家庭远程安防系统设计与实现

雷少坤，冯 新，于登秀，曾 琪，彭 杰，熊 伟

（西北工业大学机电学院，陕西 西安 710072）

0 引言

对于一般城镇居民住宅区，人口密度及建筑规模逐年扩大，由于相关部门的安防设备较为落后及管理成本过高，户主无法实时有效监控自己家庭安全状况，造成居民的生命财产安全时常受到侵害［1］，因此，必须采用先进新型的安防系统对住宅区的安全进行有效的监控。目前，家庭安防系统正朝着实时性强、扩展性好、网络化管理、易于操作和成本低廉等方向发展。

1 系统总体方案设计

基于以太网技术［2］和无线通信技术［3］，设计了一种新型家庭远程安防系统。家庭远程安防系统采用分布式结构及网络化管理，主要由家庭单元节点、通信总线、小区监控中心及户主手机4部分组成，如图1所示。

图1 系统整体结构

每个家庭单元节点包括安防传感器组、单片机控制单元及通信接口单元。安防传感器组包括燃气检测传感器、人员活动传感器和烟雾检测传感器等，可检测室内空气中燃气及烟雾含量，非法入侵等安防信息。通信接口单元包括以太网接口和无线通信接口。由单片机控制单元对检测到的安防信息进行分析处理，并将安防信息及决策结果通过通信接口输出，通过以太网及无线通信总线将数据传输给小区监控中心及户主手机。

小区监控中心由计算机、路由器和GSM模块组成。计算机和路由器组合可接收每个节点通过以太网总线进行传输的数据；计算机和GSM模块组合可接收每个节点通过无线通信总线进行传输的数据。通过小区监控中心远程终端软件的实时分析，将安防信息转发给户主，并进行语音报警，且将安防信息及处理结果存入数据库。此外，远程终端软件可对各家庭单元节点进行设防和撤防。户主手机除了可接收安防信息外，也可以向其授权的节点直接发送设防和撤防等指令，但住户手机号必需经过远程终端软件系统注册授权后，远程控制功能才能激活。整个小区统一管理，可避免户主不能及时处理可疑状况的情况。

2 系统主要模块的硬件设计

家庭远程安防系统各节点采用C8051F040嵌入式处理器，其支持TCP／IP传输协议，可通过软件配置每个家庭单元节点的IP地址等信息，实现以太网通信。C8051F040支持串口通信协议，通过该协议向GSM模块发送AT指令，进行无线通信网络的注册和配置，实现无线通信。安防传感器实时采集家庭单元节点的安防信息，通过以太网及无线通信远程传输到监控中心，户主手机也通过GSM无线通信向授权的节点直接发送设防和撤防等指令，实现网络化远程控制。节点硬件原理如图2所示。

图2 节点硬件原理

2.1 传感器检测硬件设计

安防传感器组主要由可燃气体检测传感器（MQ－2）、人员活动传感器（HC－SR501）和烟雾检测传感器（MC14468，NIS－09C）等组成。

传感器检测硬件原理如图3所示。可燃气体检测传感器内部的气敏元件对不同种类、不同浓度的气体产生不同的阻值，对其输出的电压信号进行A／D转换，并将转化后的数据送入中央处理器的AIN口或P3口，进行分析处理。HC－SR501是基于红外技术的自动控制模块，当人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。因此，只需要将其连接到中央处理器的I／O口，即可实时感应是否有人存在。MC14468是美国Motorola公司生产的离子感烟探测报警专用芯片，其与NIS－09C组合，当感测到烟雾存在时，能通过外接的压电式换能器和内部的驱动电路发出报警声，同时通过P2.1口检测芯片启动使能端口的电压，进行烟雾检测。

图3 传感器检测硬件原理

2.2 以太网接口电路设计

以太网控制器选用Silicon Laboratories公司的CP2200芯片，完全兼容100／1000BASE－T网络。以太网硬件接口原理如图4所示。图4中，RJ45是与局域网连接的端口，CP2200采用的是外部时钟，具有更高的稳定性。其余端口对应连接于中央处理器的端口，即可实现以太网通信。

图4 以太网硬件接口原理

2.3 无线通信接口电路设计

无线通信模块选用西门子公司的GSM双模无线数据收发模块（TC35），提供了标准的AT命令接口，支持语音和短消息的传输［4－6］。通过串口总线将其与中央处理器连接，如图5所示。每个节点的中央处理器通过串口总线实现与GSM模块的通信。

图5 节点中TC35的硬件连接

3 系统软件设计

系统软件设计包括家庭单元节点软件设计和远程终端软件设计。家庭单元节点软件用来控制下位机，进行家庭单元节点安防信息的采集、处理与收发；远程终端软件即上位机软件，用来接收各家庭单元节点安防信息，发送设防撤防指令，对各家庭单元节点实现统一的信息管理、资源分配和预警调度。家庭单元节点软件和远程终端软件又都包括以太网软件设计和GSM软件设计，其实现原理相同。

3.1 以太网软件设计

以太网系统运行时，下位机要完成以太网控制器CP2200的信息交换、中断处理、定时重传和定时更新等任务，因此将其划分为系统主控模块、CP2200驱动模块和TCP／IP协议模块等［2］。

以太网主控模块工作原理如图6所示。家庭单元节点一直循环检测有无收到主机发送来的数据包。如果没有收到数据包，则判断TCP传输是否超时，TCP休止时间是否超时，ARP传输是否超时，ARP缓存是否更新，并进行网络修复；如果收到数据包，则根据图7所示的流程进行数据的处理，发送相应的信息。

图6 以太网主控模块工作原理

3.2 GSM无线通信软件设计

通过串口总线中央处理器，可发送AT指令控制家庭单元节点中的GSM模块，将家庭单元节点的安防信息发送到小区监控中心。串口通信模块的设计如图8所示，其工作原理是:家庭单元节点中GSM模块，通过发送包括字符串和十六进制2种格式的AT指令，与小区监控中心中GSM模块及户主手机进行通信，并根据图9所示的流程进行数据的处理。

3.3 远程终端软件设计

远程终端软件对各家庭单元节点实现统一的信息管理、资源分配和预警调度，实时监控整个小区用户家庭的安全状态。主程序主要实现TCP／IP协议通讯和串口通讯功能，通过多线程多任务使2种安防方式同时工作。Net.Framework为应用程序访问Internet提供了分层的、可扩展的以及受管辖的网络服务，System.Net类的分层结构实现了系统在不同的控制级别上对网络的访问。因此，在编写TCP／IP套接字级别的协议时，使用TcpClient和TcpListener，而不是直接向Socket里写，其不需要处理连接的细节，为网络的实时性提供了更高的保证。串口中断服务程序主要是完成计算机对嵌入式客户端进行参数的配置，其收到的数据报只有一种格式，因此，利用C＃提供的串口标准通讯函数，即可实现GSM模块通信功能。

终端软件首次使用时需要添加户主，配置好IP地址、手机号码等信息，并存入数据库。软件如果接收到家庭单元节点发送的安防信息，将在第一时间进行语音报警，并转发短信通知户主。同时本软件亦将各种操作、各种报警信息记录于数据库中方便户主查询。主程序流程如图10所示。

图10 主程序流程

4 实验验证

为对系统工作的实时性和可靠性进行验证，将5个家庭单元节点和1台监控中心构建成现场模拟的家庭远程安防系统，并用计算机模拟995个家庭单元节点与上述5个家庭单元节点同时发送和接收安防指令。通过对不同数量和类型的预警情况进行模拟，结果表明，系统没有发生任何拥塞现象，也未发生虚警和漏检。

5 结束语

采用以太网技术及无线通信技术，设计了家庭远程安防系统，重点阐述了系统软硬件的设计及实现方案，并通过计算机进行了模拟实验。结果表明，系统可实现住宅小区监控中心对每个家庭单元节点及户主对授权家庭单元的安防状态，进行实时有效的监控，系统采用网络化管理，易于系统维护及家庭单元的扩展，并易于推广到其他应用领域。

［1］王会清，程 勇.基于LabVIEW的家庭智能报警系统研究［J］.武汉工程大学学报，2011，33（11）:78－82.

［2］张 丽，梁楚樵.基于CAN总线的住宅小区安防系统［J］.武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2006，28（2）:7－9.

［3］柏业超，杨 波，张兴敢.基于GSM模块TC35的智能门控安防系统设计［J］.电子测量技术，2008，31（1）:130－132.

［4］于胜云，孙胜利.多路无线红外探测智能安防系统设计［J］.激光与红外，2008，38（4）:345－347.

［5］杜向党，李 淼，张继红.基于无线传感器网络和GPRS的无线远程监控系统设计［J］.机械与电子，2010，（2）:72－74.

［6］王 伟，王华奎.基于无线传感器网络的工厂安防系统设计［J］.计算机测量与控制，2011，19（3）:736－739.