楊 靖 林 益 李捍東

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院1，貴州 貴陽 550025;貴州民族學(xué)院理學(xué)院2，貴州 貴陽 550025)

0 引言

隨著社會信息化程度的提高，人們越來越關(guān)注如何擁有安全、方便和舒適的家居環(huán)境，即智能家居［1］。由于安全是智能家居需要考慮的的首要因素，因此，家居安防系統(tǒng)是當(dāng)前的研究熱點［2－5］。

在傳統(tǒng)的家居安防系統(tǒng)中，信息的傳送主要分為有線和長距離無線兩種方式。有線方式存在安裝調(diào)試復(fù)雜，且線路一經(jīng)部署更改困難等不足［4］。長距離無線方式主要是基于GSM或GPRS網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳送［5］。該方式的優(yōu)點是地域局限性小，不足之處在于GPRS設(shè)備的電能消耗大，需使用專門的電源進行供電，且需要網(wǎng)絡(luò)使用費用，這都增加了系統(tǒng)的使用成本。因此，如何合理利用新技術(shù)構(gòu)建一個通用的家居安防系統(tǒng)，并將各種家庭安防設(shè)備統(tǒng)一起來進行集中管理，是一個有待于進行深入研究的課題。

嵌入式技術(shù)以應(yīng)用為中心，通過可裁剪的軟硬件以完成特定的功能，被廣泛應(yīng)用在控制及通信領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)集合了微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanicalsystems，MEMS)、傳感測量技術(shù)和無線通信技術(shù)等多種學(xué)科的最新成果，是一門新興綜合性科學(xué)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測等多個領(lǐng)域［6－8］。對此，本文運用嵌入式技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計了一種智能家居安防系統(tǒng)，并研制了家庭總控制器、探測節(jié)點和執(zhí)行節(jié)點。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及工作原理

家居安防系統(tǒng)采用的是以家庭總控制器為中心的星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)采用2層結(jié)構(gòu)，底層是部署在家居中的各種探測節(jié)點和執(zhí)行節(jié)點，探測節(jié)點配置有傳感器，可完成所需的監(jiān)測任務(wù)，在執(zhí)行節(jié)點配置有報警設(shè)備，可進行聲光報警等操作;上層是家庭總控制器，負責(zé)監(jiān)控所有探測節(jié)點和執(zhí)行節(jié)點的工作，可通過觸摸屏實現(xiàn)人機交互。

該系統(tǒng)中的每個節(jié)點都配置有無線通信模塊，可通過自組織方式形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)家居環(huán)境信息的傳送。當(dāng)系統(tǒng)啟動后，用戶可通過人機交互界面，根據(jù)需要完成系統(tǒng)的初始設(shè)定，即對系統(tǒng)進行設(shè)防或撤防。網(wǎng)絡(luò)中所有探測節(jié)點和執(zhí)行節(jié)點都需進行網(wǎng)絡(luò)注冊，以使家庭控制器確定家居中節(jié)點狀態(tài)和位置等信息。當(dāng)探測節(jié)點監(jiān)測到家居中的異常情況時，立即將信息通過無線方式(單跳或多跳方式)傳送到家庭總控制器和執(zhí)行節(jié)點。總控制器判斷家居中何種何處節(jié)點發(fā)生異常，然后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以短信形式將報警信息通知用戶，從而實現(xiàn)對家居環(huán)境的智能化安全防護。

2 探測節(jié)點設(shè)計

家居安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 家居安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of home security system

探測節(jié)點的功能是對家居環(huán)境中的異常情況進行探測，并采集各種異常信息。探測節(jié)點主要由電源模塊、處理器模塊、無線通信模塊和探測模塊組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 探測節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of detection node

2.1 處理器模塊及無線通信模塊

為簡化節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)，選用了Nordic VLSI公司于2004年推出的無線單片機芯片nRF9E5［9］。該芯片內(nèi)嵌8051兼容微處理器、RF收發(fā)器和4通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，是真正的系統(tǒng)級芯片。

nRF9E5內(nèi)置的RF收發(fā)器與nRF905芯片一樣，可工作于ShockBurst方式(可自動處理前綴和地址等)。nRF905可工作于433/868/915 MHz這3個ISM頻道(可以免費使用)，頻道轉(zhuǎn)換時間小于650 μs;采用GFSk調(diào)制，抗干擾能力強;支持多點通信，數(shù)據(jù)傳輸速率高達100 kbit/s;其內(nèi)部寄存器的配置非常方便;具備發(fā)射信號載波監(jiān)測功能，可有效降低功耗電流、避免數(shù)據(jù)沖突。需要注意的是，nRF9E5需要從外部存儲器加載執(zhí)行程序，因此，應(yīng)該配置相應(yīng)的EEPROM存儲器。該設(shè)計中采用的EEPROM存儲器型號為25AA230，它通過SPI接口與微處理器交換數(shù)據(jù)。通過寄存器設(shè)置nRF905工作在433 MHz頻段。當(dāng)nRF905接收到有效數(shù)據(jù)或檢測到周圍有載波信號時，可通過中斷的方式告知處理器，因此能加快模塊收發(fā)的響應(yīng)速度。為提高節(jié)點的無線通信能力，選用了單端50 Ω天線，視距條件下射頻通信距離可達200 m左右。

2.2 探測模塊

家居安防系統(tǒng)需要完成的主要功能有煤氣泄漏探測、火警探測以及入侵報警等。為實現(xiàn)這些功能，需要選擇合適的傳感器。文中探測節(jié)點配置的傳感器主要有以下幾種。

①溫濕度傳感器

通過探測家居的溫度和濕度，可自動控制空調(diào)等設(shè)備工作，使用戶擁有更舒適的生活環(huán)境。本設(shè)計中選擇的溫度和濕度傳感器是瑞士SENSRION公司生產(chǎn)的SHT75。SHT75將溫度、濕度傳感器和總線接口均集成在一個芯片上，其供電電壓為3.3 V、溫度測量范圍為40～123.8℃、濕度測量范圍為0～100%，并內(nèi)置有放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和輸出接口，輸出信號為數(shù)字量，便于直接與微處理器相連。SHT75與nRF9E5的連接方式如圖3所示。

圖3 SHT75與nRF9E5的連接圖Fig.3 Connections between SHT75 and nRF9E5

②光照度傳感器

通過探測光照度，可自動執(zhí)行關(guān)閉窗簾等操作。光照度傳感器采用的是TSL2561，它是一款支持I2C串行總線接口的數(shù)字光照強度傳感器。當(dāng)它工作在2.7～3.5 V電壓下，能夠自動屏蔽 50Hz/60Hz光波。TSL2561包括2個光電探測器和1個A/D轉(zhuǎn)換器。其中一個光電監(jiān)測器可探測可見光和紅外線，另一個則只能探測紅外線。這2個探測器相結(jié)合可以減小周圍環(huán)境紅外光造成的影響。芯片輸出信號為數(shù)字信號，便于直接與微處理器相連。

③煙霧傳感器

為了對家居系統(tǒng)中的火災(zāi)或燃氣泄漏進行監(jiān)測，選用了MQ-2和MQ-5型氣體傳感器，傳感器的供電電壓為5 V。

④熱釋電傳感器

家居安防系統(tǒng)很重要的一個功能就是及時發(fā)現(xiàn)非法入侵者。為了實現(xiàn)對家居的主動安防，需要對非法入侵進行檢測，并保證被監(jiān)測區(qū)域(陽臺、門窗、過道等)置于傳感器的探測區(qū)域內(nèi)?，F(xiàn)有入侵檢測方法主要有熱釋電傳感器探測、雷達波探測、聲音探測、振動探測、音頻識別和視頻檢測等。相比之下，熱釋電傳感器能夠探測到紅外線輻射的變化，而家居安防中防入侵的對象一般是動物或人，他們的體溫一般是恒溫的，身體的紅外輻射容易被探測到［10］。綜合以上各因素并考慮傳感器成本，選擇熱釋電傳感器實施探測，應(yīng)該是現(xiàn)有入侵檢測技術(shù)中較優(yōu)的方案。

2.3 電源模塊

能量供應(yīng)模塊提供節(jié)點正常工作所需的能量，為便于安裝使用，設(shè)計中采用的是可充電電池?？紤]到nRF9E5的供電電壓為3.3 V，而有些傳感器的供電電壓為5 V左右，所以選用德州儀器的TPS76033作為電源芯片。該芯片的輸出電壓為3.3 V，最大輸出電流為50 mA。為了降低干擾，在輸入端或輸出端都接有相應(yīng)的濾波電容。穩(wěn)壓后，3.3 V電源對nRF9E5供電;5 V電源給熱釋電傳感器等供電。具體的電源電路如圖4所示。

圖4 電源電路圖Fig.4 Circuit of power supply

2.4 探測節(jié)點軟件設(shè)計

當(dāng)系統(tǒng)啟動后，探測節(jié)點進行上電初始化，開啟探測模式，然后探測節(jié)點可進入休眠狀態(tài)，由節(jié)點配置的傳感器對家居進行探測。當(dāng)探測到異常情況時，首先觸發(fā)探測節(jié)點，確定異常發(fā)生的位置;然后上報總控制器;最后由總控制器進行決策，確定是否將入侵信息發(fā)送給用戶。

探測節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先判斷CD是否為1，如果CD=1，則表明空間存在有相同頻率的載波，在產(chǎn)生一個隨機等待時間后，繼續(xù)檢測大氣中是否存在相同頻率的載波;如果CD不為1，則開始傳送數(shù)據(jù)。探測節(jié)點的軟件流程如圖5所示。

圖5 探測節(jié)點流程圖Fig.5 Software flowchart of detection node

2.5 低功耗設(shè)計

由于探測節(jié)點采用電池供電，而節(jié)點最耗能的工作是通過無線方式發(fā)送或接收數(shù)據(jù)［11］，因此可將無線收發(fā)器設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)，以降低能耗(此時傳感器模塊需處于工作狀態(tài))。

降低功耗的具體方法為:探測節(jié)點的信息，實施觸發(fā)式發(fā)送，即當(dāng)傳感器探測到家居環(huán)境的異常變化時，才觸發(fā)探測節(jié)點進入中斷模式，并將異常信息進行上報。通過采用觸發(fā)式探測，可以大量減少探測節(jié)點的能量消耗。為了更好地利用資源，在系統(tǒng)中采用載波監(jiān)聽多路訪問(carrier sense multiple access，CSMA)這種爭用型介質(zhì)訪問控制協(xié)議。該協(xié)議具有實現(xiàn)簡單、不需要集中控制的優(yōu)點，適用于各種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

為了進一步降低節(jié)點能耗，還可通過系統(tǒng)的撤防節(jié)約節(jié)點能量，即對紅外、煙感等探頭進行設(shè)置。主人在家時可撤防，使探頭減少頻繁動作，在延長使用壽命的同時節(jié)約節(jié)點能量。

3 執(zhí)行節(jié)點設(shè)計

3.1 執(zhí)行節(jié)點硬件設(shè)計

執(zhí)行節(jié)點的功能是執(zhí)行聲光報警等工作。該系統(tǒng)選用的語音芯片是廣州市唯創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的WTV020-20S，芯片供電電壓為2.5 ～3.5 V。揚聲器選用的是普通的有源音箱，用于播放簡單的報警聲。鑒于音箱的功耗較高，文中執(zhí)行器節(jié)點采用了“市電-蓄電池”聯(lián)合供電方案。

3.2 執(zhí)行節(jié)點軟件設(shè)計

執(zhí)行節(jié)點的軟件流程如圖6所示。

圖6 執(zhí)行器節(jié)點軟件流程圖Fig.6 Software flowchart of actuator node

4 家庭總控制器設(shè)計

家庭總控制器的功能是對整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行監(jiān)控，需進行人機交互、收集底層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等操作?？紤]到這些功能對總控制器的軟硬件平臺有較高要求，本設(shè)計中選用了ARM處理器為核心構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)，并以Linux操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺。

4.1 總控制器硬件設(shè)計

與探測節(jié)點和執(zhí)行節(jié)點相比，家庭總控制器要求具有較強的處理能力和運行速度，因此，在設(shè)計中采用了具有豐富片上資源的三星公司的32位RISC嵌入式芯片S3C2440芯片。該芯片可根據(jù)功能需要，擴展硬件通信接口。

本設(shè)計采用4.3英寸(1英寸=25.4 mm)的LCD觸摸屏實現(xiàn)人機交互控制，同時采用USB卡存儲歷史數(shù)據(jù)等信息。GPRS模塊采用的是德國Simens公司的MC35i，通過串行口與S3C2440進行信息交換。無線通信模塊采用的是Nordic VLSI公司生產(chǎn)的nRF905芯片。鑒于控制中心的硬件有LCD觸摸屏等功耗較高的外設(shè)，因此，采用“市電-蓄電池”聯(lián)合供電模塊供電。

4.2 總控制器軟件設(shè)計

由于Linux具有源代碼開放、支持大部分芯片、易于移植和開發(fā)等優(yōu)點［12］，故在設(shè)計中針對具體的應(yīng)用功能，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)完成定制開發(fā)。用戶應(yīng)用程序由一系列用來完成相應(yīng)功能的函數(shù)組成，如報警監(jiān)控程序、數(shù)據(jù)采集程序和GPRS通信程序等。

5 結(jié)束語

本文基于嵌入式系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了一種家居安防系統(tǒng)的設(shè)計方案，并給出了系統(tǒng)各部分軟硬件設(shè)計的具體實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)綜合了短距離無線通信和長距離無線通信的優(yōu)點，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)家居信息的傳送，不但能避免接線的繁雜，而且便于系統(tǒng)部署和實現(xiàn)。該設(shè)計方案結(jié)構(gòu)靈活、適用面廣，不但可用于家居安防，還可通過選配不同的傳感器，用于智能建筑等領(lǐng)域，具有良好的應(yīng)用前景。

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