蘇國棟， 蔡碧麗

(福建師范大學(xué)福清分校 電子與信息工程學(xué)院， 福建 福州 350300)

0 引 言

目前，全球正處于新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵時(shí)期，新一代信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，特別是移動(dòng)互聯(lián)、大數(shù)據(jù)科學(xué)與人工智能等成為各方競爭的新焦點(diǎn)。我國也正處于大力推動(dòng)新信息產(chǎn)業(yè)和人工智能發(fā)展研究的重要節(jié)點(diǎn)[1]。與此同時(shí)，隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，對智能家居的需求不僅是生活舒適性的需求，更重要的是智能家居的安全可靠。因此，智能家居中安全監(jiān)測是值得關(guān)注的熱點(diǎn)問題。智能家居是建立在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上[2]，在家居內(nèi)相應(yīng)位置部署相應(yīng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)通過匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸至控制中心進(jìn)行處理，最終實(shí)現(xiàn)全方位的信息交互[3]。

盡管智能家居可以給我們帶來很多好處，但是家居內(nèi)的安全不容忽視?；馂?zāi)報(bào)警系統(tǒng)的可靠性一直是困擾人們的重大問題，誤報(bào)造成人們對火災(zāi)報(bào)警的麻痹；漏報(bào)將失去火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)有的作用，使火災(zāi)不能在未造成較大災(zāi)害前及時(shí)撲滅。傳統(tǒng)的火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)采用單一傳感器，主要根據(jù)簡單的閾值和趨勢算法，很容易產(chǎn)生誤報(bào)，煙霧傳感器會(huì)把水蒸氣或生活煙霧認(rèn)為是火災(zāi)信號(hào)，溫度傳感器把電熱電器的熱量誤報(bào)為火災(zāi)信號(hào)[4]。

為了提高火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的可靠性，人們努力提高現(xiàn)有探測器的精度，在研發(fā)新的火災(zāi)探測器同時(shí)，對于火災(zāi)信號(hào)處理也進(jìn)行了充分研究。文中提出了基于CC2530的無線傳感自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警。溫度和煙霧是火災(zāi)監(jiān)測的兩個(gè)重要衡量指標(biāo)。本系統(tǒng)通過在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署設(shè)備，并利用終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換，最后傳輸至火災(zāi)監(jiān)測平臺(tái)。

1 系統(tǒng)概述

監(jiān)測系統(tǒng)主要由終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)系統(tǒng)三個(gè)部分構(gòu)成。首先，通過在家居環(huán)境內(nèi)部署溫度和煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)，以進(jìn)行監(jiān)測區(qū)域的溫度和煙霧數(shù)據(jù)采集，采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理算法后，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將數(shù)據(jù)無線傳輸至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。一方面，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收網(wǎng)內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換成幀后，通過串口傳送至上位機(jī)并進(jìn)行可視化；另一方面，上位機(jī)也可以主動(dòng)發(fā)出命令，實(shí)時(shí)查詢終端節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，實(shí)施操作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，如果有異常發(fā)生時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)預(yù)警。本系統(tǒng)的框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中家居安全監(jiān)測模塊主要由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和傳感器終端節(jié)點(diǎn)組成。其中，節(jié)點(diǎn)硬件主要由以TI公司的CC2530F256芯片為核心的核心板和ZigBee底板構(gòu)成[5]。該芯片是一塊高性能、低功耗的8051微控制器，并集成了無線電模塊，支持Z-stack協(xié)議棧，兼容IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[6]，主要負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，是實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的關(guān)鍵單元，其內(nèi)核無線射頻模塊如圖2所示。

圖2 無線射頻模塊

同時(shí)，CC2530提供了豐富的硬件資源：可重用GPIO、AD轉(zhuǎn)換、MAC定時(shí)器、256 K的FLASH存儲(chǔ)器、8 K的SRAM等。針對節(jié)點(diǎn)功能不同，與之對應(yīng)的硬件電路也不同，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 傳感器終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器終端節(jié)點(diǎn)主要承擔(dān)著火災(zāi)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集，并實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)信息交互，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 傳感器終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

而溫度和煙霧濃度是智能家居中火災(zāi)監(jiān)測的主要指標(biāo)。因此，本系統(tǒng)中部署了溫度傳感器模塊和煙霧傳感器模塊。溫度測量采用DS18B20傳感器，提供可編程的分辨率設(shè)置，實(shí)現(xiàn)高精度的測溫，測量范圍：-55～125 ℃，在-10～+85 ℃時(shí)精度為±0.5 ℃。煙霧測量采用MQ2氣敏式煙霧傳感器，其對液化氣、甲烷和煙霧等靈敏度高。當(dāng)氣體影響超過設(shè)定閾值時(shí)，模塊數(shù)字接口D0輸出低電平，模擬接口A0輸出的電壓會(huì)隨著氣體的影響慢慢增大，很適合火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)中的低成本傳感器。當(dāng)監(jiān)測區(qū)域環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，通過實(shí)時(shí)測量區(qū)域內(nèi)溫度和煙霧濃度的情況，采用定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)和閾值觸發(fā)并存的機(jī)制，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，最終通過上位機(jī)顯示預(yù)警。

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)組織建立，接收傳感器終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，并在協(xié)調(diào)器上進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換；并且它還承擔(dān)著與終端節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互傳輸和控制，如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)承擔(dān)著ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的自組織，負(fù)責(zé)啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)以及不同數(shù)據(jù)協(xié)議幀格式的轉(zhuǎn)換，從而構(gòu)建上位機(jī)和下位機(jī)的通信橋梁，起到路由器的作用。

3 軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

協(xié)議體系主要由物理層和MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，層與層之間相對獨(dú)立，并且層與層之間通過服務(wù)接入點(diǎn)通信。服務(wù)接入點(diǎn)是當(dāng)前層位上一層提供服務(wù)的接口，主要包括提供實(shí)體數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)服務(wù)接口和提供管理數(shù)據(jù)、配置參數(shù)等的管理服務(wù)接口。文中用的是半開源的Z-stack協(xié)議棧，是基于CC2530F2563芯片的ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的解決方案[7]。

主要內(nèi)容和功能描述見表1。

表1 Z-stack協(xié)議棧

3.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的主程序流程如圖5所示。

圖5 終端節(jié)點(diǎn)主流程圖

終端節(jié)點(diǎn)上電后，先對硬件和軟件配置進(jìn)行初始化，確認(rèn)自己是否加入到那個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。終端節(jié)點(diǎn)主要是用來采集數(shù)據(jù)，并發(fā)送到協(xié)調(diào)器，同時(shí)可以接收協(xié)調(diào)器發(fā)來的信號(hào)，例如，傳感器的關(guān)閉或是啟動(dòng)、對采集時(shí)間的調(diào)整等。每2 s進(jìn)行一次輪詢，每30 s對數(shù)據(jù)采集一次，沒有采集數(shù)據(jù)的時(shí)候開啟休眠狀態(tài)，以節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量消耗,并使電池使用時(shí)間延長。

終端節(jié)點(diǎn)中的微處理器對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過無線傳輸發(fā)送到協(xié)調(diào)器做進(jìn)一步的融合。終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)預(yù)處理的軟件程序如圖6所示。

圖6 終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理軟件流程圖

終端節(jié)點(diǎn)需要對溫度、煙霧信號(hào)采集時(shí)，結(jié)束休眠模式并開始對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集后的數(shù)據(jù)向協(xié)調(diào)器發(fā)送，同時(shí)等待協(xié)調(diào)器的命令，如果協(xié)調(diào)器發(fā)送繼續(xù)采集命令時(shí)，節(jié)點(diǎn)繼續(xù)采集溫度、煙霧等信號(hào)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后發(fā)送到協(xié)調(diào)器并等待協(xié)調(diào)器命令。如果協(xié)調(diào)器發(fā)送暫停采集命令，那么節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠計(jì)時(shí)，然后進(jìn)入休眠模式。

3.3 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的主程序流程如圖7所示。

協(xié)調(diào)器上電后，首先對硬件和軟件配置進(jìn)行初始化和建立網(wǎng)絡(luò)：協(xié)調(diào)器通過掃描空信道建立新的網(wǎng)絡(luò)。具體是將協(xié)調(diào)器從當(dāng)前頻道開始掃描信道，開始發(fā)送BEACON-REQ幀，如果該信道被另外一個(gè)協(xié)調(diào)器占用，就會(huì)收到BEACON-REQ幀。該協(xié)調(diào)器重復(fù)該操作方法掃描下一個(gè)信道，直到?jīng)]有接收到BEACON-REQ幀，就說明該信道是空的，此時(shí)，協(xié)調(diào)器開始選擇隨機(jī)的網(wǎng)絡(luò)ID并偵聽該信道，網(wǎng)絡(luò)建立成功。節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，獲得一個(gè)協(xié)調(diào)器分配的網(wǎng)絡(luò)地址;沒有節(jié)點(diǎn)加入時(shí)就繼續(xù)處理事件，協(xié)調(diào)器處于不休眠狀態(tài)，會(huì)一直屬于工作狀態(tài)。

圖7 協(xié)調(diào)器程序流程圖

3.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中火災(zāi)監(jiān)測平臺(tái)是基于微軟公司推出的VS2010的開發(fā)環(huán)境，是一個(gè)可視化的Windows應(yīng)用程序[8]。VS2010版本的開發(fā)環(huán)境界面比較清楚明了，具有調(diào)試、數(shù)據(jù)庫和高級開發(fā)工具，有利于用戶建立合適的應(yīng)用程序。VS 2010支持C#、C++等程序語言，可以快速實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，切實(shí)提高程序員開發(fā)效率。

本系統(tǒng)中火災(zāi)監(jiān)測平臺(tái)實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)參數(shù)數(shù)值以及相應(yīng)危險(xiǎn)等級的實(shí)時(shí)顯示，無火災(zāi)時(shí)顯示藍(lán)色標(biāo)志，有火災(zāi)時(shí)顯示醒目紅色的標(biāo)志，界面還設(shè)計(jì)了系統(tǒng)設(shè)置，包含串口選擇和操作提示等。系統(tǒng)中對溫度和煙霧濃度兩種火災(zāi)參量進(jìn)行綜合判定，如果超過一定數(shù)值，火災(zāi)危險(xiǎn)等級就顯示紅色危險(xiǎn)狀態(tài)，發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。本系統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)平臺(tái)如圖8 所示。

圖8 火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)平臺(tái)

4 軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

為了對系統(tǒng)的有效性和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，下面對系統(tǒng)進(jìn)行測試。

4.1 有效性測試

在小范圍內(nèi)模擬家居環(huán)境，無論火災(zāi)是否發(fā)生，火災(zāi)監(jiān)測信息都會(huì)在上位機(jī)監(jiān)控軟件顯示結(jié)果。當(dāng)家居內(nèi)沒有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，上位機(jī)顯示的結(jié)果如圖9所示。

當(dāng)模擬的家居環(huán)境中發(fā)生火災(zāi)，將本系統(tǒng)部署在火災(zāi)發(fā)生的合適位置中監(jiān)測，監(jiān)測到火災(zāi)信息在上位機(jī)的顯示結(jié)果如圖10所示。

圖9 無火災(zāi)發(fā)生時(shí)的監(jiān)控結(jié)果

圖10 有火災(zāi)發(fā)生時(shí)的監(jiān)控結(jié)果

測試結(jié)果顯示，系統(tǒng)可以對家居的火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)主處理器向報(bào)警系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，說明系統(tǒng)的各個(gè)模塊都正常工作，可以準(zhǔn)確地進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測并及時(shí)報(bào)警。

4.2 可靠性測試

為了驗(yàn)證火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。對模擬的家居環(huán)境中有無火災(zāi)模式進(jìn)行多次測試(測試組數(shù)為100組)，觀察火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)果顯示情況和報(bào)警情況，監(jiān)測結(jié)果見表2。

表2 實(shí)際監(jiān)測結(jié)果

測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行模糊邏輯的數(shù)據(jù)融合方法的有效性，可以提高火災(zāi)監(jiān)測的穩(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié) 語

智能家居安全監(jiān)測是未來智能生活不可或缺的部分。文中對智能家居的安全監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包含基于CC2530核心板的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，以及溫度和煙霧傳感器，并給出各模塊的程序流程圖。通過開發(fā)上位機(jī)火災(zāi)監(jiān)測平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的火災(zāi)監(jiān)測的實(shí)時(shí)結(jié)果顯示。最后通過對火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，具有可靠性。然而，要完成完整的安全監(jiān)測體系，還有很多工作要改進(jìn)和完善，特別是無線傳感網(wǎng)絡(luò)中存在數(shù)據(jù)冗余量大、能耗高等問題；另外，基于手機(jī)端的智能安全監(jiān)測平臺(tái)也將是我們下一步的工作之一。

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