鄭雅偉

(山西經濟管理干部學院，山西 太原 030024)

1 技術背景

在智能家居生態(tài)系統(tǒng)中，智能安防是重要的組成部分。智能安防通常包括智能入侵檢測，智能門磁，智能燃氣檢測，智能視頻監(jiān)控等。

智能門磁技術，通常是指安裝在門、窗等入室通道位置，通過一定的傳感技術，可以準確檢測到門、窗等的開關狀態(tài)。門窗的開關狀態(tài)，會由門磁元件轉換為電信號，經過一定的信號處理電路，開關狀態(tài)被傳送至MCU，MCU在獲取到開關信號后，一方面可以觸發(fā)本地報警器，另一方面，可以將信號傳送至智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡。門磁是生活中常用的安全保護和報警的裝置，主要是用來檢測門、窗、抽屜、柜子等是否非法打開或移動的情況。門磁廣泛應用于城市安防、銀行、電信、電力、小區(qū)、工廠、學校、公司、家庭、倉庫等眾多需門窗防護的地方。

智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡是一種可以將一定范圍內的各種傳感器組實現(xiàn)互聯(lián)的現(xiàn)代化局域通信網(wǎng)?，F(xiàn)代智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡經過多年的發(fā)展，通常具有無線接入、功耗極低、組網(wǎng)及組織靈活、動態(tài)拓撲結構、應用相關、規(guī)模大、高冗余、空間位置尋址等特點。本設計中的軟硬件設計以低功耗、無線接入、組網(wǎng)靈活、動態(tài)拓撲為原則，采用了兩種方案的門磁信號采集方式，低功耗硬件電路、無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)[1]技術，構建了一套完整的數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理的信號鏈。

2 門磁信號采集

門磁開關主要由能產生恒定磁場的磁鐵和門磁開關兩部分組成(如圖1所示)。門磁開關的主要作用就是當這兩部分分開到一定的距離后，門磁開關會觸發(fā)一個電信號，并通過連接線將此信號發(fā)送報警系統(tǒng)中，然后由報警系統(tǒng)鳴響報警，并同時撥打系統(tǒng)預設的報警電話。由于門磁安裝比較隱蔽，一般很難發(fā)現(xiàn)，所以通常能起到較好的防護措施，因此在實際應用中比較受歡迎。

圖1 門磁開關應用場景

2.1 基于干簧管的門磁信號采集

門磁信號采集的核心元件是干簧管，如圖2所示。在無磁場作用時，玻璃管中的兩個簧片是分開的。當有磁性物質靠近玻璃管時，在磁場磁力線的作用下，管內的兩個簧片被磁化而互相吸引接觸，使兩個引腳所接的電路連通。外磁力消失后，兩個簧片由于本身的彈性而分開，線路也就斷開了。所以，干簧管相當于一個磁力繼電器，可以將磁鐵和干簧管分別安裝在門框和門體上，當門關閉時，干簧管接通，反之則斷開，利用干簧管的這個特性，可以采集到門、窗的開關狀態(tài)信號。

圖2 干簧管內部原理圖

2.2 基于霍爾開關的門磁信號采集

新型的門磁開關的內部有一個霍爾元件(如圖3所示)，霍爾元件屬于磁敏元件，其原理是霍爾效應，即霍爾傳感器能感應磁場的變化并產生與磁場大小成比例的電勢差，稱為霍爾電壓。在門窗處于關閉的狀態(tài)時，由于此時磁場最強，因此霍爾電壓最大。而當門窗被打開，磁鐵的磁場方向不再正對霍爾傳感器及距離的原因，導致霍爾電壓減小甚至為零。通過對霍爾電壓大小變化范圍進行設定，就能起到對門窗狀態(tài)檢測作用，從而達到安防報警的目的。

圖3 霍爾開關內部原理圖

3 門磁開關信號的MCU處理

開關信號被門磁開關采集到以后，通常需要傳遞到遠程計算機進行相關報警處理。采集數(shù)據(jù)所用的主控制器為德州儀器(TI)公司的SOC片上系統(tǒng)CC2530。

CC2530的內核為工業(yè)標準增強型8051，內部集成了可編程flash及8KB空間RAM，可以滿足大部分傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集及處理。CC2530最大的特色是其內部集成了2.4G射頻RF收發(fā)器，符合IEEE 802.15.4標準,可以為無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)ZigBee提供完美的物理層終端傳輸介質。在ZigBee軟件協(xié)議棧的支持下，只需要簡單的外圍電路，就可以實現(xiàn)完整的ZigBee終端節(jié)點的設計。

終端節(jié)點的軟件設計，就是基于CC2530的ZigBee協(xié)議棧的移植及應用開發(fā)。本設計中，采用了TI公司的Z-Stack協(xié)議棧，Z-Stack協(xié)議棧實現(xiàn)了ZigBee協(xié)議體系中的網(wǎng)絡層(NWK)、應用程序支持子層(APS)、應用層(APL)，Z-Stack協(xié)議棧包含一個多任務調度機制，門磁開關檢測的任務可以作為一個用戶任務參與多任務的調度。物理層(PHY)、MAC層則由CC2530實現(xiàn)。軟件的設計主要分為三部分：外設硬件初始化、Z-Stack協(xié)議棧初始化、任務調度啟動。具體實現(xiàn)如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

4 無線傳感器網(wǎng)絡的組建

4.1 網(wǎng)絡拓撲結構的設計

本設計屬于智能家居設計的組成部分，所以需要首先將門磁開關采集節(jié)點與其他傳感器節(jié)點以及ZigBee網(wǎng)關(協(xié)調器)進行組網(wǎng)。如圖5為ZigBee網(wǎng)絡在智能家居中的拓撲結構，其中C為ZigBee協(xié)調器，是整個網(wǎng)絡的父節(jié)點，主要功能是管理和維護整個網(wǎng)絡的正常運行，以及網(wǎng)絡與外界的通信對接。R為ZigBee路由器，主要功能是為其他各個節(jié)點提供中繼服務。E為ZigBee終端節(jié)點，主要功能是搭載各種傳感器或數(shù)據(jù)采集設備，是整個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的來源。門磁開關終端節(jié)點作為ZigBee終端節(jié)點之一，通過組網(wǎng)，可以將開關信號經過WSN網(wǎng)絡之后，傳輸?shù)竭h程服務器進行數(shù)據(jù)處理。

ZigBee組網(wǎng)有一個很大的特點是分布與自組織。新的終端節(jié)點在加入網(wǎng)絡的時候，只要能和距離自身最近的節(jié)點形成通信，即可完成自行組網(wǎng)，無需對協(xié)調器、網(wǎng)關或其他終端節(jié)點進行配置，網(wǎng)絡中的節(jié)點列表即可自動更新。在某個節(jié)點離開網(wǎng)絡時，亦無需對整個網(wǎng)絡進行配置，整個網(wǎng)絡具有很強的自愈性。

圖5 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構

4.2 智能網(wǎng)關設計

在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡中，智能網(wǎng)關即為ZigBee協(xié)調器。ZigBee協(xié)調器管理整個ZigBee網(wǎng)絡的組建、ZigBee終端節(jié)點采集數(shù)據(jù)的匯總、ZigBee網(wǎng)絡與外界的網(wǎng)絡協(xié)議的轉換，是整個網(wǎng)絡的重要組成部分。

5 低功耗電源設計

智能家居產品的特點是拆裝靈活，從根本上需要避免信號及電源的布線。所以在應用中多數(shù)采用可充電鋰電池供電，保證用戶充電靈活，移動方便；在電源電路設計中，需要采用低功耗線性穩(wěn)壓器LDO以及智能充電電路[2]。

TPS706是一款專為低功耗設計的線性LDO電源管理芯片，其靜態(tài)電流IQ只有1μA，TPS706-33可以輸出3.3V電壓，最高輸出電流為150mA，為CC2530及門磁開關提供電源。

本設計采用的鋰電池充電方案采用了TP4056X芯片充電IC，TP4056X是一款完整的單節(jié)鋰離子電池，采用恒定電流/恒定電壓線性充電器，帶電池正負極反接保護、輸入電源正負極反接保護。其底部帶有散熱片的ESOP8/EMSOP8封裝與較少的外部元件數(shù)目使得TP4056X成為便攜式應用的理想選擇。TP4056X可以適合USB電源和適配器電源工作。

由于采用了內部PMOSFET架構，加上防倒充電路，所以不需要外部隔離二極管。熱反饋可對充電電流進行自動調節(jié)，以便在大功率操作或高環(huán)境溫度條件下對芯片溫度加以限制。充電電壓固定于4.2V，而充電電流可通過一個電阻器進行外部設置。當充電電流在達到最終浮充電壓之后降至設定值1/10時，TP4056X將自動終止充電循環(huán)。

當輸入電壓(交流適配器或USB電源)被拿掉時，TP4056X自動進入一個低電流狀態(tài)，將電池漏電流降至1μA以下。TP4056X在有電源時也可置于停機模式，將供電電流降至70μA。TP4056X的其他特點包括電源自適應、電池溫度檢測、欠壓閉鎖、自動再充電和兩個用于指示充電、結束的LED狀態(tài)引腳。

6 結語與前瞻

智能門磁系統(tǒng)的設計方案旨在解決門磁發(fā)射模塊的功耗問題，采用了更加人性化的供電方式和系統(tǒng)設計，門磁系統(tǒng)可連續(xù)穩(wěn)定可靠工作3～5年不掉電。本設計的特點是將電路設計的所有環(huán)節(jié)，包括信號鏈、MCU、電源，都對其進行了針對性的低功耗設計，在靜態(tài)工作模式下，整個電路的工作電流控制到了5μA之內，實現(xiàn)了真正的超低功耗。使用本方案設計的門磁[3]模塊，如果采用500 mA的鋰電池供電，其待機時間可達10萬天以上，3～5年內無須更換電池，與傳統(tǒng)方式相比，此方案設計的門磁防盜系統(tǒng)更加穩(wěn)定、可靠、人性化。在物聯(lián)網(wǎng)接入方面，由于采用了ZigBee組網(wǎng)技術，保證了整個家居網(wǎng)絡的功耗控制和數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸。

在物聯(lián)網(wǎng)的整個系統(tǒng)結構中，本方案實現(xiàn)了感知層的門磁信號采集和無線傳感器網(wǎng)絡接入技術。在傳輸層的設計上，可以采用移動互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)或者當下流行的窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-Iot技術。應用層的設計可以考慮在手機終端實現(xiàn)，保證用戶實時的獲悉入侵情況，達到可靠感知、穩(wěn)定傳輸、人性化應用的目的。