检测一方面完成盗情与火情的实时监测任务，另一方面大大降低了探测器部分的误报率，提高了整个系统的可靠性和抗干扰性。3.1防盗探测器电路设计 防盗探测器是由红外与微波探测器组成的双鉴探测器【8，较之以往的微波或红外单信号探测器，其误报率明显下降，原理示意图如

20、图3一1所示。 双鉴探测器工作时将探测到的红外和微波两种信号经过与非门处理后送单片机，即只有同时检测到两个探测器输出端口为高电平信号时，自动报警器才会响应盗情报警信号，否则不报警。实验发现，在红外探测器中，通过菲涅尔透镜的分割方式的改变可以降低由于小宠物引起的误报，从而弥补了微波探测器监视面积较大的弱点，但红外探测器对环境温度的变化比较敏感，而微波探测器所检测的只是活动的目标，所以对于如果只是温度变化引起的干扰并不会被自动报警器响应。通过这样双重的检测就进一步减小了外界干扰，降低了报警信号误报的发生率，下面详细分析本系统中红外与微波探测器电路的设计原理、特点以及实际的工作过程。3.1.1被动式

21、热释电红外传感器电路的设计A.热释电效应热释电红外传感器是利用红外辐射的热辐射作用引起元件本身的温度变化检测信号，其探测率、响应速度都不如光子型传感器。但由于热释电型传感器可在室温下使用，灵敏度与波长无关，所以应用领域广。通用性好的热型传感器有热电堆、热敏电阻、高莱管等。其中，利用铁电体热释电效应的热释电型红外传感灵敏度高，可以广泛地用于民用领域。在热释电红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器（PTR），PTR能将红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用;另一个是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜，它用来配合热释电红外线传感器，以提

22、高接收灵敏度。用菲涅尔透镜配合放大电路将信号放大60一70dB，就可以检测10一20m处人的活动。 在自然界，任何高于绝对温度（一273“）的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。 热释电效应是指如果使某些强电介质材料（如钦酸钡、钦醋酸铅（PZT）等）的表面温度发生变化，则随着温度的上升或下降，材料表面发生极化，即表面上就会产生电荷的变化，从而使物质表面电荷失去平衡，最终电荷变化将以电压或电流形式输出!9。B.热释电传感器的结构 热释电红外传感器通常包括热释电晶体、电极、氧化膜、衬底、FET和负载电阻几个组成部分，热释电晶体一

23、般是PZT或其他材料，在晶体上下表面分别设置电极，在上表面再加一层黑色氧化膜以提高其转换效率。如图3一2和图3一3分别为热释电红外线传感器RE200B的结构图及其等效电路图20。 热释电晶体的等效电路是一个在负载电阻上并联一个电容的电流发生器，其输出阻抗很高，一般为10冷47K，而且输出电压信号又极其微弱，故在管内附有FET放大器及厚膜电阻，以达到阻抗变换的目的。在管壳顶端装有滤光镜片及窗口，用以选择接收不同的波长。在窗口上装滤光镜的目的是使不需要的红外线不能进入传感器，一般热释电红外传感器在光谱范围内的灵敏度是相当平坦的（并且不受可见光的影响）。一般常用硅质聚乙烯材料的滤光镜，它能以非接触形

24、式检测出物体放射出来的红外线能量变化，并将其转换成电信号输出。传感器探头前部装有菲涅尔透镜，由于人的活动频率范围在0.1一 1OHz，因此需要对人体活动频率加以增频，而菲涅尔透镜是一种多面反（折）射镜，比较理想。当人体进入菲涅尔透镜的一个视场时，在热释电传感器上产生一个交变红外辐射信号，就会使传感器电路产生一个微弱的电压信号，树脂封装的菲涅耳透镜则设在侧面。 菲涅耳透镜根据菲涅耳原理制成，把红外光线分成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器（PIR）灵敏度大大增加。菲涅耳透镜有折射式和反射式两种形式，其作用:一是聚焦作用，将热释电红外信号折射（反射）在PIR上;二是将检测区内

25、分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释电红外信号，这样PIR就能产生变化电信号。 红外探测器电路这里采用RE200B双元件型热释电红外传感器，在这种传感器内部，两个敏感元件反相连接，当人体静止时两元件极化程度相同，互相抵消.。但人体移动时，两元件极化程度不同，净输出电压不为O，从而达到探测移动人体的目的。表3.1所示为测量得到的该传感器特性。C.热释电红外探测器的基本原理热释电红外传感器通过接收移动人体辐射出的特定波长的红外线，可以将其转化为与人体运动速度、距离、方向等有关的低频电信号。传感器的电压响应度与入射光辐射变化的频率成反比，因此，当恒定的

26、红外辐射照射在探测器上时，探测器没有电信号输出，所以恒定的红外辐射不能被检测到，而物体移动速度越快，同样的入射功率下，输出电压就会越小，只有电压达到报警阀值电平时，探测器才会有电压信号输出。根据该特性，选择热释电红外探测器适用于盗情信号的检测。热释电红外线探测器原理框图如图3一4所示。 当人体进入警戒区，人体温度会引起环境温度辐射场的变化，通过菲涅尔透镜，热释电红外探头感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，则在负载电阻上产生一个电信号，电信号的大小，决定于敏感元件温度变化的快慢。经过后级比较器与状态控制器产生相应输出信号U。D.热释电红外探测器的电路设计图3一5为所设计的热释电红外线探测器电

27、路图。3.1.2微波探测器的设计A.微波探测器原理 微波探测器为空间探测器，用于探测在防范空间内的任何运动物体。微波探测器可靠性强，无光亮和热源的要求，探测环境要求低。在微波段，当以一种频率发送时，在微波能量覆盖的范围内，如果有物体移动，将会以另一种频率发射，这样发射频率和反射频率将会有一个频率差异产生，这种频率差异与很多因素有关，其中包括移动物体的速度，与探测器的径向角度等21 实际电路中，是由振荡器电路产生并发射近微波段电磁波形成微波场，天线把电信号转换为相应的电磁波辐射到周围空间，辐射半径可达10m以上（如果想继续增大辐射半径或提高灵敏度可以通过调整天线的大小和方向来完成）。当有人在场中

28、运动时，反射回去的微波将发生频率变化，从而使微波探测器输出一个与人体运动速度有关的低频电信号。根据该特性，也选择微波探测器用于盗情的检测。 环形天线和它周围的电阻、电容和MOS场效应管组成了近微波段高频自激振荡电路（它的振荡频率在IGHz左右），微波探测器原理如图3一6所示，当电路接通电源以后，振荡产生的单频、等幅信号通过外接天线发射到空间，产生一个立体空间微波防护区，天线既发射振荡信号，也接收回波。反射回来的微波信号与原信号之间混频后产生微弱的频移信号，该信号送放大器进行放大。放大后的信号送窗口式鉴幅比较输入端，经比较将一定强度的探测信号转换为宽度不同的等幅脉冲输出。 图3.8 微波探测器原

29、理框图Fig 3.8 Principle of Microwave detectorB.微波探测器电路设计22】 微波探测器电路使用的主要元件是单电源通用四运算放大器LM324、环形天线、微波振荡管C3355及一些外围元器件，外接+SV电源。其电路图如图3一7所示。 当有人在该微波防护区内移动时，振荡频率和幅度发生相应的变化。根据多普勒效应，该波动的频率与物体运动的快慢有关，而幅度与距离有关。混频后高频信号因为过高而失去作用，剩下微弱的低频信号经Ul作前级放大，10PF电容与7.5K电阻构成充电电路，充电电压作为第一级比较器U4的基准电压，同时实现延时功能，即只有前级放大电压高于该参考电压时，输出才为高电平，此时，C9015导通，最后信号经UZ、U3构成的窗口比较器比较后输出探测到的信号。实验过程中报警范围实测约为7一8米，探测到有效信号时，有20秒的报警信号输出，LED发光做出预警指示，可有效的进行实时探测。该电路可以工作在较宽的电压范围内（标准电压是犯V，但实际可以工作在很宽的电压范围内），当检