家庭防盜自動報警系統(tǒng)設(shè)計

摘要 隨著人們工作和生活方式的不斷變化，家庭防盜對于家庭財產(chǎn)安全變得越來越重要。文中設(shè)計了一種基于現(xiàn)代微電子和以計算機為基礎(chǔ)的傳感器單片機智能防盜系統(tǒng)，可以做到對家庭內(nèi)部財產(chǎn)安全發(fā)生威脅時的自動報警、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)；計算機；傳感器；數(shù)據(jù)采集

    隨著微電子技術(shù)和計算機技術(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)計提供了便利。通過這些新技術(shù)的組合和應(yīng)用，可以實現(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住宅的入侵，故利用高科技的電子防盜報警系統(tǒng)應(yīng)運而生。在發(fā)生警情時，除了現(xiàn)場報警外，還可以直接呼叫主人預(yù)留的手機，對于3G手機，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，它改善了傳統(tǒng)的防范設(shè)施只防不報的弱點，給家庭帶來全新的安全。
    系統(tǒng)可以支持現(xiàn)場報警，還可以支持通過3G網(wǎng)絡(luò)訪問家庭計算機管理終端和進行現(xiàn)場視頻查看。如果將系統(tǒng)進行擴展，甚至可以通過手機對家庭中的所需傳感器進行操控。

2 系統(tǒng)的組成
    家庭防盜自動報警系統(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、單片機系統(tǒng)、2G／3G模塊、攝錄系統(tǒng)以及監(jiān)控計算機等設(shè)備組成。將家庭防盜自動報警系統(tǒng)分以下幾個組成部分如圖1所示。

    (1)傳感器陣列是指在家庭防盜自動報警系統(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，直接決定了整個系統(tǒng)的靈敏度和報警正確率。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)換成電信號進行工作的，可分為主動式和被動式兩種。本系統(tǒng)可以通過室內(nèi)布放的被動式紅外傳感器對入室的“盜賊”身上發(fā)出的紅外線進行探測的原理進行報警。選擇布放紅外傳感器的位置對本系統(tǒng)的識別率有較大的影響，該問題可以通過實驗解決。還有一種主動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發(fā)射器發(fā)射紅外線給另外一個接收，一旦有“盜賊”非法進入，切斷紅外線的傳播路徑時將會觸發(fā)紅外線傳感器動作。對于震動傳感器，可以通過感知其周圍的微小震動來觸發(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，往往是微弱的微伏級信號，不能被直接處理，所以要通過添加前置放大器對傳感器得到的電信號進行放大。
    (3)采樣／保持陣列是采樣保持器的總稱。從放大器發(fā)出的電信號要經(jīng)過采樣保持器進行采樣，并且要在測量時間內(nèi)將該信號進行保持，以便有足夠的時間對測量信號進行處理。實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間，以滿足家庭防盜自動報警系統(tǒng)的實時報警需要。
    (4)A／D轉(zhuǎn)換器陣列包括了對所有從放大器發(fā)出的信號進行A／D轉(zhuǎn)換的功能，以便被計算機處理。至于A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率，也要通過實際的測試來確定。
    (5)單片機系統(tǒng)用來處理來自A／D轉(zhuǎn)換器的信號，并進行統(tǒng)一的編碼處理，以便之后計算機進行統(tǒng)一編程。另外，單片機系統(tǒng)同時要對來自A／D的數(shù)字信號進行統(tǒng)一的預(yù)處理，如加權(quán)、平均以及去除干擾信號的過程，以使發(fā)送給計算機的信號都是可以使用進行過編碼和預(yù)處理后的信號。
    (6)攝錄系統(tǒng)是為監(jiān)控家庭室內(nèi)情況以及在必要時候攝錄“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)控計算機可以將報警信號以語音或者短信的形式發(fā)送到主人手機。在3G模塊下，監(jiān)控計算機除了可以發(fā)送語音和短信報警信號外，還可以通過3G網(wǎng)絡(luò)進行室內(nèi)視頻監(jiān)看。
    (8)監(jiān)控計算機負責(zé)處理來自單片機系統(tǒng)的已編碼信號。已編碼信號按照預(yù)定格式進入到監(jiān)控計算機后，監(jiān)控計算機按照預(yù)定程序?qū)@些信號進行處理，如果是常規(guī)信號，計算機只做日常采樣日志處理。如果是預(yù)置的“盜賊”威脅信號，則啟動預(yù)置的自動報警程序，并可以進行錄像。

3 系統(tǒng)工作原理
    家庭防盜自動報警系統(tǒng)的系統(tǒng)報警流程圖如圖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入監(jiān)控區(qū)域的行為。在門和窗戶兩側(cè)，安裝主動式紅外線傳感器，只要有非法入侵，截斷紅外線傳感器的紅外線光束，都會觸發(fā)紅外線傳感器動作。
    另外在房內(nèi)，裝有被動式的紅外線傳感器和震動傳感器，當(dāng)非法入侵在僥幸進入室內(nèi)進行活動，將會觸發(fā)這兩種傳感器動作，從而產(chǎn)生報警信號。一旦報警信號產(chǎn)生，就會觸發(fā)預(yù)設(shè)流程。
    (2)異常信號相對于正常信號。平時監(jiān)控計算機只對正常信號做日常監(jiān)測和日志記錄。一旦有非法入侵發(fā)生時，傳感器就會發(fā)出相應(yīng)的異常動作信號，而這些異常信號經(jīng)過放大、采樣保存、A／D轉(zhuǎn)換、單片機處理以及相應(yīng)的編碼后，就會變成監(jiān)控計算機可以直接讀取的異常信號。這些異常信號將會由單片機通過專用信號線直接發(fā)送給監(jiān)控計算機進行下一步動作。
    (3)監(jiān)控計算機。當(dāng)計算機接到異常信號后，將根據(jù)自己數(shù)據(jù)庫中記錄的報警類型和警情位置進行處理。比如，當(dāng)入侵發(fā)生在正門時，計算機將根據(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)置完成整個報警。
    (4)警情處理。監(jiān)控計算機接到警情報告后，將會以聲光警告的形式對非法入侵進行聲光警告，同時啟動監(jiān)控攝錄程序進行拍攝，并向報警平臺發(fā)送報警信息。如果入侵者中止侵入并退出，則聲光告警停止，但攝錄程序和報警程序繼續(xù)工作。如果聲光警告后，入侵活動仍在進行，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)控計算機將會通過2G／3G模塊向主人手機直接發(fā)送報警呼叫和預(yù)先編制好的報警位置和報警類型。如果使用3G模塊，則會通過3G網(wǎng)絡(luò)將攝錄機的視頻畫面直接傳到主人手機上，主人可以根據(jù)情況決定處理過程。
    (5)警情反饋。當(dāng)主人手機接到報警電話或短信時，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警類型。若是3G手機，可以直接實時查看監(jiān)控攝像頭的監(jiān)控范圍，從而決定是直接處理還是向公安部門報警求助。若是誤報警，可以通過手機方式經(jīng)監(jiān)控計算機將系統(tǒng)復(fù)位。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計比較復(fù)雜，可分為單片機模塊設(shè)計、系統(tǒng)控制模塊設(shè)計、警情處理模塊設(shè)計以及報警處理模塊設(shè)計4個部分。這里只對系統(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)的各個部分進行初始化，保證系統(tǒng)的各個部分正常工作。在系統(tǒng)的日常工作中，按照預(yù)先設(shè)定的控制流程對各個傳感器端口進行檢測操作并計入日志。

    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，無論是報警還是報警后的反饋，都要求有相應(yīng)的干預(yù)，否則系統(tǒng)將會反復(fù)地提醒直到主人通過手機發(fā)回反饋為止。

5 使用案例
    天藍花園是鄭州市北部的一居民小區(qū)，有1 000多住戶，南于遠離市區(qū)，治安環(huán)境較差。本系統(tǒng)采用和本地通信運營商提供的3G通道合作的基礎(chǔ)上在本小區(qū)實驗布放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，這些用戶不僅實現(xiàn)了零被盜，而且可以直接通過手機查看家中情況。所以，該系統(tǒng)不僅經(jīng)濟，而且實用性強。

6 需要注意的問題
    (1)各傳感器動作閾值要預(yù)先試驗設(shè)定，避免誤動作。
    (2)被動式紅外線傳感器的布放位置應(yīng)該盡可能的兼顧整個室內(nèi)面積。
    (3)可以對聲光警告設(shè)定不同的級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完成，送入計算機的為已編碼數(shù)據(jù)。
    (5)可以增設(shè)煙霧、溫度、濕度等傳感器來增強告警種類。
    (6)對于報警短信應(yīng)預(yù)先設(shè)置理解的格式。

7 結(jié)束語
    設(shè)計了一種新型的家庭防盜自動報警系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)家庭無人時的室內(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)控攝像頭查看自己室內(nèi)的各種情況。同時，可以通過擴展程序?qū)κ覂?nèi)的相應(yīng)部位進行編碼，通過手機甚至可以操作自己家內(nèi)的譬如微波爐之類的電器動作。