基于PIC单片机的智能家居安防监控报警系统的设计

房 颖

（福州大学物理与信息工程学院，福建福州 350108）

0 引言

近年来，随着网络通信技术、电子技术和计算机技术的迅猛发展，智能家居逐步走进人们的生活，家庭安防成为智能家居的重要组成部分，备受人们的关注。目前市场上常见的居家智能安防产品从功能上讲基本上是被动单向报警，家中报警器识别到异常情况后或发声报警，或通过电话向主人报警，或向小区的接警值班中心报警，然后系统处于等待状态，不能进行远程布控，不能进行报警实时处理以减少生命和财产损失，功能上存在明显的不足。为解决传统安防系统的缺点和不足，满足人们对智能家居的需要，笔者采用嵌入式系统与以太网网络通信技术相结合，开发了一种基于PIC单片机的智能家居安防监控报警系统，该系统以PIC单片机为核心，用以太网控制芯片ENC28J60，同时可监视多个重要点（如门、窗等），发现盗情及时就地报警，并通过电信宽带网络平台进行远程报警及全面的联动处警，性能稳定可靠，实用性与适用性强，这种方法采用的是单MCU的方式，硬件接口电路相对简单，体积小，而且成本低。

1 系统的组成及工作原理

智能家居安防报警系统主要由探测器报警输入、控制单元、以太网通信、报警输出等部分组成，其工作原理如图1所示。该系统通过无线/有线模块实现与安防探测器的信号交互，当探测到有非法人员入侵、发生火灾等情况时，通过专门接口与声光报警器相连，现场立即发出报警信号。单片机控制器会判断何处发生报警，并且将报警信息通过以太网传到接警中心平台，接警中心平台收到信息后可选择以短信或电话报警形式通知业主或公安人员。该系统还能保证户主在外时通过以太网网络随时了解家里的情况，并能对系统进行实时设防、撤防等设置以实现远程控制功能。

图1 智能家居安防报警系统工作原理

2 系统的硬件设计

系统硬件结构如图2所示，主要包括探测器报警输入接口、微控制器、以太网控制芯片、外部EEPROM存储器、报警输出、32字符液晶屏、4个发光二极管、电源电路、复位电路、键盘等部分。本文主要介绍微控制器、以太网控制芯片、EEPROM、报警输入输出单元的设计方法。

图2 报警系统结构示意图

2.1 微控制器

系统中微控制器的主要作用是对报警输入输出I/O口和其他部分进行控制，同时实现接收和传送相关数据、处理以太网通信等功能，因此要选用具有较多的通用I/O口和外围资源丰富、便于构建外围电路的芯片。本系统微控制器选用的是高性能 PIC单片 PIC24FJ256GA106，PIC24FJ256GA106是Microchip公司开发的16位通用闪存单片机，具有成本低、设计灵活、可靠性高等特点。PIC24FJ256 MCU模块采用16位（数据）改良的哈佛架构，并带有增强型指令集，工作速度达到16MIPS，满足运行多种网络协议的要求，而且具有丰富的外设接口，其SPI接口允许与外设进行高速的同步数据传输，这些外设包括串行EEPROM、移位寄存器、显示驱动器等[1]。

2.2 以太网接口模块

以太网控制芯片选用ENC28J60。目前在嵌入式系统的开发中，比较常用的独立以太网控制器采用的封装均超过80脚，如RTL8019AS、CS8900A均为100脚，这些器件不仅结构复杂、体积大，而且价格相对昂贵，系统开销也较大。而Microchip推出28引脚独立以太网控制器ENC28J60，可为嵌入式系统提供低引脚数、低成本、精简的远程通信解决方案。

ENC28J60只支持SPI模式O。其SPI端口要求SCK在空闲状态时为低电平，并且不支持时钟极性选择。在SCK的每个上升沿移入数据，命令和数据通过SI引脚送入器件；在SCK的下降沿从SO引脚输出数据。当执行操作时，CS引脚必须保持低电平，当操作完成时返回高电平。由于LEDA和LEDB引脚支持复位时的自动极性检测，可以在这两个引脚上以拉电流或灌电流点亮LED的两种方式连接LED。系统复位时，ENC28J60将检测LED的连接方式，并将LED驱动为PHLCON寄存器配置的默认状态。本设计采用拉电流的方式点亮LED，则复位时此位清零且PHY默认为在半双工模式下运行[2]。其与单片机PIC24FJ256GA106的接口电路原理如图3所示。

图3 基于ENC28J60的嵌入式网络接口的硬件电路原理图

2.3 EEPROM

由于EEPROM具有结构简单、高密度、可靠性好、功耗省、可重复擦写10万次以上，数据可靠保持超过100年等优点，能快速多次重复写入或擦除，而且具有可选择的软件数据保护机制用于预防误写入[3]。外部EEPROM存储器选用25LC256，该芯片支持2线串行接口，可以存储最大32K数据，存储量大。主要用于存放本地网页代码和重要数据，如用户名、密码、接警平台服务器名、收到的探测器编码等，即使掉电，程序和数据也不会丢失。

2.4 报警输入输出电路

本系统通过无线/有线模块实现与安防探测器的信号交互，完成报警输入输出的功能。

信号输入接口电路由接收模块TDL208及外围电路构成，其电路原理如图4所示。TDL208高频接收模块是采用进口SMD器件，6.5G高频三极管，高Q值电感生产，用于防盗系统，性能稳定可靠，灵敏度高，功耗低，接收电路自身辐射极小，加上电路模块背面网状接地铜箔的屏蔽作用，可以减少自身振荡的泄漏和外界干扰信号的侵入[4]。其接收带宽约500KHz，中心频率调整在315MHz，接收芯片上的微调电感约有5MHz频率的可调范围，但使用时尽量不要轻易变动，以免影响性能。

信号输出接口电路由发送模块TDL9912与周边电路组成，其电路原理如图5所示。TDL9912发射模块采用进口SMD器件，采用声表谐振器稳频，频率稳定度很高，工作电压范围极宽（3V－12V）[5]，发射功率大，功耗低，体积小，适合用于防盗报警场合。但这两个芯片无自带编码，因此采用软解码方式。

图4 输入接口电路

图5 输出接口电路

3 系统软件设计

智能家居安防监控报警系统主要包括本地主机设置处理模块、本地网页设置模块、网络连接模块、网络远程监控处理模块，具体结构如图6所示。限于篇幅，本文主要介绍该系统的主程序、以太网驱动及通信程序、网络处理模块中的DHCP处理程序、网络远程监控处理程序、本地网页设置程序。

图6 智能家居安防监控报警系统

3.1 系统主程序

本系统采用C语言编写程序，软件可读性强，便于调试与维护升级，并且有利于较复杂控制算法的实现。根据系统的控制功能，程序主要包括初始化、网络远程监控处理、主机设置、本地网页设置等。其主程序流程如图7所示。

3.2 以太网驱动及通信程序

本系统以太网主要是使处理器接收来自接警中心平台的数据和将数据传输到接警中心平台，同时处理来自以太网的信息。该部分的核心是以太网中数据的发送与接收。以太网的驱动程序主要是初始化芯片、单片机的控制程序和网络数据传输程序。

图7 系统主程序流程

初始化设置工作包括对接收缓冲器、接收过滤器、等待振荡器起振定时器（OST）、MAC寄存器、PHY寄存器进行初始化。进行初始化设置之前首先关闭单片机的中断输入，对RESET引脚给定一个持续的低电平复位信号，设置完成所有需要的寄存器后，判断以太网状态中的时钟启动标志位是否置位，最后开中断。

网络数据传输主要包括对要发送的数据按照以太网数据帧格式进行封装并发送以及对接收的数据帧进行解包两个方面，其流程如图8所示。

3.3 DHCP处理程序

系统网络连接处理模块可采用手动配置IP地址或是引用DHCP机制自动获取IP地址，并引入DHCP Option 60参数机制。

图8 网络数据发送及接收流程图

为解决前端设备私网穿透的问题，需要前端工程施工人员手动在用户NAT网络设备上进行NAT端口静态映射配置。但这种数据配置方式对业务开展与后期维护均带来不便。因此，需要引入一种技术手段来简化业务安装，变手动配置为自动配置。由于智能安防系统针对家庭用户，而客户基础绝大部分均为ADSL宽带接入，因此，通过与智能家居中的家庭网关配合，引入DHCP Option 60参数机制可完成在家庭网关上自动配置NAT端口静态映射。其与普通DHCP不同之处在于，告警主机第一次登录寻找家庭网关时附上DHCP DISCOVER外还加上Option 60的信息，向网络进行广播。而家庭网关收到DHCP REQUEST封包后，将依据Option 60的信息及DHCP Client的MAC地址等信息给予相应的DHCP ACK响应报文，其中包括完成自动配置的DHCP Option 43信息。

家庭网关使用下列映射原则自动添加NAT端口公私网静态映射：

公网映射端口＝（Last Internal IP Address Segment）&&31＋（Internal IP Port）；

3.4 网络远程监控处理程序

智能家居安防监控报警系统需要具备注册和心跳功能。系统启动和运行的过程中，需要发送注册消息给接警中心的注册服务器；运行过程中也需要周期性的发送心跳消息给接警中心的注册服务器，以表明其正在运行。

智能家居安防监控报警系统中，用户可以在家里或通过远程登录方式对告警主机的防区及整体进行布防或撤防设置；告警主机会上报自身和探头布防/撤防状态变化的信息给告警服务器，同时还要上传探头的告警状态及自身的告警，如电源掉电等。其流程如图9所示。

图9 网络远程监控流程图

3.5 本地网页设置程序

在本系统中嵌入TCP/IP协议，就可以实现以太网的接入，再辅以相应的应用层协议就可以实现远程控制功能。本地网页设置采用HTTP协议。本系统采用静态网页访问的形式，使用HTML语言来编写网页，运用Microchip提供的MPFS.exe工具上传网页，网页代码存储在EEPROM中。嵌入式系统把要传输的数据、参数等存入EEPROM中，当有客户端请求连接时，这些数据信息通过HTTP协议发送至浏览器，这样就可以在远端PC机的浏览器中访问存储在系统中的网页，从而实现远程访问及控制，如图10所示。

4 结束语

基于PIC单片机的智能家居安防监控报警系统已在高校实验中心及部分家庭、商户中试用，实现了本地报警、通过电信宽带网络平台进行报警及全面的联动处警，结果表明，该系统运行稳定、可靠性高、误报警率低、使用简单、成本低廉，能够满足用户的需求。该系统充分利用嵌入式网络通信上的优势，实现了报警迅速、远程监控等功能，还能对该系统进行软硬件的升级和整合新的功能模块，满足智能家居安防未来发展的需求。该系统还可应用在银行、图书馆和博物馆等需要安防和远程监控的地方，应用广泛，具有可开发性及可拓展性。

图10 存储于系统中的网页

［1］PIC24FJ256GA110系列数据手册·具有外设引脚选择功能的64/80/100引脚16位通用闪存单片机［EB/OL］.［2009-10-2］.http：//www.microchip.com/.

［2］ENC28J60数据手册·带SPI接口的独立以太网控制器［EB/OL］.［2009-10-2］.http：//www.microchip.com/.

［3］杜支华，陶宇峰，王晓玲，陈芳.64kB电可擦除只读存储器研究与设计［J］.电子与封装，2009（3）.

［4］TDL-208使用说明［EB/OL］.［2009-10-2］.http：//www.k6271.com/product/product4/TDL208.pdf.

［5］TDL-9912 使用说明 ［EB/OL］.［2009-10-2］.http：//www.k6271.com/product/product4/TDL9912.pdf.