家庭防盗自动报警系统设计

摘要 随着人们工作和生活方式的不断变化，家庭防盗对于家庭财产安全变得越来越重要。文中设计了一种基于现代微电子和以计算机为基础的传感器单片机智能防盗系统，可以做到对家庭内部财产安全发生威胁时的自动报警、短信通知甚至是视频图像监控。
关键词 家庭防盗；3G网络；计算机；传感器；数据采集

    随着微电子技术和计算机技术的发展，以及数据采集与处理技术的日益成熟，包括各种传感器向温度、湿度、红外或者烟雾传感器的大面积使用，给家庭防盗系统的设计提供了便利。通过这些新技术的组合和应用，可以实现一些家庭防盗需求。
    随着3G网络在全国范围内的大规模使用，3G网络的高容量带宽为各种数据业务的应用提供了物质基础。文中设计系统直接查看家中的监控画面，就是在3G网络中完成的。而普通的语音和文字报警信息则是既可以通过传统的2G网络也可以通过3G网络。

1 问题背景
    随着物质生活水平的提高，人们对于居住环境的安全、方便、舒适提出了越来越高的要求。以往保护家庭安全的做法是安装防盗门、防盗网，既不美观，又不符合防火要求，而且并不能有效防止犯罪分子对住宅的入侵，故利用高科技的电子防盗报警系统应运而生。在发生警情时，除了现场报警外，还可以直接呼叫主人预留的手机，对于3G手机，可以直接查看家庭监控画面，以便警情得到迅速处理。另外，该系统也可预防火灾、气体泄漏等危险，它改善了传统的防范设施只防不报的弱点，给家庭带来全新的安全。
    系统可以支持现场报警，还可以支持通过3G网络访问家庭计算机管理终端和进行现场视频查看。如果将系统进行扩展，甚至可以通过手机对家庭中的所需传感器进行操控。

2 系统的组成
    家庭防盗自动报警系统主要由传感器阵列、放大器阵列、采样／保持阵列、A／D转换器阵列、单片机系统、2G／3G模块、摄录系统以及监控计算机等设备组成。将家庭防盗自动报警系统分以下几个组成部分如图1所示。

    (1)传感器阵列是指在家庭防盗自动报警系统所容纳的范围的左右传感器的总和，在家庭室内的所有传感器都被连接到传感器阵列上进行统一控制和管理。传感器的正常工作以及感应灵敏度，直接决定了整个系统的灵敏度和报警正确率。常见的红外传感器的工作原理，是通过探测其他物体发射的红外线转换成电信号进行工作的，可分为主动式和被动式两种。本系统可以通过室内布放的被动式红外传感器对入室的“盗贼”身上发出的红外线进行探测的原理进行报警。选择布放红外传感器的位置对本系统的识别率有较大的影响，该问题可以通过实验解决。还有一种主动式红外传感器布放在窗户和门的两侧，这类红外传感器通过一个发射器发射红外线给另外一个接收，一旦有“盗贼”非法进入，切断红外线的传播路径时将会触发红外线传感器动作。对于震动传感器，可以通过感知其周围的微小震动来触发自己工作。
    (2)放大器阵列是所有工作用放大器的总称，它将各种工作用放大器集中起来进行统一管理。在本系统中，被检测的物理量经由传感器变换成模拟的电信号，往往是微弱的微伏级信号，不能被直接处理，所以要通过添加前置放大器对传感器得到的电信号进行放大。
    (3)采样／保持阵列是采样保持器的总称。从放大器发出的电信号要经过采样保持器进行采样，并且要在测量时间内将该信号进行保持，以便有足够的时间对测量信号进行处理。实际使用中需要通过测试来确定采样保持器的采样频率和保持时间，以满足家庭防盗自动报警系统的实时报警需要。
    (4)A／D转换器阵列包括了对所有从放大器发出的信号进行A／D转换的功能，以便被计算机处理。至于A／D转换器的分辨率，也要通过实际的测试来确定。
    (5)单片机系统用来处理来自A／D转换器的信号，并进行统一的编码处理，以便之后计算机进行统一编程。另外，单片机系统同时要对来自A／D的数字信号进行统一的预处理，如加权、平均以及去除干扰信号的过程，以使发送给计算机的信号都是可以使用进行过编码和预处理后的信号。
    (6)摄录系统是为监控家庭室内情况以及在必要时候摄录“盗贼”作案现场，作为以后的犯罪证据使用，该系统可以不放在室内的需要重要监控保护的位置。
    (7)2G／3G模块是用于向外发射数据的模块。在2G模块下，监控计算机可以将报警信号以语音或者短信的形式发送到主人手机。在3G模块下，监控计算机除了可以发送语音和短信报警信号外，还可以通过3G网络进行室内视频监看。
    (8)监控计算机负责处理来自单片机系统的已编码信号。已编码信号按照预定格式进入到监控计算机后，监控计算机按照预定程序对这些信号进行处理，如果是常规信号，计算机只做日常采样日志处理。如果是预置的“盗贼”威胁信号，则启动预置的自动报警程序，并可以进行录像。

3 系统工作原理
    家庭防盗自动报警系统的系统报警流程图如图2所示。

    (1)非法入侵阶段。包括采取钥匙、推拉以及暴力破换门窗进入监控区域的行为。在门和窗户两侧，安装主动式红外线传感器，只要有非法入侵，截断红外线传感器的红外线光束，都会触发红外线传感器动作。
    另外在房内，装有被动式的红外线传感器和震动传感器，当非法入侵在侥幸进入室内进行活动，将会触发这两种传感器动作，从而产生报警信号。一旦报警信号产生，就会触发预设流程。
    (2)异常信号相对于正常信号。平时监控计算机只对正常信号做日常监测和日志记录。一旦有非法入侵发生时，传感器就会发出相应的异常动作信号，而这些异常信号经过放大、采样保存、A／D转换、单片机处理以及相应的编码后，就会变成监控计算机可以直接读取的异常信号。这些异常信号将会由单片机通过专用信号线直接发送给监控计算机进行下一步动作。
    (3)监控计算机。当计算机接到异常信号后，将根据自己数据库中记录的报警类型和警情位置进行处理。比如，当入侵发生在正门时，计算机将根据初始数据库的设置将正门的警情以及相应的报警种类发送给警情处理程序，有警情处理程序按照预定的设置完成整个报警。
    (4)警情处理。监控计算机接到警情报告后，将会以声光警告的形式对非法入侵进行声光警告，同时启动监控摄录程序进行拍摄，并向报警平台发送报警信息。如果入侵者中止侵入并退出，则声光告警停止，但摄录程序和报警程序继续工作。如果声光警告后，入侵活动仍在进行，则除上述流程外，还可以根据预设程序直接呼叫110。
    在警情处理过程中，监控计算机将会通过2G／3G模块向主人手机直接发送报警呼叫和预先编制好的报警位置和报警类型。如果使用3G模块，则会通过3G网络将摄录机的视频画面直接传到主人手机上，主人可以根据情况决定处理过程。
    (5)警情反馈。当主人手机接到报警电话或短信时，可以根据预先编制的程序直接从电话或短信中获知警情位置和报警类型。若是3G手机，可以直接实时查看监控摄像头的监控范围，从而决定是直接处理还是向公安部门报警求助。若是误报警，可以通过手机方式经监控计算机将系统复位。

4 系统软件设计
    系统的软件设计比较复杂，可分为单片机模块设计、系统控制模块设计、警情处理模块设计以及报警处理模块设计4个部分。这里只对系统控制模块初始化和警情处理模块的中断处理软件设计流程叙述。

    图3给出了系统控制模块初始化的流程图。该过程将系统的各个部分进行初始化，保证系统的各个部分正常工作。在系统的日常工作中，按照预先设定的控制流程对各个传感器端口进行检测操作并计入日志。

    图4给出了警情处理模块的中断处理过程。从流程图中的判断语句可以看出，无论是报警还是报警后的反馈，都要求有相应的干预，否则系统将会反复地提醒直到主人通过手机发回反馈为止。

5 使用案例
    天蓝花园是郑州市北部的一居民小区，有1 000多住户，南于远离市区，治安环境较差。本系统采用和本地通信运营商提供的3G通道合作的基础上在本小区实验布放50户设备，安装成本每户约2 000元。经过近半年的使用，设备工作良好，这些用户不仅实现了零被盗，而且可以直接通过手机查看家中情况。所以，该系统不仅经济，而且实用性强。

6 需要注意的问题
    (1)各传感器动作阈值要预先试验设定，避免误动作。
    (2)被动式红外线传感器的布放位置应该尽可能的兼顾整个室内面积。
    (3)可以对声光警告设定不同的级别以震慑非法侵入者。
    (4)所有的预处理工作都交由单片机完成，送入计算机的为已编码数据。
    (5)可以增设烟雾、温度、湿度等传感器来增强告警种类。
    (6)对于报警短信应预先设置理解的格式。

7 结束语
    设计了一种新型的家庭防盗自动报警系统。通过该系统可以实现家庭无人时的室内安全监控。另外，使用者可以利用3G网络直接经由监控摄像头查看自己室内的各种情况。同时，可以通过扩展程序对室内的相应部位进行编码，通过手机甚至可以操作自己家内的譬如微波炉之类的电器动作。