基于LoRa的无线防盗系统设计开题报告

1.目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1目的及意义

随着电子技术、网络技术的逐步成熟、生活水平的提高，人们的防盗意识也逐渐增强，对防盗报警装置已不满足于本地报警的功能，产品的便捷化、网络化、智能化成为人们的追求。我们身边的生活小区无一不标榜安防级别有多高，防盗门、防盗锁的质量有多好，但总时不时出现有小偷入侵、钱财被盗的现象。究其原因，小偷大多是趁家里无人的时候入室的，人工24小时现场监护很不现实,现存大部分监测系统存在着布线困难、成本高,或通信费用高等问题。以此看来，只要现场没人，再高级的机械锁都能被强行打开，再大的报警声都没人能听到、前来处理，防盗设备也就形同虚设。

传统的防盗系统已经不能满足人们的日常防盗需要，为了解决传统防盗报警器无法及时将报警信息实现远程无线传送的问题，设计一款新型无线防盗系统能够有效的解决这些问题。将物联网技术引入到防盗报警装置中，把原本孤立的报警器与主人手机等终端关联，在多个应用终端间搭建无线网络，使主人能在远端随时接收报警信号，达到远程监控、实时处理的目的，真正意义上提升安防效果。

目前研发出的基于ZigBee或WiFi技术的各种防盗系统，存在功耗高、距离短、很依赖网络稳定性等问题，使得大范围实施会存在一定困难。人们渴望寻找到一种方便快速、稳定可靠、成本不高、距离远的无线防盗系统，随着科技的进步，出现了LoRa技术，其具有低功耗、低成本、广覆盖、容量大、可靠性高的优势，因此设计一款基于LoRa的无线防盗系统可以很好的满足需求。

功能优越的防盗报警系统可以为人们的生命和财产安全提供更好的保障，此设计的目的就是在原有的防盗报警系统的基础上设计出更符合人们日常需要的新型无线防盗报警系统。综上所述，可知研制一款基于LoRa的无线防盗系统意义重大。

1.2国内外研究现状分析

目前国内的防盗报警装置多以红外、微波、气感探测器为主导。普遍使用的电子防盗报警装置主要有压力触发式防盗报警器、开关电子防盗报警器、压力遮光触发式防盗报警器等，这几种常见的报警器都有一定的缺陷，容易被犯罪分子破解。红外线有着更强的隐蔽性和保密性，所以红外传感器的种种优点能够在防盗、警戒等装置中都得到普遍的运用。而红外报警装置有主动式与被动式：主动红外报警是发射机向接收机发送红外线，当红外线碰到障碍物阻挡则产生报警；被动红外报警是在规定区域内探测到红外辐射后立即响应。被动红外报警不需要红外发射源、且探测范围广、灵敏度高，其在防盗领域应用广泛。被动式红外报警器大多使用热释电红外传感器，生物的横向运动，使传感器内部产生的温差信号转换成电信号输出。热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体、动物等辐射的红外线能量变化，并将其转换成电压信号输出，通过对此信号进行处理，便可驱动其他电路。由其制作的防盗器可隐蔽安装，不易被盗窃者发现。此外，热释电红外传感器的信号，经过单片机系统的处理后，可以与计算机等用户终端通信，方便用户管理。

在国内，随着人们的防盗意识越来越强烈，防盗报警系统的发展非常快速，范国娟，范国卿结合红外防盗报警器和ZigBee技术，设计了以TI公司的单芯片CC2340和RE200B红外传感器为核心，完成了基于ZigBee技术无线红外防盗报警器系统的硬件设计和软件开发，他们采用无线组网技术，利用高性价比的CC2340芯片实现了无线系统中节点之间的相互通信。李丽丽，刘传熙，张月恒等人设计了一款基于51单片机和全球移动通信GSM模块的防盗报警装置，他们利用红外传感器检测人体释放的红外信号，当检测到红外信号变化时，将其转化为微弱的电信号，经过信号的处理之后，输出高电平作为警报信息传递给单片机，单片机通过串口控制GSM模块给用户发信息，从而实现了远程无线防盗的功能。

在国外，Andreas,Cornelio Revelivan Aldawira,Handhika Wiratama Putra等人设计了一款基于ESP32的家庭安防系统，他们使用的是物联网（ToT）技术来监视门的状态，控制门并提高房屋的安全性，PIR传感器安装在门锁中以检测门附近的运动，而触摸传感器则安装在门把手上以识别人的手。如果门被强行打开，警报器将响起并发送通知，以提醒房屋居住者房屋中存在入侵者。运动检测传感器可以准确地检测到最远16米的移动，并且智能手机和门锁之间发送的消息已加密，因此可以安全地发送消息，实现远程报警。

由此可见国内外的无线防盗系统都是在如火如荼的进行着研究，因此设计出一款无线防盗系统是很有必要的。

2.研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1基本内容

本设计主要是基于LoRa的无线防盗系统的硬件电路设计和软件设计。设计采用了STM32L0系列的单片机作为MCU，LoRa终端采用SX126X方案，人体检测采用双元红外传感器检测和微波探测相结合的方式，基本内容如下：

（1）查阅资料，了解无线防盗报警的问题及其解决方案，根据实际需求确定最终方案。

（2）根据任务需求，筛选相关器件，选择时应该综合考虑价格，性能等。

（3）针对所选择的器件，收集相关资料，进行理论验证，设计原理图，进行仿真设计，保证理论上的正确。

（4）进行PCB打样，元器件焊接，MCU程序的编写与调试，保证预定目标的实现。

（5）对所设计的设备进行最后的评估，并且整理相关资料，撰写文档。

2.2目标

本次设计为基于LoRa的无线防盗系统，需要达到以下目标：

a) 工作温度范围：-15-70°C

b) 探测距离范围：3-5m

c) 通讯距离范围：半径3-5km

d) 系统续航时间：30天左右

e) 能够在发生入室盗窃时进行检测并报警，能够避免其他生物如猫、狗导致的误报，报警准确率要达到95%，具有布防、撤防功能按键，同时需要有一定程度的隐蔽性。报警方式：声光报警和远程报警

f) LoRa终端采集到的数据，通过LoRa网关上传到服务器，供实时监控、后台数据分析、预警处理

2.3技术方案及措施

系统总体构成如图1所示：

图 1总体设计框图

该设计方案由嵌入了LoRa技术的传感器和网关以及基于LoRaWAN协议的智能低功耗广域网组成，采用双元红外探测与微波探测相结合的方式检测人体信号，来自处理后的传感器的数据被发送到基于LoRa的网关，网关向网络服务器发送信息，应用服务器在网络服务器上分析数据并向人发送警报，同时本地具有声光报警电路，声光报警起到威慑作用。

（1）根据设计目标的探测距离范围选取合适的传感器，同时需要考虑成本高低及误报率，我采用了双元红外探测及微波探测相结合的方式。热释电红外传感器本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉，能以非接触的方式普遍的运用，而双元红外传感器内有两个对偶的传感单元，可以对温度干扰起到一定的抑制作用。同时加装菲涅尔透镜，能够有效的让人体辐射的红外光（波长为7-14um）通过，而对小动物则灵敏度大大降低，从而有效的防止小动物造成的误报。被动红外探测受环境温度影响较大且主要的检测为横向运动，对径向运动不敏感，而微波探测恰好可以弥补这些缺点，它对温度的变化、气流的扰动和噪声等的干扰均不敏感，检测方向为径向运动方向，结合微波探测技术可以有效的抑制外部干扰源，降低误报率。

（2）根据数据传输的速度及功耗低的要求，MCU选用超低功耗STM32L053R8T6，它较我们所熟悉的STC89C52有更为强大的数据处理能力，且封装更加小巧，同时功耗更低，使得系统在电池供电的情况下续航时间更长。

（3）为了实现远距离通信，将传感器采集到的数据通过LoRa网关传递到服务器，同时考虑到今后的扩容及兼容，LoRa终端需要支持LoRaWAN。查阅资料比较了芯片SX1276/1278/1262的不同，发现在LoRa调制下，SX1262可以达到的空中速率要比SX1276/1278大得多，故采用SX1262，其与MCU连接方式如图2所示：

图 2 STM32L0与SX1262连接示意图

（4）MCU与LoRa模块采用SPI接口，通过SPI总线以8 Mbit / s的速率访问SX1262内部寄存器。考虑到SPI传输中从机传输的被动性，加入了MCU对LoRa模块的选择信号NSS，在SPI访问期间NSS信号由软件配置GPIO电平高低来控制。

（5）总结经验，不断改进，使用户能够操作简单、易懂、灵活；且安装方便、智能性高、误报率低。

3.进度安排

1-4周：明确设计任务，查阅资料，完成开题报告；

5-9周：完成系统硬件设计、仿真、实物制作任务；

10-13周：完成系统软件设计、调试任务；

14-15周：完成设计说明书（论文）撰写；

16周：准备答辩

4. 阅读的参考文献不少于15篇（其中近五年外文文献不少于3篇）

[1]吕远.基于LoRa通信的无线报警系统[J].消防技术与产品信息,2018,31(05):71-74.

[2]李鹏. 基于LoRa的重点区域安防监测系统[C]. 中国通信学会.2019年全国公共安全通信学术研讨会优秀论文集.中国通信学会:中国通信学会,2019:267-271.

[3]潘学文,邓风华.一种远程家庭防盗报警系统[J].大众科技,2019,21(05):9-10 27.

[4]杜英玲,孙宗保,李军.降低防盗报警系统误报率的方法探讨[J].科技展望,2014(13):93.

[5]潘学文,王增荣,陈明武.基于单片机和GSM模块的红外防盗报警系统[J].湖南科技学院学报,2016,37(10):26-28.

[6]郭恋恋. 基于LoRa技术的农业温室监测系统设计与实现[D].安徽大学,2018.

[7]邵婷婷,王卓,余嘉诚.基于单片机的防火防盗报警系统设计[J].信息技术,2017(08):102-104 108.

[8]吴江雪.LoRa的智能农业系统设计与实现[J].科技创新与应用,2020(07):98-99.

[9]范国娟,范国卿.基于ZigBee的无线红外防盗报警系统设计[J].电子设计工程,2012,20(12):16-20.

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[11]张雄,朱兆优,赖云波,王孚贵.基于热释电红外传感器的海洋牧场防盗系统设计[J].电子质量,2018(08):91-93.

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[16]Andreas,CornelioRevelivan Aldawira,Handhika Wiratama Putra,Novita Hanafiah,SuryaSurjarwo,Aswin Wibisurya. Door Security System for Home Monitoring Based onESP32[J]. Procedia Computer Science,2019,157.