張恒 董俊 何舒平

摘要：針對于越來越復(fù)雜的建筑室內(nèi)環(huán)境的安全問題，設(shè)計一種由多個設(shè)備通過WiFi網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交流的室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)。整個監(jiān)測系統(tǒng)主要包括從機系統(tǒng)和主機系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)。從機系統(tǒng)包括多個結(jié)構(gòu)相同的從機設(shè)備，從機設(shè)備配置火災(zāi)煙霧檢測、溫濕度檢測、光照檢測等多種檢測傳感器，主要負責環(huán)境檢測、環(huán)境數(shù)據(jù)實時上傳的功能，并且從機設(shè)備可以外接加濕器、應(yīng)急燈光等外設(shè)以實現(xiàn)環(huán)境改善或者提供應(yīng)急照明等功能。主機系統(tǒng)包含一個主機設(shè)備，主要負責接收從機系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)，根據(jù)從機設(shè)備所在位置的環(huán)境參數(shù)做出處理和警報。最后通過多次長時間連續(xù)測試，證明了所提系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng);無線傳感器;多機通信;系統(tǒng)設(shè)計;環(huán)境參數(shù);電路測試

中圖分類號：TN931+.3-34;TP277

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X（ 2019） 24-0067-04

0 引言

隨著社會的發(fā)展，建筑的種類越來越繁雜。建筑根據(jù)不同的用途主要可以分為工業(yè)建筑和民用建筑。根據(jù)使用者的不同要求，室內(nèi)裝修所使用的材料種類也是各不相同，面對越來越復(fù)雜的建筑內(nèi)部狀況，室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測問題急需解決。

通過市場考察發(fā)現(xiàn)目前市場上常見的室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)主要分為兩大種：一種是小范圍內(nèi)使用的獨立的監(jiān)測記錄儀，這種記錄儀單個使用，功能相對單一;另一種由多個監(jiān)測設(shè)備組成，這種系統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)備大部分是通過布線匯集到顯示設(shè)備，一般可以實現(xiàn)遠程報警。多個監(jiān)測設(shè)備組成的監(jiān)測系統(tǒng)比較適合用于面積較大或者格局較為復(fù)雜的建筑內(nèi)，但是需要大量布線，不僅增加了成本，提高了安裝難度[1]，并且在遠距離的有線數(shù)據(jù)傳輸中，信號衰減的問題較為嚴重，出現(xiàn)傳輸錯誤的幾率也大大提升，設(shè)備的可靠性也就大打折扣。

因此，本文設(shè)計了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過WiFi建立無線局域網(wǎng)絡(luò)，主從設(shè)備間通過無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃訹2]。無需大量布線，減小了安裝難度和安裝成本，同時在從機設(shè)備上配備有相應(yīng)的外設(shè)，可以對惡劣環(huán)境加以改善。

1 設(shè)計方案

該設(shè)計整體由主機系統(tǒng)和從機系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示，主機系統(tǒng)和從機系統(tǒng)通過WiFi進行通信。主機系統(tǒng)配置成AP模式，主要負責接收處理從機系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，發(fā)送控制命令;從機系統(tǒng)配置為client模式，主要將檢測結(jié)果實時發(fā)送給主機，并根據(jù)主機的控制命令做出相應(yīng)的處理。

系統(tǒng)分工明確，主機系統(tǒng)主要負責數(shù)據(jù)分析、處理和顯示，從機系統(tǒng)主要負責檢測和執(zhí)行主機命令。從分工方式可以看出主機系統(tǒng)硬件電路相對簡單，以高性能MCU、顯示電路和無線通信電路為主要構(gòu)成;從機系統(tǒng)硬件電路相對復(fù)雜，包括多種環(huán)境檢測傳感器，多種外設(shè)接口。

2 硬件設(shè)計

2.1 主機設(shè)備的硬件設(shè)計

主機設(shè)備主要結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括MCU主控芯片、GSM電路、WiFi電路、聲光報警電路、SD卡電路、E2PROM電路、LCD觸控電路等部分構(gòu)成。

主機設(shè)備主要負責數(shù)據(jù)接收和處理，因此主機設(shè)備主控芯片需要很高的數(shù)據(jù)處理能力，這里選擇意法半導(dǎo)體（ST）公司出品基于Cortex - M3內(nèi)核的單片機STM32F103RCT6，該款單片機性能強悍，數(shù)據(jù)處理能力優(yōu)異，同時價格低廉，功耗相對較低[3]。

本設(shè)計選用SIM800A實現(xiàn)遠程GSM短信報警，該款模塊功耗低，穩(wěn)定性強，功能豐富，可以實現(xiàn)語音、SMS和數(shù)據(jù)信息的傳輸[4]。單片機通過UART與GSM和WiFi數(shù)據(jù)交換[5]，波特率9 600 b/s。采用3.2寸TFT液晶彩屏進行人機交互，支持觸控操作，可以通過觸屏直接控制各個從機的外設(shè)開關(guān)。

2.2 從機設(shè)備的硬件設(shè)計

整個從機系統(tǒng)包含多個從機設(shè)備，分別放置于不同的地方，功能相同，都是負責實時檢測環(huán)境數(shù)據(jù)和執(zhí)行主機命令，所以各個從機設(shè)備電路相同，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

由于在系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理工作主要在主機中實現(xiàn)，每個從機設(shè)備只需要完成自己的功能且僅需與主機一個設(shè)備通信，所以從機設(shè)備對數(shù)據(jù)處理能力的要求要遠小于主機。但是由于從機設(shè)備配備有多種環(huán)境檢測傳感器，并且需要接人多種外設(shè)，因此需要一款接口豐富的單片機?；谝陨戏治?，從機設(shè)備的主控芯片選擇宏晶科技出品的STC12C5A60S2單片機，這款單片機是新一代增強型8051單片機，相較于傳統(tǒng)8051單片機，其運算速度更快，接口豐富，包括2路PWM和8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換[6-7]，可以有效地驅(qū)動多種傳感器和外設(shè)。從機設(shè)備的WiFi電路部分和主機設(shè)備一樣通過UART串口通信和單片機進行數(shù)據(jù)交換，波特率為9 600 b/s。

從圖3中可以看到，該系統(tǒng)包含多種環(huán)境檢測傳感器，包括聲音檢測傳感器、光照檢測傳感器、煙霧檢測傳感器和溫濕度檢測傳感器。其中，聲音檢測傳感器電路可以根據(jù)咪頭接收到的不同音量產(chǎn)生不同的電壓信號，經(jīng)過放大濾波后將該信號作為輸入信號接人393比較器。當該電壓大于閾值時比較器電路向單片機輸出高電平信號，否則輸出低電平信號。通過該電路可以將模擬信號轉(zhuǎn)化成單片機可以直接處理的數(shù)字信號，并且閾值可以通過電位器直接調(diào)節(jié)。光照檢測電路本文選擇光敏電阻接上拉10 kΩ分壓電阻，公式如下：式中：VG為光敏電阻分壓值;vcc為5V電壓;Re為光敏電阻阻值;R為分壓電阻10 kΩ。光敏電阻阻值隨著光照強度的變化而變化，光敏電阻分壓VG也隨著光照強度而變化，因此可以根據(jù)VG的大小來計算光照強度。煙霧檢測傳感器主要負責檢測火災(zāi)煙霧，在檢測到火災(zāi)煙霧時主機設(shè)備和從機設(shè)備均開啟聲光報警器提醒用戶出現(xiàn)火災(zāi)，及時處理。煙霧檢測傳感器電路和光照檢測電路原理相似，這里不做贅述。溫濕度檢測傳感器選擇DHT11溫濕度傳感器，該傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，反應(yīng)速度快，抗干擾能力強，性能穩(wěn)定，并且輸出數(shù)字信號，主控單片機可以直接處理。

從機系統(tǒng)包含多個從機，為了在建立網(wǎng)絡(luò)時設(shè)備不至于混亂，給每個設(shè)備配置了一個4位編碼開關(guān)，實現(xiàn)二進制編碼。每一位編碼開關(guān)高電平編碼為1，低電平為0，每臺設(shè)備的設(shè)備號與編碼轉(zhuǎn)換公式如下：

Num= 2³ N4+ 2² N3+ 2¹ N2+ 2⁰ N1

（2）式中：Num為十進制設(shè)備號;N1，N2，N3，N4為編碼開關(guān)第1-4位開關(guān)的編碼，為1或0。

在外接設(shè)備上首先通過MOSFET驅(qū)動電路接人家庭燈帶提供照明，通過PWM來調(diào)節(jié)燈的燈光強度.實現(xiàn)PWM調(diào)節(jié)需要極高的開關(guān)速度，而MOSFET只要通過改變柵源電壓就可以實現(xiàn)快速開關(guān)動作[8]。從機設(shè)備外設(shè)接口需要驅(qū)動大功率燈帶、加濕器等用電器，因此采用直流12 V電源，而單片機控制系統(tǒng)工作電壓為直流5V，這里采用LM2576芯片設(shè)計穩(wěn)壓電路[9]，見圖4。

3 軟件設(shè)計

3.1 A/D轉(zhuǎn)換

單片機不能直接處理模擬信號，所以光照強度、溫濕度等模擬量都需要進行A/D轉(zhuǎn)換，從機主控芯片STC12C5A60S2單片機內(nèi)置8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器[10]。該A/D轉(zhuǎn)換器屬于逐次比較型轉(zhuǎn)換器，將輸入電壓依次和內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器的輸出進行比較，經(jīng)過逐次比較，數(shù)字量逐漸逼近模擬量值。公式如下：

3.2 CRC校驗

本設(shè)計在實現(xiàn)的過程中存在大量的數(shù)據(jù)傳輸，在傳輸?shù)倪^程中可能會產(chǎn)生傳輸錯誤，為了增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，必須采取一定的校驗措施?/p>

本文采用了可靠程度較高的CRC校驗，在傳輸過程中數(shù)據(jù)是以（N，K）碼的形式傳遞，在接收端接收到數(shù)據(jù)后，用接收到的數(shù)據(jù)對生成碼做模2除法，如果余數(shù)為0，則說明數(shù)據(jù)傳遞沒有出錯，數(shù)據(jù)保留并處理，如果余數(shù)不為0，則說明數(shù)據(jù)出錯，舍棄數(shù)據(jù)。

校驗碼生成過程如下：

1）選擇合適的R+1位二進制生成碼（首位和末位必須為1）;

2）將信息碼左移R位得到新的數(shù)據(jù)碼;

3）用步驟2）新的數(shù)據(jù)碼對步驟1）中的R+1位生成碼做模2除法，得到R位余數(shù);

4）將步驟3）得到的R位余數(shù)附到步驟2）得到新數(shù)據(jù)碼的右R位得到新的數(shù)據(jù)，即（N，K）碼。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 部分電路的測試

利用示波器對聲音檢測傳感器電路進行測試，比較器處理前后信號波形如圖5、圖6所示。

通過圖5、圖6可以看出，聲音信號在處理前是鋸齒狀模擬信號，單片機不能直接處理，所以利用LM393比較器進行信號處理，處理后模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號以便單片機處理。

4.2 整體功能實現(xiàn)

如圖7所示，主機TFT液晶彩屏可以實時顯示從機發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)并顯示，同時主機通過觸控或者按鍵控制從機外設(shè)的開關(guān)。圖7中紅色色塊即為從機設(shè)備1的繼電器狀態(tài)為關(guān)，綠色為端子狀態(tài)為開。從機設(shè)備的OLED屏幕實時顯示傳感器檢測結(jié)果，同時從機設(shè)備將檢測結(jié)果實時上傳至主機。

通過示波器的測量和實物的測試，證明了本文設(shè)計的室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)可以安全高效地完成環(huán)境的檢測和環(huán)境的改善。

5 結(jié)語

本文針對現(xiàn)在室內(nèi)安全監(jiān)測這一熱點問題，設(shè)計了一種切實可靠的解決方案，從機設(shè)備的傳感器實時檢測并上傳室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，主機設(shè)備對各個從機設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)進行處理，如果遇到危險情況及時向遠程手機發(fā)送報警短信，并且用戶在主機設(shè)備上可以直接對從機設(shè)備的各個外設(shè)進行操作，實現(xiàn)遠程操控。

注：本文通訊作者為何舒平。

參考文獻

[1]孫玉文.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D]，南京：南京農(nóng)業(yè)大學，2013.

SUN Yuwen. Research and implementation of field environ-ment monitoring system based on wireless sensor networks [D].Nanjing： Nanjing Agricultural University， 2013.

[2]徐文，基于WiFi與Android的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[D].成都：西南交通大學，2017.

XU Wen. Design of intelligent home monitoring system basedon WiFi and android [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong Univer-sity， 2017.

[3]劉振.基于STM32智能家居的無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)[D].杭州：浙江理工大學，2016.

LIU Zhen. Design and implementation of wireless gateway forsmart home based on STM32[D]. Hangzhou： Zhejiang Sci-Tech University， 2016.

[4]李磊.移動通信GSM中密碼算法安全性研究[D]，洛陽：中國人民解放軍信息工程大學，2012.

LI Lei. Research on security of cryptographic algorithm in GSM[D]. Luoyang： PLA Information Engineering University. 2012.

[5]賈建科，基于GPRS和Internet的河流水情實時遠程監(jiān)測系統(tǒng)研究[J]現(xiàn)代電子技術(shù)，2016， 39（6）：132-135.

JIA Jianke. Research on river water regimen real-time remotemonitoring system based on GPRS and Internet [J]. Modernelectronics technique， 2016. 39（6）： 132-135.

[6]馬磊，楊國華，徐維昌，光伏組件自動清洗機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].白動化與儀表，2018（1）：29-33.

MA Lei. YANG Guohua. XU Weichang. Design and imple-mentation of the control system of the PV module automaticcleaning machine [J]. Automation & instrumentation. 2018（1）：29-33.

[7]郭全民，馬旋坤，王健.室內(nèi)空氣質(zhì)量測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)[J]國外電子測量技術(shù)，2015（1）：52-55.

GUO Quanmin， MA Xuankun. WANG Jian. Design and imple-mentation of indoor air quality detector [J]. Foreign electronicmeasurement technology， 2015（1）：52-55.

[8]夏濤，吳云峰，王勝利，等.基于功率MOSFET的高壓納秒脈沖源研究[J].電子測量與儀器學報，2015（ 12）：1852-1861.

XIA Tao. WU Yunfeng. WANG Shengli， et al.Research onhigh-voltage nanosecond pulse generator based on power MOS-FET[J]. Journal of electronic measurement and instrumenta-tion， 2015（12）： 1852-1861.

[9]楊敏，呂霜，歐進發(fā)，可調(diào)電流比例開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)[J]現(xiàn)代電子技術(shù)，2018 .41（14）：122-125.

YANG Min， LU Shuang. OU Jinfa.A switching power supplymodule parallel power supply system with adjustable current ra-tios [J]. Modern electronics technique， 2018， 41（ 14）： 122-125.

[10]黃超，劉婷，謝印慶?；赟TC12C5A60S2多功能通信開發(fā)板設(shè)計[J]現(xiàn)代電子技術(shù)，2014， 37（5）：152-155.

HUANG Chao， LIU Ting， XIE Yinqing. Design of multi-func-tional communication development board hased onSTC12C5A60S2 [J]. Modern electronics technique. 2014， 37（5） ： 152-155.

作者簡介：張恒（1992-），男，安徽人，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式開發(fā)。

董俊（1994-），男，安徽人，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式開發(fā)。

何舒平（1983-），男，安徽人，博士，教授，主要研究方向為先進控制科學與技術(shù)、故障檢測與監(jiān)測等。