CN202221614U - 家庭安防系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种家庭安防系统，包括家庭网关和传感器，还包括提供所述传感器与所述家庭网关进行信息交换的zigbee无线收发模块。所述家庭网关包括有中央处理器及设置在中央处理器上的连接摄像头的摄像头接口、UART串口接口、以太网接口、SPI接口、LCD接口和I/O接口。所述中央处理器包括有基于ARM11架构的主控芯片s3c6410及外围电路。所述摄像头接口为能连接USB摄像头的USB接口。所述UART串口接口连接MC35iGSM模块。所述I/O接口连接语音报警器。所述传感器为火灾探测器、防盗探测器和煤气探测器。本实用新型省去了安装家庭安防系统中繁琐的布线过程，实现了安防信息的多点、远距离传输，提高了安防系统的安全性、可靠性与隐蔽性，降低了成本。

Description

家庭安防系统

技术领域

本实用新型属于无线网络通讯控制技术领域，特别涉及基于zigbee技术在数字家庭安防系统中的应用领域。

背景技术

1979年公安部在石家庄召开第一次全国刑事技术预防工作会议后，安全技术防范作为一个专业领域，已经历了20多年的发展历程。安防行业的应用范围在不断扩大，归纳总结安防行业发展的三个历史阶段，主要是以安防行业应用为分析特征的。      1979年～1983年，起步阶段。安防行业的应用范围有限，主要限定在非常重要和特殊的单位和部位。当时的典型安防工程是故宫博物院工程和天安门的监控工程。      1984年～1996年，发展阶段。安防行业的应用以内部保卫为重点，广泛发展到重要单位和要害部位。各级公安机关更加重视安全技术防范工作，加大了对主要单位、要害部位的安全防范力度，像金融系统、文物系统、军工、邮政等重要单位的安全防范工程应用建设。      1997年至今，提高拓展阶段。探索安全技术防范的发展规律和方向，安防行业的应用范围发生了巨大变化，已由重要单位、要害部门的防范发展到商业、学校、社区、家庭等社会层面的全面防范。     家居安防产品在10多年前就已经开始进入市场，现在6、8、16防区的家庭安防报警主机的价格已经做到几百元，但还是打不开市场，真正原因在于安防系统有下面几个难题没有很好解决：一是误报警，这是家庭安防系统没有能大规模进入普通家庭的最主要原因，家庭安防系统很好，但是3个月内或者更长一段时间只要有一次误报警，使用者就无法承受，但是作为电子产品，要做到无误报警几乎是不可能的，即使是产品质量再高的产品；二是撤防不方便。原来家庭安防系统设防可以做到很方便，但是撤防一般要求输入一组密码才能撤防，密码有错误就会产生误报警；三是主要的出入口防盗门没有安装门禁，主要出入口由于各种原因，大多数普通住宅都没有安装门禁。现在用万能钥匙开机械锁是很平常的事，只要小偷用万能钥匙打开锁后进入，利用设备再检测到门打开后需要延时约一分钟时间（让用户用钥匙开门后输入撤防密码）的时机把报警主机破坏。那整个系统全部都不起作用。因此现在大多数的相关公司主要产品都用在写字楼作为公司的安防系统，很少用在普通家庭；四是为了弥补由于误报警的缺陷，在家庭防盗主机中也安装了在报警的同时通过网络或电话通道发送静止照片。由于产品的成本高（3000元左右）、图像发送时间长（约几十秒），不能在手机上显示等原因，限制了产品的使用范围。

但是随着生活水平的不断提高和安全防范意识的逐步增强，人们越来越关心自己的居住环境，不仅要求家居环境的人性化和舒适化，而且对智能化和安全化也提出了更高的要求。报警系统作为智能家居系统的一个重要组成部分，其性能的好坏直接关系到整个智能家居系统的好坏。目前家居报警系统的信号传输主要分有线和无线两种。其中有线方式具有通讯可靠、抗干扰能力强、成本低等优点，但是其移动性较差、不适应用户及产品的变要求，对预留线的维护及更换难度较高；无线方式可避免传感器探头与主机之间的连接线影响室内装修，具有灵活、简洁等特点，是发展趋势。但无线数据传输易受到干扰，传输稳定性较差，并且现在家居环境中的无线电信号越来越多，对报警系统的干扰不可避免。报警信号的无线传输容易受到干扰，容易引起报警系统的误报警。

无线网络技术ZigBee的出现能够基本解决现有无线报警系统存在的一些问题。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率以及低成本的双向互联无线通信技术。它的应用领域包括工业控制、汽车自动控制、消费类电子、农业控制和医疗设备控制等自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。IEEE 802．15．4工作组制定了这项技术的核心，高层应用、市场推广、互联互通测试则由2002年成立的ZigBee联盟负责。到目前ZigBee联盟成员已经到了150多个，成员包括像IBM．Ember、摩托罗拉、三菱、菲利普半导体公司等，华为技术公司最近也加入了该组织。众多的半导体商瞄准了ZigBee市场，标准推出不久后符合该标准的芯片就很快面世了。能够预见到ZigBee技术在自动化和监控领域会有广阔的应用前景。ZigBee技术在目前是无线传感器网络应用的首选技术之一。ZigBee技术采用了直接序列扩频技术保证信号传输的可靠，避免受到其它信号的干扰；ZigBee网络支持主从式交互操作，网络中的从结点可以自由的进入或退出一个ZigBee网络来解决报警系统的反复布防撤防给用户带来的不便；本报警系统采用的无线通信芯片CC2430是基于ZigBee技术低功耗无线收发芯片，发射功率仅为1mw，再加上芯片工作周期短，采用休眠模式，可以降低芯片收发信息功耗，降低报警系统的使用成本。本文根据ZigBee技术和家居报警系统的特点，设计基于ZigBee技术的智能家居无线报警系统。

目前，随着人们消费水平的不断提高，现代家居生活的不断改善，用户对安防系统的功能和性能方面的要求也越来越高，对财产、人身安全的要求也越来越高。安防系统不再只局限于防盗，而且要能做到防劫、防火，并即时了解和解决家中突发事件，实现家庭安全系统的智能化．现在市场上出现的安防系统，不是容易引起误报，就是功能比较单一，或是采用有线连接方式，布线繁琐且线路容易老化。

发明内容

针对现代家庭安防的要求和当前市场上类似产品的不足，本研究提出了基于ZigBee无线传感器的一种家庭安防系统。该系统的特点在于利用zigbee无线网络的优势，实现了安防系统的无线网络化，省去了繁琐的布线过程，实现了安防信息的多点、远距离传输，提高了安防系统的安全性、可靠性与隐蔽性，降低了成本，也可以方便地根据实际情况增加或减少传感器节点的数量，具有很强的灵活性。

本实用新型的技术解决方案为：本实用新型的家庭安防系统，包括家庭网关和传感器，所述家庭安防系统还包括提供所述传感器与所述家庭网关进行信息交换的zigbee无线收发模块。

所述家庭网关包括有中央处理器及设置在中央处理器上的连接摄像头的摄像头接口、UART串口接口、以太网接口、SPI接口、LCD接口和I/O接口。

所述中央处理器包括有基于ARM11 架构的主控芯片s3c6410及外围电路。

所述摄像头接口为能连接USB摄像头的USB接口。

所述UART串口接口连接MC35i GSM 模块。

所述I/O接口连接语音报警器。

所述zigbee无线收发模块采用CC2430芯片。

所述传感器为火灾探测器、防盗探测器和煤气探测器。

所述火灾探测器包括温度探头与设有烟雾处理芯片的烟雾探头，还包括处理由所述温度探头和烟雾探头所提供信息的处理芯片。

所述防盗探测器包括红外线传感器和门磁传感器；所述煤气探测器采用MQ-5传感器作为感应器。

本实用新型省去了安装家庭安防系统中繁琐的布线过程，实现了安防信息的多点、远距离传输，提高了安防系统的安全性、可靠性与隐蔽性，降低了成本，也可以方便地根据实际情况增加或减少传感器节点的数量，具有很强的灵活性。

附图说明

图1为本实用新型的整体硬件框架示意图；

图2为本实用新型所采用的zigbee星型拓扑结构示意图；

图3为本实用新型所采用的火灾探测器结构示意图；

图4为本实用新型的工作流程图。

具体实施方式

   下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的说明。

一种家庭安防系统，包括家庭网关和传感器，还包括提供所述传感器与所述家庭网关进行信息交换的zigbee无线收发模块。该系统是以zigbee（IEEE 802.15.4）无线网络为基础。

所述家庭网关包括有中央处理器及设置在中央处理器上的连接摄像头的摄像头接口、4个UART串口接口、以太网接口、SPI接口、LCD接口和I/O接口。同时也设有电源及复位接口。

本实施例中，所述中央处理器包括有基于ARM11 架构的主控芯片s3c6410及外围电路。

本实施例中，所述UART串口接口连接MC35i GSM 模块，该模块可连接手机。

本实施例中，所述I/O接口连接语音报警器，优选ISD1420。

本实施例中，所述以太网接口连接远程控制中心。

本实施例中，所述zigbee无线收发模块采用CC2430芯片，与SPI接口相连接。负责发送各个探测器收集的数据，而接在家庭网关那端负责数据的收取，供主控芯片分析从而做出相应的措施。

本实施例中，所述传感器为火灾探测器、防盗探测器和煤气探测器。所述火灾探测器包括温度探头与设有烟雾处理芯片的烟雾探头，还包括处理由所述温度探头和烟雾探头所提供信息的处理芯片。所述防盗探测器包括红外线传感器和门磁传感器。

如图1所示，本实施例采用ZigBee和ARM11相结合，各种传感器输出的信号经过处理由支持ZigBee协议的CC2430收发模块传输至主机S3C6410，实现探测器前端信号与后端控制器之间的无线连接；主机根据各探测器节点情况判断家中有突发事件后，进一步判断是有非法人员进入还是有火灾隐患或是有煤气泄漏，无论哪种突发状况发生，主机都会启动USB摄像头对现场图像抓拍，通过GSM／GPRS模块短消息通知主人或者物管中心，并驱动报警装置进行报警，同时用以太网接人家庭网关的局域网或互联网，实现家庭网络Internet接入，从而构成嵌入式的智能家庭安防系统。

本实施例的具体工作原理如图4所示，首先是打开主机，初始化，根据需要选择按键，在选择设防工作状态时，主机扫描zigbee无线收发模块，直到检查有信号时，通过信号来源，判断是何种传感器在发送信号，相应地知道了家中发生的情况，紧急情况下，系统发生声光报警，手机通过GPRS发送短信通知用户，用户根据发来的信息了解情况后，发送相应的短信回主机，让主机做出相应的紧急措施，同时通过摄像头拍摄图像，通过以太网传送给监控中心，让监控中心人员紧急处理事故。

通过分析zigbee的三种拓扑结构的特点和家庭网关的需求，本实施例选择zigbee的星型拓扑结构组网，如图2所示。Zigbee星型网络最大优点就是结构简单，这种简单带来了很少有上层协议需要执行，较低的设备成本，较少的上层路由信息和管理简便。考虑到家庭内部无线网络连接距离较短，而zigbee技术最大传输距离为100米，完成满足家庭网络的需要，所以本实用新型采用了成本低廉、结构简单、容易连接、容易扩充和管理，实用可靠的zigbee星型拓扑结构建立无线网络。如图1所示，家庭网关作为中心节点，各种传感器作为终端节点。各种终端传感器把收集的数据传给家庭网关，家庭网关再根据收到的信息采取相应的措施。

zigbee无线收发模块采用CC2430芯片。CC2430芯片是Chipcon公司生产的首款符合zigBee技术的2．4 GHz射频系统单芯片是个真正的基于片上系统芯(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2．4GHz ISM波段应用对低成本，低功耗的要求。CC2430是整合ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器单芯片，集成了符合IEEE802．15．4标准的2．4GHz的RF无线电收发机，支持数字化的RSSI／LQI，具有CSMA／CA功能和强大的DMA功能、电池监测和温度感测功能，同时具有强大和灵活的开发工具，适用于各种zigBee或类似zigBee的无线网络节点，包括调谐器、路由器和终端设备应用于监视、控制网络时，其具有非常显著的低成本、低耗电的特点。CC2430在实际应用时只需外接少量的外围器件，像电源，晶振等就行。鉴于CC2430这些特性，用它来做zigbee无线收发器非常适合。Zigbee负责从传感器收到的数据信息传到家庭网关，让其分析情况而采取相应的措施。

本实用新型火灾探测器是利用DS2438其测量电池电压以及电流的这一特殊功能，检测温度探头与烟雾探头整个传感器电路。其中，温度探头使用TMP35G温度传感器，烟雾探测器采用美国摩托罗拉公司生产的感烟探测报警专用芯片MCl4468，外接一个离子型烟雾探HIS07及少量的外部元件，即可完成烟雾探测，报警功能，当探测到烟雾时，它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。本实用新型的火灾探测器正是采用由MC14468烟雾检测芯片，TMP35G温度传感器以及DS2438芯片为内核的集成的火灾传感器，如图3所示与传统的感烟、感温传感器相比，它具有体积小，功能多，功耗低，性能稳定等优点，更适合用于智能家居火灾的监控。DS2438在火灾报警器中担负着传感器通信、温度与烟雾报警信息采集的功能；MCl4468以及离子型烟雾探头担负着烟雾浓度的检测，并根据原先设定好的感应灵敏度，判断是否需要报警。其灵敏度设置可以根据需要进行调节，用户可根据传感器安装位置的不同，设置烟雾检测芯片的灵敏度。这种灵活的设置方式使得整个报警系统对于环境的检测更符合实际。整个传感器系统的结构如图3所示。如图3所示，基于DS2438芯片的复合传感器，通过监测探测器周围环境温度和烟雾浓度，把传感器附近的温度信息与烟雾信息及时反馈给家庭网关。当探头附近有火情发生时，环境温度和烟雾浓度也会有所变化，主网关根据传感器温度变化信息以及烟雾报警信息进行报警，并根据DS2438芯片上的序列码追踪灾情发生的位置，同时发出声音报警信号提醒工作人员采取相应的应急措施。

防盗探测器由门磁传感器、热释电红外传感器组成。把振动传感器安装在入户门上的隐蔽处，门磁传感器也是安装在人户门上，当门被打开超过2 cm时传感器会有信号输出。通过这2个传感器相结合来判断是否有人非法进入，排除误报。热释电红外传感器能感应到物体在室内的移动。BISS0001 是一款高性能的传感信号处理集成电路。静态电流极小,配以热释电红外传感器LHI968和少量外围元器件即可构成被动式的热释电红外传感器。人体有恒定的体温,一般在37℃,所以会发出特定波长的红外线,被动探头就是靠探测人体的发射的特定波长的红外线进行工作的,人体发射的红外线通过菲涅尔滤光片增强后,聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件,这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,双元热释电红外检测元件LHI968 的内部电路由两个双元热释电陶瓷,感应红外信号,再经场效应管放大输出。

煤气探测器采用MQ-5气敏元件。Q-5气敏元件由微型AL203陶瓷管、Sn02敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。其MQ-5型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。所述煤气探测器采用MQ-5传感器作为感应器。它对液化气、天然气及城市煤气有较好的灵敏度，而对乙醇、烟雾几乎不响应，具有高灵敏度，快速响应恢复，优异稳定性,长寿命优良抗乙醇、烟雾干扰能力等特点，适用于家庭煤气的监测装置。

用1000ppm异丁烷或氢气校准传感器。当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响，所以随着温湿度的变化，我们要调整报警点。

短信发送部分主要由MC35i模块实现。MC35i是Siemens公司推出的新一代无线通信GPRS模块，可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务(Short Message Service)和传真。模块的工作电压为3．3～4．8 V，可以工作在900 MHz和1800 MHz两个频段，所在频段功耗分别为2W(900 M)和1W(1800 M)。模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真、以及2．4k，4．8k，9．6k的非透明模式。通过独特的40引脚的ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。通过ZIF连接器及5011天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。MC35i模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块(ASlC)、闪存、ZIF连接器天线接口六部分组成。作为MC35i的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR和EFR语音信道编码。当家庭网关监测到有事故后，可通过串口将预先设定好的程序由MC35i模块发送短信给用户手机，也可由手机将控制命令发给短信模块再经串口送到微处理器实现远程无线控制该功能，可在外地发送短信来控制窗门关闭，防盗功能启开，气体检测功能开启等操作。

视频监控部分在节点需要采集的数据不能包括图像视频数据，因为其数据量太大，即使采用最好的压缩，也达1Mbps左右；而ZigBee是一种低速率无线传输手段，最高仅250 kbps的速率。所以本实用新型的图像视频数据可以通过internet连接到监控中心。在家庭中分布安装摄像头，监控到个个场景。捕捉到的视频图像可以通过网络接口传送到监控中心，监控中心模块负责监视每一个视频通道以及控制摄像头的动作。

所用的数字语音芯片ISD1420 ,采用先进的模拟数字语音存储技术,音质好,无须A/ D 转换,可录制20 s 的语音信息,可分段存储信息,采用总线技术,适宜与单片机接口。另外,它是零功率信息存储方式,断电情况下,信息可保留10 年以上;易于使用,可随意改变录音内容,录放次数达10万次以上。所以我们可以录入一些驱赶盗窃者的语音，把非法入室者吓跑；或是声音比较响亮报警鸣声通过报警，让相关人员听到报警声速来解决问题。

Claims (10)

1.一种家庭安防系统，包括家庭网关和传感器，其特征在于：还包括提供所述传感器与所述家庭网关进行信息交换的zigbee无线收发模块。

2.根据权利要求1所述家庭安防系统，其特征在于：所述家庭网关包括有中央处理器及设置在中央处理器上的连接摄像头的摄像头接口、UART串口接口、以太网接口、SPI接口、LCD接口和I/O接口。

3.根据权利要求2所述家庭安防系统，其特征在于：所述中央处理器包括有基于ARM11 架构的主控芯片s3c6410及外围电路。

4.根据权利要求2所述家庭安防系统，其特征在于：所述摄像头接口为能连接USB摄像头的USB接口。

5.根据权利要求2所述家庭安防系统，其特征在于：所述UART串口接口连接MC35i GSM 模块。

6.根据权利要求2所述家庭安防系统，其特征在于：所述I/O接口连接语音报警器。

7.根据权利要求1所述家庭安防系统，其特征在于：所述zigbee无线收发模块采用CC2430芯片。

8.根据权利要求1至7任一项所述家庭安防系统，其特征在于：所述传感器为火灾探测器、防盗探测器和煤气探测器。

9.根据权利要求8所述家庭安防系统，其特征在于：所述火灾探测器包括温度探头与设有烟雾处理芯片的烟雾探头，还包括处理由所述温度探头和烟雾探头所提供信息的处理芯片。

10.根据权利要求8所述家庭安防系统，其特征在于：所述防盗探测器包括红外线传感器和门磁传感器；所述煤气探测器采用MQ-5传感器作为感应器。

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