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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

ABSTRACT
Electronic 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 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 主要研究内容 2
第2章 总体方案设计 4
2.1 设计方案 4
2.2 元器件选择 4
2.2.1 单片机 4
2.2.2 语音合成模块 5
2.2.3 短信模块 6
2.2.4 ZigBee模块 7
2.2.5 红外传感器 8
2.2.6 蜂鸣器 9
2.2.7 红外对管传感器 9
第3章 系统的硬件部分设计 11
3.1 系统总体设计 11
3.2 系统的主要功能模块设计 11
3.2.1 短信模块设计 11
3.2.2 蜂鸣器模块设计 12
3.2.3 ZigBee模块设计 13
3.2.4 红外传感器模块设计 13
3.2.5 SYN6288语音模块设计 14
第4章 系统的软件设计 16
4.1 软件的主要流程 16
4.2 短信模块设计 17
4.3 ZigBee模块软件设计 18
4.4 蜂鸣器模块软件设计 19
4.5 红外传感器模块软件设计 20
4.6 SYN6288语音模块软件设计 21
第5章 系统测试 22
5.1 系统实物图 22
5.2 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2V_{3.6V的电压和-40℃}85℃环境温度。
表2-1
1 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Flash，8代表64K字节Flash，C代表256K字节Flash，D代表384字节Flash，E代表512K字节Flash，G代表1M字节Flash
6 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。