“防救并施”多功能住宅安全防護系統

魯可心 呂志剛 李亮亮 姚舜 楊占斐

摘 要 為提高住戶安防的智能化及可靠性，設計了一套集防盜、防火、防燃氣泄漏、緊急呼救等功能于一體的安全無線遠程防護系統。本系統使用STC15F2K60S2作為各個節點模塊的主導處理器，在實現數據采集的基礎上，通過Zigbee無線網絡將采集的數據發送至PC端的安全防護上位機，再由主機通過TCP/IP通信上傳至“安全終端服務器”。該系統利用多種通信技術將信號傳輸到用戶及物業，再由物業核實并通知120、110、119等救援部門終端，形成一整套綜合監管系統。系統具有實時性高、可靠性強、安裝簡單、成本低等優點，已經成功應用在智能家居領域中。

【關鍵詞】無線遠程 Zigbee 網絡通信 實時監控

針對現有安全監控系統存在的諸多不足，提出一種集防盜、防火、防燃氣泄露、緊急呼叫等功能于一體的家庭安全無線監控系統。

目前國內典型家庭安全無線監控系統監控功能單一，當需要監控多個對象時，布線復雜困難，不便擴展。集成綜合性能差，缺乏對防火、防盜、防可燃氣泄露等安全信息的統一監控。

本系統設計中提出一種實時監控系統對防盜、防火、防燃氣泄露等項目在內的實時視頻、音頻和傳感檢測信號等信息進行實時采集、監控和管理的家庭安全無線監控系統，研究系統功能及其組成結構，應用無線通信等技術設計系統網絡節點，實時采集防火、防盜、防燃氣泄露和緊急呼救等各類信息，通過設定不同工作模式，實現家庭安全監控和報警。

1 系統工作原理

硬件以STC15F2K60S2單片機作為系統的控制核心，煙霧傳感器監測是否有火災等煙霧異常事故的發生，對于防盜系統設計采用超聲波實時檢測是否有異常人體靠近，并在家庭中建立WMSN，采用性能穩定的Zigbee無線數據收發模塊實現數據的轉發，通過PC存儲各種檢測到的數據，最終實現傳輸數據的處理，將家庭內部情況進行采集并最終匯總到上位機電腦用于實時監控，再由用戶主機通過TCP/IP通信上傳至“安全終端服務器”。

整個系統由四大終端（小區物業、110＼119＼120安防管理平臺）和主從機組成。從機以煙霧傳感器報警、超聲波測距防盜報警、溫濕度傳感器、無線攝像頭、GPS幾大模塊為主。主機和從機構成的下位機通過無線通訊的方式，將監測到的數據傳輸到上位機實時監控顯示。上位機通過PC，將接收到的監控信息以短信的方式發送至用戶手機，用戶根據提示遠程調用網絡監控系統確認異常事故，若發生異常事故并及時處理。系統工作原理如圖1所示。

2 硬件原理設計

家庭中正常使用的電源為交流220V，主控模塊需要的正常電壓在5V左右。采用AFS5-5交直流電源轉換模塊加以輔助電路得到穩定的直流5V電壓。靜態攝像頭直流12V供電，采用AFS12-5交直流轉換模塊得到穩定電壓為攝像頭供電。如圖2所示為本項目設計的主控核心板，各個模塊給予相應的貼心標注，更為顯得系統人性化。

2.1 主控模塊

主控模塊是系統的核心，用來控制各個模塊和進行數據運算。本系統準備采用的是8位基于增強型8051核心的STC15F2K60S2作為微控制器，速度比普通8051快8-12倍，為保證家庭安防數據采集的準確度，采用精度和資源更為豐富的STC15F2K60S2。主要作為協調器的功能，將采集的數據通過Zigbee無線通信模塊與客戶PC搭建通信網絡，實現數據的準確傳輸以及對下位機的控制作用。

2.2 氣體質量檢測傳感器

用MQ135氣體傳感器采集家庭中的有毒氣體的濃度，此傳感器檢測到家庭所處環境中存在污染氣體時，傳感器的電導率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大。MQ135 氣體傳感器對氨氣、硫化物、苯系 蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其它有害氣體的監測也很理想。這種傳感器可檢測多種有害氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。如圖3所示。

2.3 溫濕度采集模塊

考慮到不同人群對于環境的感知度以及舒適程度均不相同，為保證家庭成員的舒適程度，我們采用DHT11數字溫濕度傳感器采集室內的環境參數。此傳感器采用單線制串行接口，使得整個數據采集系統具有簡單快捷，功耗消耗低的特點。如圖4所示。

2.4 超聲波防盜模塊

對于防盜傳感器，可采用人體紅外傳感器，考慮到紅外的誤差率較大精度不夠，為此本系統采用超聲波傳感器，如圖5所示。

（1）安裝于門窗及一切需要設防的位置，當有一定體積的障礙物靠近時，就會報警。

（2）由于其安裝在門窗等位置，使夜間主人的正常活動不受限制，這給用戶提供了極大的夜間布防的可能。

2.5 無線圖像采集模塊

安裝在住宅中的攝像頭可實現對家庭環境的實時監控，通過網絡將所獲得的圖像信息發送到PC端，主人可隨時隨地查看家庭的實時情況。攝像頭具體采用SONYCCD超高清960H 4140+673攝像頭；同時采用USB圖像視頻采集卡的形式存儲相應的數據，利用RC832+T5835圖像接受轉發實現無線通訊的方式實現圖片視頻的傳輸模式。

2.6 GPS定位模塊

采用GPS定位模塊采集家庭當前所處地點的經緯度信息，用于遠程服務器作為救援行車定位導航的基礎；由于GPS安裝在家庭屋內部是沒有信號，為此可將GPS安裝在屋外，保證遠程服務器及救援行車定位導航的正常運行。如圖6所示。

2.7 Zigbee無線通信模塊

家庭為一個局部空間，可采用傳輸距離近，效率高的DL-20無線模塊作為數據通信的橋梁紐帶，串口收發模塊的數據會被模塊用無線發出，收到無線數據的模塊會將這個數據使用串口發出，在兩個設備上使用模塊就像將這兩個設備用串口連接起來一樣。如圖7所示。

2.7 RS232通信模塊

在硬件設計中我們采用STC15F2K60S2內部集成的全雙工串行接口，外擴MAX232芯片，構成標準的232通信接口。

通過該模塊將采集到的溫度、濕度、煙霧濃度、有毒氣體等信息發送到PC機上客戶端上位機軟件，進行數據庫存儲，查詢等操作。通過正確連接遠程服務器可將數據實時發送至遠程服務器進行相應的處理。如圖8所示。

3 軟件設計

3.1 下位機軟件

下位機程序分為四大終端和從機程序，均采用C編程語言實現模塊化設計。在Keil4環境下編譯、調試通過，使用中斷、子函數、STM32函數庫等完成程序編寫，其主流程圖如圖9所示。

3.2 上位機軟件

上位機軟件采用微軟開發的Microsoft Visual Studio 2012開發工具編寫了基于串口通信及TCP/IP的遠程通信的“防救數據管理”軟件，本系統利用C#語言結合視頻采集卡制作了一個簡單的監控系統，以解決上面出現的各種問題。同時結合“120醫療服務器”、“110救援服務器”、“119防火服務器”實時監控異常事故的發生，為用戶的健康安全提供一套完整的“防救并施”防護系統。

上位機可對采集的數據進行ACCESS數據庫的實時存儲、查詢、刪除等二次開發。登錄主界面如圖10所示。

用戶輸入IP地址，點擊右側“連接”按鈕，即可連接指定服務器，進行功能調試，發送消息等功能，用戶在右小角“異常自動處理區”修改連接間隔時間，點擊“開啟異常”按鈕可實現安全數據定時發送給服務器，點擊“取消異常”可取消定時發送。如圖11所示。

結合“120醫療服務器”、“110救援服務器”、“119防火服務器”實時監控異常事故的發生，當有異常事故發生時，通過以操作員的方式遠程登錄具體用戶的視頻監控窗口進行實時調用查看；同時也可以通過手機APP遠程查看異常事故，調用遠程監控，進行查看保存回放等操作。如圖12所示。

4 結束語

本系統是一套集防盜、防火、防燃氣泄露、緊急呼叫等功能于一體的家庭安全無線監控系統，研究系統功能及其組成結構，應用無線通信等技術設計系統網絡節點，實時采集防火、防盜、防燃氣泄露和緊急呼救等各類信息，通過設定不同工作模式，實現家庭住宅安全監控和報警，具有很強的應用前景。

本系統可以根據具體情況，同時檢測溫度、濕度、煙霧氣體等多個異常事故的具體參數。具有自主傳輸數據，報警等功能，屬于多功能一體化。并且占用空間體積小，便于安裝，不易損壞。系統結構簡單，綜合成本適中，性價比高。大環境、大概念的推動也對家庭用戶選用無線智能監控設備產生了很大的推動作用。

（文章創新點：在本系統中用戶可以通過手機APP以及電腦客戶端來實時查看家中情況，如用戶不能及時查看，數據將會通過智能傳輸系統將數據傳輸給物業管理部門，通過網絡攝像頭傳回的畫面可以確定數據是否真實可靠，是否有誤報，并通知120/110/119。如用戶及物業都未能及時查看，數據將直接發送給救援終端，直接處理事故。本系統具有高度的實時性高和強的可靠性，讓安全無處不在。）

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作者簡介

魯可心（1997-），女，大學本科生，主要從事現通信工程方面的研究。

作者單位

西安工業大學電子信息工程學院 陜西省西安市 710021