趙　艷，汪春梅

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院，上海 200234)

基于CC3200的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙艷，汪春梅

(上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院，上海 200234)

摘要:設(shè)計(jì)了一款以德州儀器公司的首款單芯片無(wú)線微控制器SinpleLink WiFi CC3200為核心，與人體紅外感應(yīng)系統(tǒng)相結(jié)合的智能家居安防系統(tǒng)。設(shè)計(jì)結(jié)合Yeelink云和APP，利用CC3200片上WiFi系統(tǒng)傳輸安防信息，與手機(jī)、PC等建立通信，實(shí)現(xiàn)紅外報(bào)警和實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于CC3200的優(yōu)越性能，使系統(tǒng)成本低、功耗低并有良好的可擴(kuò)展性，因此具有一定的研究意義。

關(guān)鍵詞:智能家居； 安防系統(tǒng)； CC3200； 紅外感應(yīng)； Yeelink

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們開(kāi)始關(guān)注生活條件的安全性和可靠性，對(duì)家庭安全的要求越來(lái)越高，與此同時(shí)，傳統(tǒng)的機(jī)械或單靠人力控制操作的安防系統(tǒng)在實(shí)際使用中暴露出各種弊端和不足，已經(jīng)無(wú)法滿足人們的需求。隨著科技的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，智能家居不再是只出現(xiàn)在高科技展覽會(huì)里的表演或者是富豪們炫富的手段，它已經(jīng)逐步走進(jìn)人們的生活。

安全防范技術(shù)是智能家居系統(tǒng)中必不可少的技術(shù)，在小區(qū)及戶內(nèi)可視對(duì)講、家庭監(jiān)控、家庭防盜報(bào)警、與家庭有關(guān)的小區(qū)一卡通等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1]。本文以家庭局域網(wǎng)為背景，基于SinpleLink WiFi CC3200，實(shí)現(xiàn)智能家居安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1CC3200簡(jiǎn)介

CC3200是美國(guó)德州儀器公司(Texas Instruments，TI)研發(fā)的業(yè)界第一個(gè)具有內(nèi)置WiFi連通性的單片微控制器(Micro Controller Unit，MCU)[2]。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的SimpleLinkCC3200器件是一款集成了高性能ARM Cortex-M4的無(wú)線MCU，用戶可以使用單個(gè)集成電路完成整個(gè)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。借助片上WiFi、互聯(lián)網(wǎng)和穩(wěn)健的安全協(xié)議，沒(méi)有WiFi經(jīng)驗(yàn)的用戶也可以完成開(kāi)發(fā)。

CC3200由應(yīng)用微控制器、WiFi網(wǎng)絡(luò)處理器和電源管理子系統(tǒng)組成。ARM Cortex-M4處理器內(nèi)核子系統(tǒng)包含一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80 MHz的ARM Cortex-M4內(nèi)核以及豐富的片上外設(shè)，諸如并行的Camera接口，I2S，SD/MMC，UART，SPI，I2C和4通道的ADC。WiFi網(wǎng)絡(luò)處MAC，實(shí)現(xiàn)快速、安全的與互聯(lián)網(wǎng)連接，CC3200支持AP、Station與WiFi直連模式，并且支持WPA2個(gè)人、企業(yè)安全和WPS 2.0，Internet-on-a-Chip WiFi模塊包括嵌入式TCP/IP與TLS/SSL協(xié)議棧、HTTP服務(wù)器以及多種Internet協(xié)議。電源管理子系統(tǒng)包含集成的DC-DC轉(zhuǎn)換器，支持多種電源電壓以及多種低功耗模式。

CC3200主要應(yīng)用在云連通性、互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、家庭自動(dòng)化、工業(yè)控制、家用家電、安防系統(tǒng)、智能插座與儀表測(cè)量等。

2智能家居安防系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示智能家居安防系統(tǒng)由處理器模塊、無(wú)線通信模塊、電源模塊和人體紅外感應(yīng)系統(tǒng)組成。其中處理器模塊、無(wú)線通信模塊和電源模塊采用CC3200芯片，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

圖1　智能家居安防系統(tǒng)框圖

智能家居安防系統(tǒng)硬件部分采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，將電路分為CC3200核心板和各功能不同的擴(kuò)展板，實(shí)現(xiàn)同一核心板和不同擴(kuò)展板的配合使用。這樣的好處在于針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景選用不同的擴(kuò)展板，而不必對(duì)核心板進(jìn)行修改。CC3200的核心板使用TI公司針對(duì)CC3200器件推出的評(píng)估套件CC3200LaunchPad開(kāi)發(fā)板[3]，通過(guò)CC3200LaunchPad開(kāi)發(fā)板上的兩排20-pin引腳與擴(kuò)展板連接。安防系統(tǒng)的擴(kuò)展板實(shí)現(xiàn)人體紅外感應(yīng)功能，電路設(shè)計(jì)包括人體紅外感應(yīng)電路、聲音報(bào)警電路設(shè)計(jì)。

2.1CC3200LaunchPad開(kāi)發(fā)板

CC3200LaunchPad是一個(gè)基于ARM Cortex-M4F MCU的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，不僅充分展現(xiàn)了CC3200 WiFi特色，突出其物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的亮點(diǎn)，同時(shí)還提供了可編程的LED、按鍵以及板上開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。CC3200LaunchPad開(kāi)發(fā)板能夠擴(kuò)展豐富的外設(shè)諸如：圖形顯示、音頻編解碼、天線選擇、環(huán)境傳感器等，其加長(zhǎng)的外擴(kuò)接口可方便實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展模塊的疊加。CC3200LaunchPad的外形布局框圖如圖2所示。

圖2　CC3200LaunchPad的外形布局框圖

2.2人體紅外感應(yīng)電路設(shè)計(jì)

人體紅外感應(yīng)電路包括熱釋電紅外傳感器D203S、紅外傳感信號(hào)處理器BISS0001[4]。熱釋電紅外線傳感器D203S是一種新型敏感元件，它由高熱電系數(shù)材料配以濾光鏡片和阻抗匹配用場(chǎng)效應(yīng)管組成。它能以非接觸方式檢測(cè)到人體發(fā)出的紅外輻射，將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出，并可有效抑制人體輻射波長(zhǎng)以外的外干擾輻射如陽(yáng)光、燈光、及其反射光。如圖3所示紅外傳感信號(hào)處理器BISS0001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器、封鎖時(shí)間定時(shí)器及參考電壓源等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐罚糜诮邮誅203S的信號(hào)并進(jìn)行處理。

圖3　人體紅外感應(yīng)電路圖

熱釋電紅外線傳感器以非接觸形式檢測(cè)人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)輸出，由紅外傳感信號(hào)處理器BISS0001進(jìn)行信號(hào)放大處理。當(dāng)人體進(jìn)入感應(yīng)范圍時(shí)，電平輸出管腳輸出高電平，當(dāng)人離開(kāi)感應(yīng)范圍時(shí)，電平輸出管腳輸出低電平，MCU通過(guò)檢測(cè)GPIO口電平變化來(lái)判斷室內(nèi)是否有人。本紅外模塊的工作電壓范圍是3.3～5 V，BISS0001的輸出引腳電平輸出高電平為3.3 V，低電平為0 V，工作溫度在-20～+70 ℃之間，測(cè)量角度通過(guò)菲涅爾鏡進(jìn)行擴(kuò)大。

2.3聲音報(bào)警電路設(shè)計(jì)

如圖4所示聲音報(bào)警電路[5]包括蜂鳴器、三極管、電阻組成。

圖4　聲音報(bào)警電路圖

聲音報(bào)警電路與CC3200的GPIO_00接口連接，人體紅外感應(yīng)傳感器檢測(cè)到熱量表明有人入室，低電平觸發(fā)，蜂鳴器報(bào)警，此時(shí)CC3200LaunchPad上的LED D5、D6、D7點(diǎn)亮。

3智能家居安防系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

TI公司針對(duì)CC3200LaunchPad開(kāi)發(fā)板推出的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)CC3200 SDK，提供了一個(gè)簡(jiǎn)單易用的軟件框架，指導(dǎo)用戶使用MCU外設(shè)驅(qū)動(dòng)和WLAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，加快用戶的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。項(xiàng)目工程在CCS(CCS6.0.1.00040或者更新版本)中編譯調(diào)試。

本系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)包括人體紅外感應(yīng)報(bào)警程序設(shè)計(jì)以及通過(guò)云和APP實(shí)現(xiàn)手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的軟件設(shè)計(jì)。

3.1人體紅外感應(yīng)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件電路和工作原理分析可知紅外報(bào)警系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。

圖5　紅外報(bào)警系統(tǒng)主程序流程圖

MCU檢測(cè)到紅外熱釋電傳感器的入侵信號(hào)，經(jīng)過(guò)MCU的程序處理，驅(qū)動(dòng)報(bào)警點(diǎn)亮指示燈，主要程序部分如下：

void main()

{

BoardInit()；//板子初始化

PinMuxConfig()；//為L(zhǎng)ED和UART配置引腳

#ifndef NOTERM

InitTerm()；

#endif //NOTERM

DisplayBanner(APPLICATION_NAME)；

GPIO_IF_LedConfigure(LED1|LED2|LED3)；//配置3個(gè)LED燈

GPIO_IF_LedOff(MCU_ALL_LED_IND)；

while(1)

{

if(MAP_GPIOPinRead(GPIOA0_BASE， 0x1))

GPIO_IF_LedOn(MCU_ALL_LED_IND)；

else

GPIO_IF_LedOff(MCU_ALL_LED_IND)；

}

}

3.2云和APP的開(kāi)發(fā)

本文采用開(kāi)放的公共物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)Yeelink[6]，實(shí)現(xiàn)APP、云、路由器、傳感器終端設(shè)備完整的物聯(lián)網(wǎng)WiFi應(yīng)用[7]。

在Yeelink官網(wǎng)(http：//www.yeelink.net/)注冊(cè)帳號(hào)，然后手機(jī)下載、安裝Yeelink APP；在Yeelink用戶中心添加新設(shè)備“智能家居”和傳感器“紅外報(bào)警”。

進(jìn)入CCS，在工程main()中，查找一下宏定義：

#define PREFIX_BUFFER

"GET /v1.1/device/274349/sensor/310484/datapoints HTTP/1.1 "

#define POST_BUFFER2

"Host：api.yeelink.net Accept： */* U-ApiKey：

1b3afc43146b4dc7994458de06ed1274 "

根據(jù)Yeelink中“我的設(shè)備”→“管理設(shè)備”更改CCS代碼中的設(shè)備編號(hào)與傳感器編號(hào)：

根據(jù)Yeelink中“賬戶”→“我的賬戶設(shè)置”更改CCS代碼中如圖6所示的API KEY。

圖6API KEY

3.3CC3200 WiFi網(wǎng)絡(luò)配置

在本文中，SimpleLink CC3200作為Station(無(wú)線終端)使用，它能夠連接無(wú)線熱點(diǎn)，然后通過(guò)這個(gè)熱點(diǎn)使用Internet服務(wù)。

CC3200設(shè)置為STA模式僅需3步：首先通過(guò)調(diào)用sl_Start()函數(shù)，啟動(dòng)SimpleLink；其次通過(guò)調(diào)用sl_WlanConnect()函數(shù)，連接AP；然后運(yùn)行sl_NetCfgGet API函數(shù)或查詢SL_NETAPP_IPV4_IP，ACQUIRED_EVENT NetApp Event以獲取設(shè)備的IP地址。

CC3200作為一個(gè)Station，連接一個(gè)AP(比方路由器)，如果連接上，它會(huì)嘗試獲取“www.ti.com”的IP地址并去Ping這個(gè)地址，返回“0”代表連接正常，如果返回其他值則說(shuō)明沒(méi)有可以使用的Internet連接。

AP的配置信息存放在common.h中，需要根據(jù)當(dāng)前路由器的設(shè)置改變?nèi)缦聟?shù)：

1)#define SSID_NAME，默認(rèn)值為“cc3200demo”，改為當(dāng)前路由器的SSID；

2)#define SECURITY_TYPE，默認(rèn)值為“SL_SEC_TYPE_OPEN”，這個(gè)選項(xiàng)有OPEN、WEP、WPA三種選擇，根據(jù)當(dāng)前路由器的安全類型進(jìn)行更改；

3)#define SECURITY_KEY，默認(rèn)值為“”(此項(xiàng)為空，默認(rèn)沒(méi)有密碼)，改為當(dāng)前路由器的密碼。重新保存common.h。

4智能家居安防系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)CC3200 LaunchPad上面的2個(gè)20-pin擴(kuò)展接口，連接紅外報(bào)警模塊的擴(kuò)展板，將CC3200 LaunchPad與PC連接，在CCS中編譯、下載、運(yùn)行HumanInfrared程序。將紅外報(bào)警模塊面對(duì)墻壁，然后通過(guò)手機(jī)APP登錄Yeelink APP，滑動(dòng)“我的Yeelink”列表的“智能家居”，點(diǎn)擊“紅外報(bào)警”，查看曲線走向，之后將紅外報(bào)警模塊對(duì)著人，刷新頁(yè)面，查看如圖7所示的曲線變化，此時(shí)蜂鳴器報(bào)警，CC3200 LaunchPad開(kāi)發(fā)板上的3個(gè)LED燈點(diǎn)亮，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖7　Yeelink APP 紅外報(bào)警實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖(截圖)

本文設(shè)計(jì)基于CC3200的智能家居安防系統(tǒng)，主要是實(shí)現(xiàn)了紅外報(bào)警和手機(jī)實(shí)時(shí)查看是否有人進(jìn)入房間?；贑C3200的優(yōu)越性能，使系統(tǒng)成本低、功耗低，并具有良好的可擴(kuò)展性，不僅滿足普通家庭的需求，還可應(yīng)用于倉(cāng)庫(kù)安全管理等，因此具有一定的研究意義，同時(shí)系統(tǒng)對(duì)于使用移動(dòng)終端實(shí)時(shí)控制安防系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，還需要進(jìn)一步的改進(jìn)和研究。

致謝：

論文成果要感謝汪春梅老師的指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王君.嵌入式智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，31(10)：45-49.

[2]陳穎瑩.芯片上的網(wǎng)絡(luò) TI SimpleLink WiFi讓聯(lián)網(wǎng)如此簡(jiǎn)單[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，23(7)：2.

[3]CC3200[EB/OL/].[2015-11-20].http：//www.ti.com.cn/product/cn/CC3200.

[4]王青峰，魏平俊，方向前.智能家居安防系統(tǒng)防盜探測(cè)器的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)高新科技企業(yè)，2007(3)：111-112.

[5]劉淑祺，施國(guó)梁.基于熱釋電紅外傳感器的報(bào)警系統(tǒng)[J].國(guó)外電子元器件，2005(3)：18-20.

[6]卞曉曉，方為建，李凡.基于Yeelink的遠(yuǎn)程室內(nèi)空氣檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2015(10)：26-27.

[7]武一，張圣鵬，丁涵.基于Android和云平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2015，39(22)：27-30.

Design of home intelligent security control based on CC3200

ZHAO Yan，WANG Chunmei

(CollegeofInformationandMechanicalandElectricalEngineering，ShanghaiNormalUniversity，Shanghai200234，China)

Abstract:In this paper ，an intelligent household security system has been designed based on the first single chip wireless MCU-SimpleLink WiFi CC3200 of Texas Instruments and the human body infrared sensing system. Infrared alarm and real-time monitoring have been achived ，which combines with Yeelink Cloud and APP， then exploits the WiFi System-on-Chip of CC3200 to transport security information and also establish communication with mobile phone，PC and so on. Based on the superior performance of CC3200， the design makes the system low-cost， low power consumption and good extensibility， so it has the research significance.

Key words:intelligent household； security system； CC3200； PIR sensor； Yeelink

中圖分類號(hào)：TP368

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.06.009

基金項(xiàng)目：上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目(14ZZ121)

作者簡(jiǎn)介：

趙艷(1991— )，女，碩士生，主研通信信號(hào)處理與模式識(shí)別；

汪春梅(1969— )，女，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ判盘?hào)處理與模式識(shí)別。

責(zé)任編輯：時(shí)雯

收稿日期：2015-12-14

文獻(xiàn)引用格式：趙艷，汪春梅.基于CC3200的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2016，40(6)：44-47.

ZHAO Y，WANG C M. Design of home intelligent security control based on CC3200 [J].Video engineering，2016，40(6)：44-47.