基於Internet聯網的一種報警主機硬體電路設計
本文主要介紹了基於Internet聯網的一種報警主機硬體電路設計，系統主要介紹了系統的詳細設計過程，系統主要包括Atmega128外圍電路，ENC28J60乙太網介面電路，鍵盤/顯示介面部分，電源部分，主機通訊的串列埠部分，偵錯和下載介面，多路紅外探測器訊號輸入介面部分，聲光報警部分。本系統執行穩定，具有一定的實用價值。
隨著科技安防系統產品日益普及化，要求安裝防盜安全報警系統來保障生命財產安全的呼聲越來越高，如何籌建或改造現有聯網報警系統，將會影響到整個安防報警系統中心今後十年運作的有效性和反應速度。近年來隨著市場經濟的不斷髮展，城市社群環境美化、文明程度要求的不斷提高傳統的建築圍牆和防盜柵欄等簡單防護設施既破壞社群的整體形象，也不能完全有效的阻止犯罪分子的破門而入，同時緊鎖的鐵門和護欄在發生火災、地震等緊急情況時，使人難以逃生。因此城市安全防範的現代化、智慧化，居民財產的防盜防劫已成為政府和居民關注的問題。
其總體目標是：通過採用現代資訊傳輸技術、網路技術和資訊系統整合技術，進行精密設計、優化整合、精心建設，提高住宅高新技術的含量和居住環境水平，以適應21 世紀現代居住生活的要求! 同時中國安居工程需要大力發展安全文明智慧化小區建設。嚴峻的社會治安形勢，需要建立並完善文明安全小區防盜報警網路系統體系。特別是在當前每個家庭經濟承受能力有限的情況下，建設滿足防範功能及可靠性需求的安全文明小區防範防盜報警網路系統。
主機報警系統正是應這種市場需求而研發，以其低成本、易操作性和方便的構架方式，建立一個立體化、多層次、全方位、科學的24小時安全防範及服務網路系統，為居民提供更為安全、舒適、便捷的生活環境。
主機報警系統是利用全自動防盜電子裝置，在無人值守的地方，通過電子紅外探測技術及各類磁控開關判斷非法入侵行為或各種燃氣洩露，通過控制箱喇叭和警燈現場報警，同時將警情通過Internet傳輸到報警中心。本課題將完成Internet聯網安防報警系統的報警主機電路設計，是完成整個系統功能的基礎。
1.2 國內外發展現狀
目前，報警聯網主機系統主要有兩種方式電話線聯網和匯流排制聯網。但是根據業內人士對未來發展趨勢的分析，隨著全球數位化、網路化技術和產品的普及和推廣，基於Internet聯網的報警技術將會成為未來預警系統的主要發展趨勢。
現在國際上最先進的智慧報警主機已經作為一款集防盜、防搶、防火、防燃氣洩漏、家電控制為一體的高科技的數位化產品面向全球開始出售，為人類的提高生活品質方面做出著不可或缺的貢獻。最新的技術產品已經採用雙CPU數位控制、語音控制平臺，極大的提高了人性化操作；採用安全的專用編碼，杜絕錄入其它亂碼，保證系統安全穩定；方便快捷的歷史事件及防區狀態查詢，記憶儲存100條歷史事件，以圖文形式顯示防區狀態，直觀方便；也可利用無線介面功能獨立地控制一個或者多個家電的控制器，並能夠遠端控制家電，在報警的同時啟動無線家電控制器，使其系統不僅具有防盜報警等基本功能，還可以輕鬆升級為智慧家居控制中心繫統。
我國的安防技術得到迅速的發展和提升。就目前而言我國的安防產品多數是基於PSTN和GSM傳輸的，基於Internet的安防產品還處在初級階段，市場銷售最好的還是基於PSTN的視屏攝像監控產品，隨著技術的發展安防技術的總體趨勢是按照智慧化（數位化）、網路化（整合化）、個性化（人性化）、移動化（無線化）的方向發展，由於我國安防系統技術起步晚，使我國在報警主機技術發展方面與國際最新技術相比較為滯慢，實現具體的防盜、防災報警方面與國際沒有差異，僅在智慧系統方面略微落後。
為了適應資訊化時代的要求，在家居方面，世界上一些科研機構將智慧大廈的概念和模式引進住宅小區，從而使人類的居住條件和環境得到質的完善!智慧化小區是綜合運用計算機、資訊、通訊、控制等科學技術，以智慧控制系統、安防系統、小區物業管理系統和社群綜合服務為依託，用高科技手段構建小區高速網際網路絡資訊服務平臺，為小區住戶提供安全、環保、高效、舒適、方便的生活空間！
完善的報警系統可確保每一個使用者的生命財產的安全。智慧家居報警系統由家庭報警主機和各種前端探測器組成。前端探測器可分為煙感探測器、紅外探頭、緊急按鈕等。若有人非法入侵便會觸發相應的探測器，家庭報警主機會立即將報警訊號傳送至小區管理中心或使用者指定的電話上，以便保安人員迅速處警，同時小區管理中心的報警主機將會紀錄下這些資訊，已備查閱。
此預警系統為使用者提供基礎的生命財產保障，可分為前端探測器、網路訊號傳輸系統、控制中心控制系統等。而且，此預警系統具有很強的適應性及相容性，各種功能利用智慧系統網路傳輸部分以及系統前端家居智慧控制器，在設定自己的控制器和管理軟體基礎上，便可完成各自的控制。
從安防角度來講，此係統可實現家居安防的報警點的等級佈防，並採用邏輯判斷，避免系統誤報警；可採用鍵盤對系統進行佈防、撤防，一旦發生報警，系統自動確認報警資訊、狀態及位置，而且報警時能夠自動強制佔線。以下分類介紹此係統的應用功能特點：
報警及聯動功能。通過安裝各種感測器來實時監測其防區內的狀態，一旦發生災情或突發事件能夠及時的向報警主機發出訊號。
緊急求助功能，安裝在室內的報警控制器具有緊急呼叫功能，小區管理中心可對住戶的緊急求助訊號做出迴應和救助。
報警管理顯示功能。住戶離開家時，設防進入離家模式即防盜報警狀態，為有效防止非法入侵，小區物業中心的管理系統可實時接收報警訊號，自動顯示報警住戶號和報警型別，並自動進行系統資訊存檔。
預設報警功能。此係統可預設報警電話，如110、 119等進行不同的報警，並與小區實現聯網。另外，可通過預設發警報到住戶的手機或指定電話上。
4.1 微控制器電路模組設計
Atmega128為基於AVR RISC結構的8位元低功耗CMOS微處理器。由於其先進的指令集以及單週期指令執行時間，Atmega128 的資料吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。它工作於16 MHz 時效能高達16MIPS，只需兩個時鐘週期的硬體乘法器，非易失性的程式和資料記憶體。其管腳圖如下所示：
圖4-1 Atmega128結構框圖
AVR微控制器與其他型別的微控制器相比具有以下特點：
高速、低耗、保密：AVR微控制器具有預取指令功能，即在執行一條指令時，預先把下一條指令取進來，使得指令可以在一個時鐘週期內執行；AVR微控制器耗能低。對於典型功耗情況，WDT關閉時為100nA，更適用於電池供電的應用裝置。有的器件最低1.8 V即可工作；
AVR微控制器保密效能好，無法用電子顯微鏡看到。
I/O口功能強,具有A/D轉換等電路：AVR微控制器的I/O口是真正的I/O口，能正確反映I/O口輸入/輸出的真實情況，具有大電流(灌電流)10～40 mA,可直接驅動可控矽SSR或繼電器，節省了外圍驅動器件。；AVR微控制器可重設啟動復位,以提高微控制器工作的可靠性。有看門狗定時器實行安全保護,可防止程式跑飛,提高了產品的抗干擾能力。
有功能強大的定時器/計數器及通訊介面：定時/計數器T/C有8位元和16位元,可用作比較器。計數器外部中斷和PWM(也可用作D/A)用於控制輸出，某些型號的AVR微控制器有3～4個PWM，是作電機無級調速的理想器件。
其外圍電路入下所示：
·振盪電路
圖4-2 振盪電路設計
·系統復位電路
圖4-3 系統復位電路
·微控制器供電電路
圖4-4 系統供電電路
4.2乙太網介面部分
ENC28J60：具有兩個用來表示連線、傳送、接收、衝突和全/半雙工作狀態的可程式化LED輸出；25MHZ的時鐘；工作電壓的範圍在3.14~3.45之間；採用28引腳的封裝；
RTL8019AS：RTL8019AS是一種全雙工隨插即用的乙太網控制器，它在一塊晶片上整合了RTL8019核心和一個16KB的DRAM記憶體。它相容RTL8019控制軟體和NE2000 8bit或16bit的傳輸，支援UTP,AUI,BNC和PNP自動檢測模式，支援外接閃爍記憶體讀寫操作，支援I/O口地址的完全解碼，具有LED指示功能。RTL8019AS採用100腳PQFP封裝。
綜上，我決定採用ENC28J60晶片，因為其具有低引腳數，動手製作時相對簡單，而且其工作電壓低，決定了它的低功耗。其電路如下所示：
圖4-5 ENC28J60電路
4.3鍵盤/顯示介面部分
顯示屏採用12864液晶顯示屏：12864液晶顯示屏是一款漢字圖形點陣液晶顯示模組，可顯示漢字及圖形，內建8192個漢字（16X16點陣）、128個字元（8X16點陣）及64X256點陣顯示RAM（GDRAM）。它的工作電壓在3-5V（內建升壓電路，無需負壓）。它與MCU的介面方式為8位元並行或者3位序列。其電路如下所示：
圖4-6 lcd電路
鍵盤採用4ⅹ4矩陣鍵盤：鍵盤是一組按鍵的集合，它是常用的微控制器輸入裝置。鍵盤中的每個按鍵都是一個常開開關電路，當按鍵未被按下時，輸入為高電平，當按鍵被按下時，輸入為低電平。一組按鍵或者鍵盤都要通過I/O介面線查詢按鍵的開關狀態。根據鍵盤的結構不同我們採用的編碼方法也不同，當我們每按下一個按鍵時，都轉換成與累加器中的數值相對應的鍵值，以實現按鍵功能程式的散轉。我所採用的鍵盤為4X4矩陣鍵盤，其各鍵由上到下，由左到右的鍵值依次為88H、84H、82H、81H、48H、44H、42H、41H、28H、24H、22H、21H、18H、14H、12H、11H。其電路如下所示：
圖4-7 矩陣鍵盤
鍵盤在微控制器應用系統中，實現輸入資料、傳送命令的功能，是人工干預的主要手段。鍵盤分兩大類：編碼鍵盤和非編碼鍵盤。
編碼鍵盤：由硬體邏輯電路完成必要的鍵識別工作與可靠性措施。每按一次鍵，鍵盤自動提供被按鍵的讀數，同時產生一個選通脈衝通知微處理器，一般還具有反彈跳和同時按鍵保護功能。這種鍵盤易於使用，但硬體比較複雜，對於主機任務繁重之情況，採用8279可程式化鍵盤管理介面晶片構成編碼式鍵盤系統是很實用的方案。
非編碼鍵盤：只簡單地提供鍵盤的行列與矩陣，其他操作如鍵的識別，決定按鍵的讀數等均靠軟體完成，故硬體較為簡單，但佔用CPU較多時間。有：獨立式按鍵結構、矩陣式按鍵結構。
在鍵盤中按鍵數量較多時，為了減少I/O口的佔用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖3.2所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連線。這樣，一個埠(如P1口)就可以構成4*4=16個按鍵，比之直接將埠線用於鍵盤多出了一倍，而且線數越多，區別越明顯，比如再多加一條線就可以構成20鍵的鍵盤，而直
接用埠線則只能多出一鍵(9鍵)。由此可見，在需要的鍵數比較多時，採用矩陣法來做鍵盤是合理的。
圖4-8 矩陣鍵盤示意圖
矩陣式結構的鍵盤顯然比直接法要複雜一些，識別也要複雜一些，上圖中，列線通過電阻接正電源，並將行線所接的微控制器的I/O口作為輸出端，而列線所接的I/O口則作為輸入。這樣，當按鍵沒有按下時，所有的輸出端都是高電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態就可得知是否有鍵按下了。確定矩陣式鍵盤上何鍵被按下我們介紹一種「行掃描法」。
行掃描法又稱為逐行(或列)掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法，如上圖所示鍵盤，判斷鍵盤中有無鍵按下將全部行線Y0-Y3置低電平，然後檢測列線的狀態。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位於低電平線與4根行線相交叉的4個按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。判斷閉合鍵所在的位置在確認有鍵按下後，即可進入確定具體閉合鍵的過程。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它線為高電平。在確定某根行線位置為低電平後，再逐行檢測各列線的電平狀態。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。
4.4電源部分
給微控制器系統供電的電源，在微控制器應用中是十分重要的。這是因為微控制器不僅要求電壓、電流，還有上電覆位的要求，所以電源不僅要提供穩定的電壓、充足的電流，而且要求電源的電壓建立時間。因此在設計微控制器系統的備用供電電源(乾電池)模組時，一定要使其電壓建立時間100ms-300ms之間。同時也應儘可能的延長電池的一次工作時間和使用壽命。減小供電電壓是降低電源消耗最簡單最有效的一種方法。第二種辦法是對電源進行有效的管理，即在系統處於主要電源供電時備用電源不工作，並儘可能對備用電源進行充電等，這樣都會降低備用電源的損耗和延長備用電源的使用壽命。其protel電路原理圖如下所示：
圖4-9 直流穩壓電源模組（protel）
4.5主機通訊的串列埠部分
序列通訊的傳送方式通常有三種: 單向( 單工) 、半雙向( 半雙工)和全雙向( 全雙工) 。圖3.5分別列出了三種傳送方式的圖示。
圖4-10 三種傳送方式比較
單工通訊: 也稱單向通訊, 即只能有一個方向的通訊, 而沒有反向的互動。
半雙工通訊: 也稱雙向交替通訊, 即通訊的雙方都可以傳送資訊, 但不能同時傳送或同時接收, 這種通訊往往是一方傳送另一方接收。
全雙工通訊: 也稱雙向同時通訊, 即通訊的雙方都可以傳送和接收資訊。
圖4-11 串列埠電路模組
MAX232 晶片是MAXIM公司生產的、包含兩路接收器和驅動器的IC 晶片, 適用於各種EIA- 232C 和V.28/V.24 的通訊介面。MAX232晶片內部有一個電源電壓變換器, 可以把輸入的+5V 電源電壓變換成為RS232C 輸出電平所需的+10V 和- 10V 電壓。所以, 採用此晶片介面的序列通訊系統只需要單一的+5V 電源就可以了, 加之其價格適中, 硬體介面簡單, 所以被廣泛採用。
4.6用於偵錯和下載介面部分
對於下載部分，一般我們採用的JTGA下載方式進行，具體不做介紹了，其電路原理圖如下所示：
圖4-12 JTAG電路
4.7多路紅外探測器訊號輸入介面部分
不同種類的物體發射出的紅外光波段是有其特定波段的，該波段的紅外光處在可見光波段之外。因此人們可以利用這種特定波段的紅外光來實現對物體目標的探測與跟蹤。將不可見的紅外輻射光探測出並將其轉換為可測量的訊號的技術就是紅外探測技術。從目前應用的情況來看，紅外探測有如下幾個優點：環境適應性優於可見光，尤其是在夜間和惡劣天候下的工作能力；隱蔽性好，一般都是被動接收目標的訊號，比雷達和鐳射探測安全且保密性強，不易被幹擾；由於是*目標和背景之間的溫差和發射率差形成的紅外輻射特性進行探測，因而識別偽裝目標的能力優於可見光；與雷達系統相比，紅外系統的體積小，重量輕，功耗低；探測器的光譜響應從短波擴充套件到長波；探測器從單元發展到多元、從多元發展到焦平面；發展了種類繁多的探測器和系統；從單波段探測向多波段探測發展；從製冷型探測器發展到室溫探測器；由於紅外探測技術有其獨特的優點從而使其在軍事國防和民用領域得到了廣泛的研究和應用，尤其是在軍事需求的牽引和相關技術發展的推動下，作為高新技術的紅外探測技術在未來的應用將更加廣泛，地位更加重要。紅外探測器是將不可見的紅外輻射能轉變成其它易於測量的能量形式的能量轉化器，作為紅外整機系統的核心關鍵部件，紅外探測器的研究始終是紅外物理與技術發展的中心。
熱探測器熱探測器吸收紅外輻射後，溫度升高，可以使探測材料產生溫差電動勢、電阻率變化，自發極化強度變化，或者氣體體積與壓強變化等，測量這些物理效能的變化就可以測定被吸收的紅外輻射能量或功率。分別利用上述不同效能可製成多種熱探測器：
(1) 液態的水銀溫度計及氣動的高萊池（Golay cell）：利用了材料的熱脹冷縮效應。
(2) 熱電偶和熱電堆：利用了溫度梯度可使不同材料間產生溫差電動勢的溫差電效應。
(3) 石英共振器非製冷紅外成像列陣：利用共振頻率對溫度敏感的原理來實現紅外探測。
(4)測輻射熱計：利用材料的電阻或介電常數的熱敏效應—輻射引起溫升改變材料電阻—用以探測熱輻射。因半導體電阻有高的溫度係數而應用最多，測溫輻射熱計常稱「熱敏電阻」。另外，由於高溫超導材料出現，利用轉變溫度附近電阻陡變的超導探測器引起重視。如果室溫超導成為現實，將是21世紀最引人注目的一類探測器；
(5) 熱釋電探測器：有些晶體，如硫酸三甘酞、鈮酸鍶鋇等，當受到紅外輻射照射溫度升高時，引起自發極化強度變化，結果在垂直於自發極化方向的晶體兩個外表面之間產生微小電壓，由此能測量紅外輻射的功率。
4.8 報警電路模組設計
報警電路如下圖所示，採用蜂鳴器和三極體實現，一般來講，蜂鳴器有兩種，一種是自己起振，另一鍾是需要振盪電路的。本課題設計採用的蜂鳴器是自起振的，而三極體可以起到提高功率的作用。
圖4-13 報警電路
4系統總體電路如下所示：
圖4-14 系統總體電路