摘 要电子围栏系统作为一种有形的周界安全防盗报警系统已被广泛应用于电力行业、仓库、军事基地和学校等军用、民用安全防范领域。与国外的电子围栏探测报警技术相比国内已有相关电子围栏产品研发和生产厂家但由于起步较晚且研发力量投入不足、技术水平有限在系统功能集成和信号检测、识别方面有待进一步完善和提高。因此需要对智能电子围栏系统进行深入研究和实验。电子围栏系统基于低压脉冲测距法来计算故障、入侵点位置从而实现报警定位功能该方法需要测得有效脉冲在电缆上的传输时间考虑到系统脉冲的频率与传输特性。综上所述在公共安全领域国外较早的提出并发展了多项大数据相关应用技术国内虽然起步较晚但是通过近几年的发展从理论、应用和技术等方面都已经取得了不错的成果这些研究为我们围绕公共安全领域中电子围栏数据的大数据应用奠定了良好的基础。根据现有的基础提出了危险区域远程控制电子围栏系统本设计是一种基于ZigBee无线传感器网络的危险区域远程控制电子围栏系统设计该系统由激光探照灯围栏防盗子系统和数据中心监控子系统两部分组成。关键词ZigBee无线传感器远程控制电子围栏ABSTRACTElectronic fence system as a tangible perimeter anti-theft security alarm system has been widely used in electric power industry, warehouse, military bases and schools, and other areas of the military and civilian security. Compared with foreign electronic fence detection alarm technology, existing related electronic fence products development and production of domestic manufacturers, but due to a late start, and inadequate research and development strength, the technical level is limited, in the aspect of system function integration and signal detection, identification needs to be further perfect and improve. Therefore, we need to in-depth research and experiment of intelligent electronic fence system. Electronic fence system based on low voltage pulse ranging method to calculate the fault, intrusion point location, so as to realize positioning alarm function, this method needs to be measured effectively pulse on the cable transmission time, considering the system of pulse frequency and transmission characteristics. To sum up, in the field of public security, foreign earlier proposed and developed a number of big data related application technology, domestic although started late, but through the development of recent years, from the aspects of theory, application and technology have achieved good results, these studies around for us in the field of public safety data of the electronic enclosures big data application laid a good foundation. According to the existing foundation, proposed the dangerous areas remote control electronic fence system, this design is a kind of dangerous area based on ZigBee wireless sensor network remote control electronic fence system design, the system consists of laser searchlight fences anti-theft subsystem and data center monitoring subsystem of two parts.Key words: ZigBee; Wireless sensor; Remote control; Electronic fence;目 录第1章 绪论 11.1 研究目的及意义 11.2 国内外研究现状 11.3 主要研究内容 2第2章 总体方案设计 42.1 设计方案 42.2 元器件选择 42.2.1 单片机 42.2.2 语音合成模块 52.2.3 短信模块 62.2.4 ZigBee模块 72.2.5 红外传感器 82.2.6 蜂鸣器 92.2.7 红外对管传感器 9第3章 系统的硬件部分设计 113.1 系统总体设计 113.2 系统的主要功能模块设计 113.2.1 短信模块设计 113.2.2 蜂鸣器模块设计 123.2.3 ZigBee模块设计 133.2.4 红外传感器模块设计 133.2.5 SYN6288语音模块设计 14第4章 系统的软件设计 164.1 软件的主要流程 164.2 短信模块设计 174.3 ZigBee模块软件设计 184.4 蜂鸣器模块软件设计 194.5 红外传感器模块软件设计 204.6 SYN6288语音模块软件设计 21第5章 系统测试 225.1 系统实物图 225.2 测试步骤 22结论 24参考文献 25致谢 27附录 28第1章 绪论1.1 研究目的及意义电子围栏系统作为一种有形的周界安全防盗报警系统已被广泛应用于电力行业、仓库、军事基地和学校等军用、民用安全防范领域。与国外的电子围栏探测报警技术相比国内已有相关电子围栏产品研发和生产厂家但由于起步较晚且研发力量投入不足、技术水平有限在系统功能集成和信号检测、识别方面有待进一步完善和提高。因此需要对智能电子围栏系统进行深入研究和实验。电子围栏系统基于低压脉冲测距法来计算故障、入侵点位置从而实现报警定位功能该方法需要测得有效脉冲在电缆上的传输时间考虑到系统脉冲的频率与传输特性。同时电子围栏逐渐应用于更加重要的公共安全领域比如铁路沿线、机场等周界防范区域较大的场所脉冲信号在长距离传输过程中会产生衰减并受到噪声干扰这些因素都会影响系统检测的准确性为了适应不同长度的传输距离保持信号传输的有效性考虑设计频率可调的窄脉宽脉冲信号其次电子围栏系统在具备报警功能基础上还要识别系统状态与入侵类型从脉冲信号的时频域特征分析提取系统处于正常和遭到入侵时的信号特征信息进行特征分析与分类从而识别出入侵行为报警内容显示更详细具体。其中电子围栏数据作为公共安全数据的重要组成部分在各个角度为上述公共安全大数据的应用提供了重要支撑。还有一类研究则是根据公共安全领域相关数据特征和应用方式抽象成具体的大数据技术进行研究。综上所述在公共安全领域国外较早的提出并发展了多项大数据相关应用技术国内虽然起步较晚但是通过近几年的发展从理论、应用和技术等方面都已经取得了不错的成果这些研究为我们围绕公共安全领域中电子围栏数据的大数据应用奠定了良好的基础。1.2 国内外研究现状早在十九世纪就出现了电子围栏的概念主要用于监狱、看守所等特殊保护场所防止犯人越狱随后这种技术在新西兰、美国和欧洲被用于畜牧业到了十九世纪末至二十世纪三十年代欧洲牧人为了保护牧区以及防止牲畜丢失在牧区周围架起简易的通电导线组成简单的“电子围栏”。戴维等在2022年《利用电子围栏的特高压换流站人员运维安全管控》中[1]针对特高压换流站中人员运维安全以及设备运维智能化提出了相应的模型和系统。通过UWB电子围栏模式实现对相应设备以及人员运行的位置数据采集采集定位数据实现人员位置信息、设备运行状态信息的进一步提取。提出了采用TDOA方法对位置坐标进行计算。分析了换流站的运维特征并对所提出的位置坐标求解进行分析将特高压换流站运维安全管控系统具体架构以及功能特点进行分析最后在实际案例中验证了所提系统的有效性。随着智能设备的普及以及大数据技术的发展公安政府部门能够获取到的数据种类越来越多、规模越来越大专家和学者也开始使用大数据技术去解决公共安全情报分析中遇到的问题[1]。张春艳教授在2014年《大数据时代的公共安全治理》中[2]充分论述了大数据时代公共安全领域的机遇与挑战并提出以智慧治理命名的全新公共安全治理形态其本质就是基于大数据应用的精细化管理清华大学黄全义教授则对公共安全大数据的数据来源做了详细的分类包括城市公共基础数据、部门业务数据、社情民意数据、灾害预警数据和以电子围栏为代表的人行为活动数据等同时从数据采集与存储、数据共享、数据安全和数据融合应用等角度描述了公共安全大数据的特征并提出了城市公共安全大数据平台设计的总体概念框架[2]。Zhi Jie Tang; Ping Long Liu; Qian Luo; Zhi Feng Ye等在2014年的《Main Control System Design for Balanced Tension-Type Electronic Fence》中[20]本文介绍了一种平衡张力电子围栏报警系统的组成及控制系统设计。该系统具有平衡无疲劳特性,适应多种复杂地形环境,不留守死。它可以广泛适用于所有有周界警卫需要的机构。Shuai Yang; Fan Liang Bu在2018年《Design of Frequency Adjustable Pulse in Intelligent Electronic Fence System》中[21] 采用直接数字频率合成技术[20]对电路进行合成仿真并通过Quartus II平台将其刻录到FPGA芯片上。Qiang Tang在2022年《Engineering design of electronic fence system based on intelligent monitoring and wireless local area network》中设计了基于智能视频监控和无线局域网技术[9]的电子围栏系统工程。首先,设计了一种基于脉冲的电子围栏系统。在FPGA的控制下通过向电子围栏发送脉冲,前端检测围栏子系统可以检测到脉冲信号并通过无线局域网技术将脉冲信号实现到FPGA。经过特征提取和脉冲信号识别,判断是否发生了异常情况。其次设计了一种基于无线局域网的智能视频监控系统对周边视频信息24h进行记录,并利用相关目标检测技术对异常情况进行定位和记录。实验结果表明,设计的系统能够很好地判断异常情况的发生并实时记录异常情况能够保证安全性。在大数据背景下面向公共安全领域的应用研究其中预警和分析是公共安全部门最典型的两类应用场景也是各专家学者研究关注的重点。与此同时国内越来越多的公司和组织根据自身业务场景不断应用和优化这些大数据技术[15]为大数据技术的整体发展添砖加瓦。正是由于这些大数据技术的发展才让公共安全大数据丰富的应用成为可能。1.3 主要研究内容本毕业设计是一种基于ZigBee无线传感器网络的危险区域远程控制电子围栏系统设计该系统由激光探照灯围栏防盗子系统和数据中心监控子系统两部分组成。激光围栏防盗子系统由激光围栏、ZigBee通信模块、报警单元组成,数据中心控制子系统由中心控制主机、服务器、ZigBee通信模块组成。采用激光设栏在危险区域周界上安装一定数量嵌入了ZigBee模块的激光发射器和接收器通过发射器发射出多道平行的不可见激光射线与接收器形成一个光回路从而组成一个环形激光围栏即警戒区域。当入侵者穿过警戒区域试图进入危险区域时会隔断激光射线回路接收电路检测到异常情况产生中断启动报警单元进行声光报警并编码通过ZigBee无线传感器网络发送到监控中心监控中心的控制主机接收报警信号该信号通过串口在服务器上运行的安防信息管理软件指示准确的入侵方位。同时系统在第一时间通过GSM网络相关管理人员发送手机报警短信值班人员也可以通过手机短信控制中心控制主机从而实现实时监控。第2章 总体方案设计2.1 设计方案本设计是一种基于ZigBee的危险区域远程控制电子围栏系统。该系统包括单片机、ZigBee模块、短信模块、语音合成模块、围栏电压读取模块、红外传感器模块、报警模块等通过ZigBee模块实现上位机与下位机之间的通信通过围栏电压读取模块来检测电压是否从3.3V降为0V来判断是否有人翻越围栏红外对管传感器来检测是否有人靠近当有人靠近时通过语音模块播报“禁止靠近请离开”红外传感器监测小动物是否靠近靠近时也会有蜂鸣器的警报提示当围栏的相关数据异常时通过短信模块发送短信到上位机提醒值班人员及时查看监控。2.2 元器件选择2.2.1 单片机STM32系列单片机是一款高性能功能强大的系列单片机。该系列单片机常被用于要求低成本、高性能和低功耗的嵌入式应用程序其在功耗和集成方面也展现出良好的性能。由于其便捷的工具和简单的结构并且结合了强大的功能性在业界很受欢迎。图2-1 STM32F103C8T6本设计选用的主控制芯片为STM32F103C8T6 STM32F103C8T6是由意法半导体集团基于STM32系列ARM Cortex-M内核开发的一款具有64KB的程序存储器的32位微控制器。其工作时需要2V3.6V的电压和-40℃85℃环境温度。表2-11 STM32 STM32表示ARM Cortex-M内核的32位微控制器2 F F代表芯片子系列3 103 103代表增强型系列4 C R这一项代表引脚数其中T代表36脚C代表48脚R代表64脚V代表100脚Z代表144脚I代表176脚5 8 B这一项代表内嵌Flash容量其中6代表32K字节Flash8代表64K字节FlashC代表256K字节FlashD代表384字节FlashE代表512K字节FlashG代表1M字节Flash6 T T这一项代表封装其中H代表BGA封装T代表LQFP封装U代表VFQFPN封装7 6 6这一项代表工作温度范围其中6代表-40——85℃7代表-40——105℃2.2.2 语音合成模块图2-2 SYN6288语音模块本文采用的是SYN6288芯片的语音模块。SYN6288提供一组全双工的异步串行通讯(UART)接口实现与微处理器或PC的数据传输SYN6288利用TXD和RXD以及GND实现串口通信。其中GND作为地信号。SYN6288芯片支持UART接口通讯方式通过UART接口接收上位机发送的命令和数据允许发送数据的最大长度为206字节。