Программная и аппаратная часть автоматизированной сигнализации по GSM каналу

Бакалаврская работа

на тему «Программная и аппаратная часть автоматизированной сигнализации по GSM каналу»

Содержание

1. Введение        

2. Теоретическая часть

2.1 Аналогичные системы оповещения

2.1.1 Страж SMS 8x6 GPS

2.1.2 Visonic GA-1RS

2.1.3 Страж-GSM-M

2.2 Сравнительная характеристика систем оповещения

2.3 Классификация систем оповещения

2.3.1 Виды систем оповещения

2.4 Электронные блоки систем оповещения

2.5 Выводы        

3. Практическая часть

3.1 Постановка задачи

3.2 Описание охраняемого пространства

3.3 Состав системы

3.1.1 Выбор микроконтроллера для центрального блока

3.1.2 Считыватель ключей

3.1.3 Датчики

3.4 Работа системы

3.5 Конструкторская часть

3.5.1. Разработка и анализ ТЗ      

3.5.2 Техническое задание

3.5.3 Состав изделия и требования к конструктивному устройству

3.5.4 Разработка печатного узла

3.5.5 Конструкторские расчеты

3.5.6 Расчет стоимости системы

3.6 Выводы        

4. Заключение

5. Список литературы

6. Приложение. Чертежи

1. Введение

Современные технологии позволяю создавать системы, заблаговременно предупреждающие о наступлении или приближении некоторого события. Широкое разнообразие жизненных ситуаций поднимает проблему своевременного оповещения на новый уровень. Обо всем, начиная от катаклизмов природы, несущими в себе многочисленные негативные последствия, и заканчивая приготовлением тоста, человек может быть проинформирован в определенное время, чтобы избежать неблагоприятных последствий и ускорить приближение удовлетворяющих моментов. В современном мире самое востребованное оповещение – это оповещении о незаконном проникновении в пределы частной собственности.

Ежедневно в Москве, столице России, регистрируется до 40 квартирных краж. А если учесть всю Россию, то это число будет значительно больше. Не стоит упускать из виду еще тот факт, что до 2010 года количество квартирных краж только росло. Поэтому системы сигнализации будут необходимы для многих. При этом специалисты считают, что лучше, если у вас будут одновременно установлены две или более разные системы охраны, что значительно затруднит работу вора. Осознав серьезность препятствия, злоумышленник, отступит от своего дела, не желая быть замеченным.

Актуальность разрабатываемой темы работы подчеркивается повышением спроса на системы защиты, оповещения, безопасности, наблюдения за объектами недвижимости, в которых хранятся материальные ценности.

Разрабатываемое устройство (GSM-сигнализация) нацелено на широкий круг потребителей. Следовательно, оно будет доступно по своей цене для многих людей.

Разрабатываемое устройство предназначено для контроля работы датчиков (извещателей), нажатия тревожной кнопки, дозвона и передачи текстового сообщения (SMS) по каналу связи GSM в случае тревоги. Устройство может встраиваться в системы охранной и пожарной сигнализации. Устройство применяется совместно с сотовым телефоном стандарта GSM.

Данная систем может с легкостью подстраиваться под различные требования заказчика: только охранные функции, охранные функции плюс контроль параметров (температуры, освещения и т.д.). Все интерфейсы предусмотрены на плате, а выбор того или иного варианта реализуется при получении ТЗ от заказчика и прошивкой того или иного варианта программы. Если заказчик в процессе эксплуатации захочет изменить функции, то просто происходит перепрограммирование, дооснащение дополнительными внешними устройствами при необходимости и возврат системы заказчику. Универсальность системы немаловажна при выборе системы потребителем.

В качестве исходных данных для работы использован набор технических средств, в совокупности представляющих устройство сигнализации: микроконтроллер, мобильный телефон, датчики, считыватель ключей, зарядное устройство.

2.1 Аналогичные системы оповещения

К наиболее популярными по частоте применения относятся системы охранной сигнализации с добавлением недорогих функций пожарной сигнализации.

В связи с тем, что комплексные системы сигнализации зачастую производятся по высокой цене для обеспеченных клиентов.

Цель таких систем – охрана больших по площади территорий и зданий (коттеджи, предприятия, заводы, фабрики и др.).

Но и остальные граждане нуждаются в безопасности своего имущества. Рассмотрим некоторые системы оповещения.

2.1.1 Страж SMS 8x6 GPS

Система "Страж SMS 8x6 GPS" (рисунок 1) предназначается для контроля помещений и автомобилей, а так же для управления удаленными объектами.

Рисунок 1.Страж SMS 8х6 GPS

Главными особенностями этой модели являются:

· Увеличенное количество входов и выходов (7 входов датчиков, вход сигнала постановки на охрану / 4 управляемых выхода, выход индикатора состояния стража, выход включения сирены).

· Использование практически любых типов датчиков (аналоговые, цифровые (контактные)).

· Управление посредством DTMF сигналов, что даёт возможность управлять системой не только через SMS-сообщения, но и с любого телефонного аппарата, поддерживающего тональный набор, и делать это в режиме реального времени.

· Удаленный контроль и пополнение баланса средств на SIM-карте устройства.

· Возможность "интеллектуального GPS контроля" - тревога при изменении GPS координат.

· Наличие автоматического внутреннего обогрева позволяет работать при низких температурах.

· Питание от 7.5В до 30В постоянного тока или от сети ~220В (при использовании сетевого адаптера).

· Температурный диапазон -40С..+40С.

Основные преимущества «Страж SMS 8x6 GPS»:

· Простота программирования и управления.

· Тревожная информация об изменении состояния входов объекта передается в виде SMS-сообщений и звонков от данного устройства (до 3 телефонных номеров).

· Возможны SMS по запросу с телефонов абонентов для получения информации:

— об остатке средств на счету;

— о статусе устройства (состояние охраны, питания, входов и выходов управления);

— о GPS-координатах устройства (если подключен GPS-приемник).

· Возможно дистанционное управление самим Стражем и внешними устройствами, подключенными к нему DTMF-командой, позвонив на объект (управление 6 выходами исполнительных устройств).

· Возможность подключения микрофона для удалённого прослушивания помещения при срабатывании датчика (в течение 4 минут).

· Поддержка сотовых сетей GSM.

· Встроенный Li-Ion аккумулятор (до 2 суток работы при пропадании внешнего питания).

· Отсутствие жёсткой связки между возникновением события и управлением исполнительными устройствами.

· Режим длительной работы - МикроПотребляющий режим, который позволяет работать от полностью заряженного аккумулятора в течение нескольких месяцев.

· Контроль тока потребления внешними модулями и их автоотключение при неполадках в них.

Как работает система:

При срабатывании какого-либо из контролируемых датчиков, устройство дозванивается и/или рассылает SMS-сообщения по списку телефонов (до 3 номеров), предварительно записанных в SIM карту. Можно прослушать помещение в течение четырех минут (только при тревоге).

Подключаемые датчики могут быть:

· аналоговыми (выдающие напряжение из интервала 0..15 В) - датчики движения, датчики утечки газа, пожарные датчики задымления и др.;

· контактными (цифровыми) - кнопка, геркон, пожарный датчик, датчик объёма (ИК-датчик), акустический датчик.

Срабатывание датчиков контролируется независимо друг от друга, в соответствии с установками логики работы, которые располагаются в SIM-карте. Пример подключения одного из датчиков (датчика разбития стекла Pyronix) к системе "Страж SMS 8x6 GPS" представлен на рисунке 2.

Рисунок 2.Подключение датчика разбития стекла Pyronix к «Страж 8х6 GPS»

Также, с помощью Страж SMS 8х6 GPS можно управлять 6-ю различными исполнительными устройствами посредством DTMF команд. Например, удалённо обесточить помещение.

Выходы для исполнительных устройств представляют собой электронные ключи с максимальным коммутируемым напряжением 30В и максимальным током 0,5А. Маломощные исполнительные устройства можно подключать непосредственно к этим выходам, а более мощные - только через реле. СТРАЖем контролируется состояние каждого из этих выходов.

Удаленный контроль состояния системы:

Состояние системы можно проконтролировать в любой момент, позвонив на ее номер и передав специальную команду сигналами DTMF. При этом система отсылает контрольное SMS-сообщение. Таким образом, вы в любом момент будете знать состояние охранной системы, а в случае любой непредвиденной ситуации сразу же будете об этом оповещены. В ходе работы системы постоянно контролируются входные состояния датчиков, выходные состояния исполнительных устройств, наличие сети GSM и питающего напряжения.

Питание системы:

Страж автоматически подзаряжает встроенный аккумулятор когда к нему подключено внешнее питание (от 7.5В до 30В постоянного тока или от сети ~220В (при использовании сетевого адаптера)). При пропадании внешнего питания система питается от встроенного Li-Ion аккумулятора до 2-х суток. Схема системы рассчитана на эксплуатацию при пониженных отрицательных температурах окружающей среды (для охраны автомобиля и неотапливаемых помещений). Следует иметь ввиду, что автоматический внутренний обогрев работает только при наличии внешнего питания.

Цена: 7800 руб.

2.1.2 Visonic GA-1RS

GSM модуль – Visonic GA-1RS (рисунок 3).

Рисунок 3.Visonic GA-1RS

Технические характеристики устройства:

1. встроенный GSM модем (900/1800);

2. передача цифровых тревожных извещений (например, Contact ID) на телефонный приемник (например, RC12/RC112);

3. передача речевых сообщений на 4 стационарных или мобильных телефона пользователя;

4. передача СМС сообщений на 4 мобильных телефона пользователя;

5. управление системой охраны, устройств Х10 и прослушивание обстановки в помещении;

6. удаленное программирование и чтение журнала панели арт ССБ - 003 через GSM адаптер;

7. программирование маршрутизации сообщений с панели арт ССБ - 003;

8. режимы работы: GSM резервный канал, GSM основной канал, только GSM, только СМС;

9. выбор группы отправки СМС (тревоги, неисправности, снятие/постановки и т.д.);

10. передача сообщения в случае потери связи модуля с панели арт ССБ - 003;

11. просмотр текущего уровня сигнала от базовой станции RSSI;

12. питание от PowerMax+ и/или переменного напряжения 9В, встроенного аккумулятора;

13. подзарядка аккумулятора от панели арт ССБ - 003 или сетевого адаптера;

14. потребление тока 30мА/максимум 400мА (в режиме передачи сообщений);

15. подключение к панели арт ССБ - 003 посредством RS232 (максимальное расстояние 12м);

16. диапазон рабочих температур 0...49C;

17. габариты 185х108х43 мм;

18. вес 500 гр.

Цена: 8 500 руб.

2.1.3 Страж-GSM-M

«Страж-GSM-M» (рисунок 4) предназначен для охраны квартир, офисов, дач, автомобилей и других объектов охраны и осуществляет оповещение через сеть сотовой связи стандарта GSM посредством звонка на заданные телефонные номера (до 3-х номеров).

Рисунок 4.Страж-GSM-M

Как работает охранная система:

Физически и «Страж GSM-M» представляет собой модифицированный сотовый телефон «Motorolla M3x88», снабженный входом для подключения датчиков (в комплект поставки входит один герконовый датчик). Возможно использование любых типов датчиков с нормально замкнутым контактным выходом. При этом все функциональные возможности телефона сохраняются.

Для увеличения эффективности охранной системы советуем уделить особое внимание скрытности расположения самого устройства. Также следует убедиться в том, что в месте установки «Стража GSM-M» уровень сигнала приема достаточен.

После срабатывания (размыкания) датчика устройство сразу производит дозвон по заданным телефонным номерам с интервалом 2 минуты. Длительность дозвона по каждому из номеров составляет 30 с. На телефонах, на которые осуществляется дозвон, предполагается наличие функции АОН. Определение АОНом номера телефона «Стража GSM-M» означает срабатывание тревожной сигнализации. Поскольку при этом нет необходимости отвечать на звонок, нет расходования средств с баланса телефона «Стража GSM-M», за исключением абонентской платы.

«Страж GSM-M» имеет ряд уникальных достоинств, отсутствующих у других систем охраны:

Практически неограниченный радиус действия. Вы можете проконтролировать свою собственность в Москве даже из Пуэрто-Рико, не говоря о Подмосковье.

Монтаж систем чрезвычайно прост: просто подсоедините датчики к телефону, включите телефон и запрограммируйте нужные номера телефонов и текст для оповещения. Никаких лишних проводов.

Телефон имеет встроенный аккумулятор, поэтому повреждение сети питания 220 В (или отключение аккумулятора автомобиля, в случае использования в качестве автомобильной сигнализации) не скажется на надежности оповещения.

«Страж GSM-M» очень экономен в использовании за счет того, что Вам не нужно отвечать на входящий звонок.

Вы можете контролировать состояние нескольких объектов, так как «Страж GSM-M» идентифицирует объект по номеру установленного на нём мобильного телефона.

Монтаж системы:

Монтаж этой охранной системы несложен. Телефон закрепляется в укромном месте так, что бы была доступна клавиатура телефона (с неё производится программирование системы, постановка и снятие с охраны), устанавливается необходимое количество датчиков и подключаются к разъёму телефона. Телефон подключается к сети 220 В через прилагаемый блок питания. Программируются номера и сообщения для оповещения.

Цена: 3 200 руб.

2.2 Сравнительная характеристика систем оповещения

Рассмотри три аналога наиболее подходящих по характеристикам и функциональному назначению разрабатываемому устройству. Цель сравнения состоит в подтверждении факта актуальности и необходимости конечного электронного средства в потребительском сегменте российского рынка.

Табл. 1. Характеристики прототипов

РЭС №1 - Страж SMS 8x6 GPS

РЭС №2 - GSM модуль – Visonic GA-1RS

РЭС №3 - Страж GSM-M

РЭС №4 - GSM-сигнализация

«+» - функция присутствует

«–» - функция отсутствует.

В таблице представлен рейтинг производимый по принципу распределения баллов от 0 (худшее значение сравниваемого параметра из предложенных) до 6 (лучшее значение сравниваемого параметра). Внизу таблицы приведены итоги сравниваемых параметров по семи балльной шкале. GSM – сигнализация не сильно превосходит Страж GSM-M. Но заметим, что РЭС №3 дороже РЭС№4, причина тому сложное изготовление устройства или уже зарекомендованная его марка на рынке.

Обратим внимание на большое число сходств и не принципиальное техническое различие рассматриваемых устройств. Не смотря на это, ценовой спектр широк для среднего класса граждан. И проектируемое устройство по соотношению функциональность/цена превосходит своих конкурентов.

2.3 Классификация систем оповещения

Большое количество различных систем оповещения от элементарного дверного звонка до комплексной многофункциональной системы контроля предприятия площадью в несколько десятков тысяч квадратных метров с прилегающими к нему земельными территориями могут привести среднего гражданина в состояние полной неопределенности выбора. В таком случае в первую очередь необходимо обратить внимание на желания и возможности заказчика, на их соответствие и реальность воплощения. Для этой цели иметь представление о разнообразии видов, классов, групп и других градациях систем видится первоочередной задачей на этапе принятия выбора.

2.3.1 Виды систем оповещения

Сигнализация – получение, обработка, передача и представление в заданном виде потребителям при помощи технических средств информации о несанкционированном событии на охраняемых объектах.

Основные функции сигнализации обеспечиваются различными техническими средствами. Для обнаружения служат извещатели, для обработки, протоколирования информации и формирования управляющих сигналов тревоги – приемно-контрольная аппаратура и периферийные устройства.

Система пожарной сигнализации предназначена для своевременного обнаружения места возгорания и формирования управляющих сигналов для систем оповещения о пожаре и автоматического пожаротушения.

Кроме этих функций, пожарная сигнализация должна формировать команды на включение автоматических установок пожаротушения и дымоудаления, систем оповещения о пожаре, технологического, электротехнического и другого инженерного оборудования объектов.

Системы охранной сигнализации выполняют задачи своевременного оповещения службы охраны (в нашем случае, владельца) о факте несанкционированного проникновения или попытке проникновения людей в здание или его отдельные помещения с фиксацией даты, места и времени нарушения рубежа охраны.

Системы охранно-пожарной сигнализации совмещают в себе все характеристики как систем охранной, так и пожарной сигнализации.

Комплексные системы сигнализации.

Для того чтобы обеспечить полную безопасность объекта необходимо определить все возможные факторы угрозы. Факторы угрозы могут быть следующими: проникновение, нежелательный пронос предметов, негласный съем информации (аудио-видео запись, компьютерные атаки и т.д.), технологические аварии (утечки воды, газа и т.д.), пожар. Исходя из этого, оптимизируя меры защиты, проектируются комплексные системы безопасности из необходимых компонентов: системы контроля и управления доступом; инженерная защита объекта; защита информации.

Системы оповещения делятся на типы по степени интеграции различными видами датчиков, контрольно-измерительной аппаратуры и периферийных устройств.

2.4 Электронные блоки систем оповещения

Система может выполнять не только функции фиксации факта проникновения, но и контролировать все остальные опасные аварийные ситуации:

- возникновения пожара;

- утечка газа;

- затопление.

Система может быть оборудована функцией срочного вызова скорой помощи, милиции и т.п. автодозвона хозяину.

Системы охранной сигнализации включают:

- датчики – чувствительные элементы, преобразующие контролируемый параметр в электрический сигнал;

- пульт-концетратор – центральное устройство системы сигнализации, выполненное на базе микропроцессора;

- исполняющие устройства – подключаются к центральному пункту при помощи проводной или беспроводной связи.

В охранных сигнализациях в качестве исполняющих устройств обычно используются:

- сирена;

- свет (мигающий или полный);

- ПК, видеомагнитофон или принтер для регистрации времени, места и характера нарушения. Большинство систем охранной сигнализации дополняются датчиками утечки газа или затопления (монтируются на полу). Датчики объединяются в зоны, именуемые шлейфами, которые охраняют определенный объект или его часть.

В охранных системах обычно используются следующие датчики:

- инфракрасные датчики движения – срабатывают при попадании в зону движущегося объекта, излучающего тепло (например, человека), отличаются зоной чувствительности (90-110 градусов), устойчивостью к ложным срабатываниям (например, на включение/отключение батарей отопления в зоне чувствительности датчиков);

- датчики разбития стекла – акустические датчики, реагируют на звон бьющегося стекла, двухпороговые датчики регистрируют звук удара по стеклу и приэтом расположение датчика может находится на расстоянии да 7,5 м от стекла;

- фотоэлектрического датчика – используются для бесконтактного блокирования пролетов, дверей, окон, проемов, коридоров и т.п., срабатывают при попытке пересечь систему лучей;

- микроволновые и ультразвуковые датчики – имеют те же функции, что и вышеперечисленные, их отличает более низкая устойчивость к ложным срабатываниям и высокие цены;

- контактные – ленты из тонкой алюминиевой фольги, которые клеятся на стекло, стену дверь и т.д., и которые рвутся при разрушении основания.

Пульт-Концетратор:

- принимает сигналы от пультов дистанционного управления и от датчиков охраняемых зон;

- могут подключаться к персональным ЭВМ для обработки и регистрации сигналов тревоги;

- могут принимать и передавать сообщения по телефонной сети через коммуникационный модуль в автономном режиме или через мобильный телефон посредством GSM технологии;

- коммуникационный модуль позволяет принимать сигнал тревоги по телефону на районном или городском пульте охраны;

- в зависимости от модели могут обслуживать как большой объект или систему построек, так и квартиру.

2.5 Выводы

В данном разделе бакалаврской работы был проведен анализ существующих устройств оповещения аналогичных разрабатываемому. Также рассмотрены все виды систем оповещения и электронные блоки систем оповещения. В результате получили, что разрабатываемое устройство удовлетворяет по своим характеристикам и функциональности.

3.1 Постановка задачи

На основе вышесказанного в настоящей бакалаврской работе ставится задача разработать микропроцессорное устройство, отвечающее за контроль и своевременное оповещение о наступлении того или иного события. С необходимыми для изготовления чертежами схемами по единому российскому стандарту.

3.2 Описание охраняемого пространства

Под моделью охраняемого пространства будем понимать крытое трехкомнатное одноэтажное кирпичное здание с одной входной стальной дверью. Площадь комнат примем 4 х 5 х 2,5 м.

3.3 Состав системы

По итогам изучения видов и существующих действующих образцов систем оповещения определим состав разрабатываемой системы.

1) Центральный блок, устанавливаемый в недоступном месте и управляющий работой всей системы;

2) Считыватель ключей, со встроенным светодиодом для индикации;

3) Два ИК – датчика движения;

4) Температурный датчик;

5) Накладной магнитно-контактный датчик для входной двери;

6) Мобильный телефон для дистанционного оповещения владельца о возникшей проблеме.

3.1.1 Выбор микроконтроллера для центрального блока

Микроконтроллер – микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Эти микросхемы являются основой для построения встраиваемых систем, их можно встретить во многих современных приборах, таких как телефоны, стиральные машины и т. п. На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров. Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, 16-битные MSP430 фирмы TI, а также ARM. В то время как 8-разрядные процессоры общего назначения полностью вытеснены более производительными моделями, 8-разрядные микроконтроллеры продолжают широко использоваться. Это объясняется тем, что существует большое количество применений, в которых не требуется высокая производительность.

В разрабатываемом устройстве данной бакалаврской работы не понадобится высокопроизводительный микроконтроллер (такие как 16-битные MSP430), так как число задач в системе оповещения будет не велико.