基于现场总线LonWorks智能防盗系统的设计

目录第一章设计题目分析、总体设计方案选择..................2第二章系统电路设计...................................32.1系统网络设计的整体介绍.............................32.2LonWorks总线技术概述...............................52.3收发器的介绍.......................................52.4基本电路的设计.....................................62.4.1单片机的认识.....................................62.4.2防盗探测器电路设计...............................72.4.3防火探测器电路设计..............................92.4.4自动报警器电路设计..............................102.4.5声音报警电路....................................122.4.6电压比较整形器..................................132.4.7执行电路........................................142.4.8LED路设计.......................................15第三章系统软件设计.................................16第四章调试及仿真...................................17第五章总结.........................................19参考文献............................................20第一章：设计题目分析、总体设计方案选择随着通讯技术和控制技术的高速发展和应用，在工业与民用建筑上广泛使用传感器技术，使建筑物获得了智能作用。而我们把网络技术为核心的信息技术的迅速渗入建筑物中，建筑群的发展空间得到极大地拓展。在全国建成了一批又一批智能化住宅小区。建筑物的智能化问题也已经被提上日程。在典型的建筑物中防盗门窗的应用日益广泛,这些措施虽有一定的防盗作用，我们生活水平的提高，小区和居民住宅中有很多贵重的物品，但人们在睡觉时和外出游玩或者工作的时间段中不会很放心，并且盗窃者的技术手段也在大大增强。人们渴望一个安全生活的空间,楼宇智能化的需求日益迫切，而楼宇安全防范系统作为衡量楼宇智能化程度的重要标准之一，对它们的要求也是越来越高。防盗系统是保障居民人身和财产安全的重要手段；对其进行的研究具有深刻的实际意义。安全防盗系统作为小区智能化系统中的一个重要环节必须具备高度的安全性、保密性；必须做到高智能的技防措施和人防管理有机结合，从而加强小区的自身防范能力，确保小区的人员和设施的安全。传统的防盗报警系统只是单纯的防盗系统，其功能并没有集成在一起,而是自成体系。当出现异常情况时，通过家中的电话线路自动拨号报警；并将相关信息传送至中央控制器中，系统不需要另外占用电话线路；当有报警信号时,报警电话享有电话线路的优先权,报警传输网络采用电话线，即通过电话线把警情信息传送至中央控制器。采用这种传输方式的优点是投资小，已建好的小区不用在报警器与中央控制器之间重新布线；缺点是单纯的防盗报警系统只能够对一种报警信息进行采集，而且采用电话线来上传警情信息，实时性差，系统的功能不易扩展，不能满足用户日益增长的功能需求。针对这种情况，在传统的防盗报警系统的基础上提出了基于LonWorks的控制系统，且该报警系统是集防盗于一体的联动报警系统。基于LonWorks现场总线的家庭保安系统集现场总线技术、微机控制技术及网络通讯技术于一体，能够达到高可靠性、高准确度、低误报率以及实时联动控制。它为人们提供一个安全的生活和工作环境的系统。达到事先预警、事后控制和处理的效果，保护建筑(大厦、小区、工厂)内外人身及生命财产安全。第二章：系统电路设计2.1系统网络设计的整体介绍硬件系统的设计由中央控制器、LonTalk适配器以及多个自动报警器组成。这些自动报警器相当于一个智能节点，用于采集现场盗情和火情信息，节点数量可根据监控的需要增减。当有警情信息产生时,通过电话线路拨号报警，同时通过LonWorks总线将信息传送至中央控制器，中央控制器管理软件负责处理接收到的各类报警信息，及时通过声光等辅助手段通知小区治安亭的值班人员进行时间处理。系统网络结构如图1所示图1系统网络结构图该系统的控制功能已分散到各个节点，即自动控制器中，这也是本系统设计的核心和重点。现在的住宅小区正逐渐向智能小区方向发展，把每个节点安装于居民住宅，用于对居民住宅各个不同部位的不同类型探测器(红外、微波、光电感应)进行检测与控制,并对从各个探测器采集来的数据进行处理。节点在中央控制器、通信链路和其它节点出现故障的情况下均能安全地工作，提高了系统的可靠性。智能节点主要完成检测与信号处理以及中央控制器和智能节点间的信息交换(包括智能节点检测到的信号、自身的运行状态和中控机发出的控制命令)两项任务。该系统中的智能节点，即自动报警器的硬件电路主要由神经元芯片、单片机、键盘、LED显示、蜂鸣器以及信号采集部分、执行器部分等组成,其结构如图2所示。其中信号采集部分主要是防盗探测器，防盗探测器可以由门磁开关、微波探测器、主/被动红外探测器等构成。电磁锁除具有普通锁的功能外，它还具有依据开锁时间长短识别主人与窃贼的功能。当主人用原配钥匙在较短时间内开锁时，电路不报警；当窃贼撬锁或使用万能钥匙开锁时，一旦超时即可产生报警信号。微波侦测由多普勒效应传感器产生的微波信号通过环行天线发射到空间，形成一个立体空间微波警戒网，当人进入其中，从人体反射回天线的微波信号与原信号就会产生频移，对此频移信号进行鉴别放大即可产生报警信号输出。家庭防卫型红外探测器常采用一种被动式红外探测器，当人进入保护区时，人体温度会引起环境温度辐射场的变化，安装于某角落的探测器感受到这种变化后即可产生报警信号。玻璃破碎感应器通过感应玻璃破碎时产生的声音和振动，而达到触发报警的目的。2．2LonWorks总线技术概述LonWorks作为一种现场总线技术，是一个开放的控制网络平台技术，是国际上普通用来连接日常设备的标准之一。比如，它可将家用电器、调节设备、窗户、灯光控制系统等相互连接并和互联网连接。它由美国的Echelon公司于20世纪90年代初推出．LonWorks控制技术具有优良的开放性、互操作性、灵活的网络拓扑、网络适应性以及面向对象的网络通信设计等优点，所以，使得LonWorks技术已从工业自控逐步发展运用至安全防范系统中。LonWorks技术主要特点有：分布式控制、良好的开放性和互操作性、系统网络结构灵活、节约成本和方便维护。而LonWorks协议作为LonWorks系统的核心，遵循由国际标准化组织(1so)定义的开放系统互连(0sI)模型，包含LonTalk协议和ANSI／EIA709．1控制网络标准。为满足控制网的可靠和鲁棒的通信标准要求，LonTalk协议为控制应用提供了一个可靠性高、性能高、抗干扰性高的通信机制。上图中Neuron芯片MC14315相当于两个寄存器，一个是读、写数据寄存器(偶地址)，另一个是只读状态寄存器，又称控制寄存器(奇地址)。主机通过对这两个寄存器的访问实现与3150芯片之间的数据并行传输。控制寄存器的最低有效位(通过IO0读取)，就是握手HS位，主机通过对控制寄存器的访问获得3150芯片反馈的握手应答。3150芯片接收108作为片选信号cs，接收IO9以确认主机的读、写操作R／W，接收IO10作为寄存器的选择输入A0(A0是主机地址总线的最低有效位)。出现下列两种情况时，IO0～IO7构成双向数据总线：(1)CS维持“低”，IO10为“高”，R／W为“低”(2)cs维持“低”，IO10为“低”，R／W为“高”或“低”。如果cs维持“低”，IO10为“高”，R／W为“高”，IO0输出的是给主机的握手应答信号。所以，主机访问偶地址是实现数据传输，访问奇地址是监视HS的状态。2.3收发器的介绍在与LonWorks总线的接口上，选用的是FTT-10A自由拓扑双绞线收发器。它支持无极性星型、总线型和环型布线，不再局限于总线拓扑结构。FTT-10A收发器的主体是一个隔离变压器，它集成了一个78kbps差分曼彻斯特编码通信收发器。FTT-10A能自动检测5M、10M或20M三种时钟频率；在未加电时呈高阻状态，不会影响网络通信，是常用的收发器。2.4基本电路的设计2.4.1单片机的认识AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。故此设计采用AT89C51。图3AT89C51的引脚结构图2.4.2防盗探测器电路设计微波探测器为空间探测器，用于探测在防范空间内的任何运动物体。微波探测器可靠性强，无光亮和热源的要求，探测环境要求低。在微波段，当以一种频率发送时，在微波能量覆盖的范围内，如果有物体移动，将会以另一种频率反射，这样发射频率和反射频率有一个频率差异产生。这种频率差异与很多因素有关，其中包括移动物体的速度，与探测器的径向角度等。实际电路中，是由振荡器电路产生并发射近微波段电磁波形成微波场，天线把电信号转换为相应的电磁波辐射到周围空间，辐射半径可达10m以上（如果想继续增大辐射半径或提高灵敏度可以通过调整天线的大小和方向来完成）。当有人在场中运动时，反射回去的微波将发生频率变化，从而使微波探测器输出一个与人体运动速度有关的低频电信号。根据该特性，也选择微波探测器用于盗情的检测。图4微波探测器原理框图环形天线和它周围的电阻、电容和MOS场效应管组成了近微波段高频自激振荡电路（它的振荡频率在1GHz左右），微波探测器原理如图3-1所示，当电路接通电源以后，振荡产生的单频、等幅信号通过外接天线发射到空间，产生一个立体空间微波防护区，天线既发射振荡信号，也接收回波。反射回来的微波信号与原信号之间混频后产生微弱的频移信号，该信号送放大器进行放大。放大后的信号送窗口式鉴幅比较输入端，经比较将一定强度的探测信号转换为宽度不同的等幅脉冲输出。微波探测器电路使用的主要元件是单电源通用四运算放大器KIA324P、环形天线、微波振荡管C3355及一些外围元器件，外接＋6V电源。其电路图如图5。天线比较电路微波振荡电路前级放大两级放大滤波电路LED电源图5微波探测器电路图当有人在该微波防护区内移动时，振荡频率和幅度发生相应的变化。根据多普勒效应，该波动的频率与物体运动的快慢有关，而幅度与距离有关。混频后高频信号因为过高而失去作用，剩下微弱的低频信号经U1作前级放大，10pF电容与7.5K电阻构成充电电路，充电电压作为第一级比较器U4的基准电压，同时实现延时功能，即只有前级放大电压高于该参考电压时，输出才为高电平，此时，C9O15导通，最后信号经U2、U3构成的窗口比较器比较后输出探测到的信号。实验过程中报警范围实测约为7-8米，探测到有效信号时，有20秒的报警信号输出，LED发光做出预警指示，可有效的进行