基于ARM和WSNs的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 靖 林 益 李捍東

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

0 引言

隨著社會(huì)信息化程度的提高，人們?cè)絹?lái)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(diǎn)［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(zhǎng)距離無(wú)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(zhǎng)距離無(wú)線方式主要是基于GSM或GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送［5］。該方式的優(yōu)點(diǎn)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(zhuān)門(mén)的電源進(jìn)行供電，且需要網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi)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(gè)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(lái)進(jìn)行集中管理，是一個(gè)有待于進(jìn)行深入研究的課題。

嵌入式技術(shù)以應(yīng)用為中心，通過(guò)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)集合了微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanicalsystems，MEMS)、傳感測(cè)量技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)等多種學(xué)科的最新成果，是一門(mén)新興綜合性科學(xué)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域［6－8］。對(duì)此，本文運(yùn)用嵌入式技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能家居安防系統(tǒng)，并研制了家庭總控制器、探測(cè)節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行節(jié)點(diǎn)。

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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。整個(gè)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(cè)節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行節(jié)點(diǎn)，探測(cè)節(jié)點(diǎn)配置有傳感器，可完成所需的監(jiān)測(cè)任務(wù)，在執(zhí)行節(jié)點(diǎn)配置有報(bào)警設(shè)備，可進(jìn)行聲光報(bào)警等操作;上層是家庭總控制器，負(fù)責(zé)監(jiān)控所有探測(cè)節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行節(jié)點(diǎn)的工作，可通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

該系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配置有無(wú)線通信模塊，可通過(guò)自組織方式形成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境信息的傳送。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，用戶可通過(guò)人機(jī)交互界面，根據(jù)需要完成系統(tǒng)的初始設(shè)定，即對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)防或撤防。網(wǎng)絡(luò)中所有探測(cè)節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行節(jié)點(diǎn)都需進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)，以使家庭控制器確定家居中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和位置等信息。當(dāng)探測(cè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到家居中的異常情況時(shí)，立即將信息通過(guò)無(wú)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(diǎn)?？偪刂破髋袛嗉揖又泻畏N何處節(jié)點(diǎn)發(fā)生異常，然后通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)以短信形式將報(bào)警信息通知用戶，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的智能化安全防護(hù)。

2 探測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

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(cè)節(jié)點(diǎn)的功能是對(duì)家居環(huán)境中的異常情況進(jìn)行探測(cè)，并采集各種異常信息。探測(cè)節(jié)點(diǎn)主要由電源模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和探測(cè)模塊組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 探測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of detection node

2.1 處理器模塊及無(wú)線通信模塊

為簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)，選用了Nordic VLSI公司于2004年推出的無(wú)線單片機(jī)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(jí)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(dòng)處理前綴和地址等)。nRF905可工作于433/868/915 MHz這3個(gè)ISM頻道(可以免費(fèi)使用)，頻道轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650 μs;采用GFSk調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng);支持多點(diǎn)通信，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)100 kbit/s;其內(nèi)部寄存器的配置非常方便;具備發(fā)射信號(hào)載波監(jiān)測(cè)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(chǔ)器加載執(zhí)行程序，因此，應(yīng)該配置相應(yīng)的EEPROM存儲(chǔ)器。該設(shè)計(jì)中采用的EEPROM存儲(chǔ)器型號(hào)為25AA230，它通過(guò)SPI接口與微處理器交換數(shù)據(jù)。通過(guò)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(cè)到周?chē)休d波信號(hào)時(shí)，可通過(guò)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(diǎn)的無(wú)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(dá)200 m左右。

2.2 探測(cè)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(cè)、火警探測(cè)以及入侵報(bào)警等。為實(shí)現(xiàn)這些功能，需要選擇合適的傳感器。文中探測(cè)節(jié)點(diǎn)配置的傳感器主要有以下幾種。

①溫濕度傳感器

通過(guò)探測(cè)家居的溫度和濕度，可自動(dòng)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(jì)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(gè)芯片上，其供電電壓為3.3 V、溫度測(cè)量范圍為40～123.8℃、濕度測(cè)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(hào)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(guò)探測(cè)光照度，可自動(dòng)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(qiáng)度傳感器。當(dāng)它工作在2.7～3.5 V電壓下，能夠自動(dòng)屏蔽 50Hz/60Hz光波。TSL2561包括2個(gè)光電探測(cè)器和1個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。其中一個(gè)光電監(jiān)測(cè)器可探測(cè)可見(jiàn)光和紅外線，另一個(gè)則只能探測(cè)紅外線。這2個(gè)探測(cè)器相結(jié)合可以減小周?chē)h(huán)境紅外光造成的影響。芯片輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，便于直接與微處理器相連。

③煙霧傳感器

為了對(duì)家居系統(tǒng)中的火災(zāi)或燃?xì)庑孤┻M(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(gè)功能就是及時(shí)發(fā)現(xiàn)非法入侵者。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的主動(dòng)安防，需要對(duì)非法入侵進(jìn)行檢測(cè)，并保證被監(jiān)測(cè)區(qū)域(陽(yáng)臺(tái)、門(mén)窗、過(guò)道等)置于傳感器的探測(cè)區(qū)域內(nèi)。現(xiàn)有入侵檢測(cè)方法主要有熱釋電傳感器探測(cè)、雷達(dá)波探測(cè)、聲音探測(cè)、振動(dòng)探測(cè)、音頻識(shí)別和視頻檢測(cè)等。相比之下，熱釋電傳感器能夠探測(cè)到紅外線輻射的變化，而家居安防中防入侵的對(duì)象一般是動(dòng)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(cè)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(shí)施探測(cè)，應(yīng)該是現(xiàn)有入侵檢測(cè)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(diǎn)正常工作所需的能量，為便于安裝使用，設(shè)計(jì)中采用的是可充電電池。考慮到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(duì)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(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，探測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行上電初始化，開(kāi)啟探測(cè)模式，然后探測(cè)節(jié)點(diǎn)可進(jìn)入休眠狀態(tài)，由節(jié)點(diǎn)配置的傳感器對(duì)家居進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)探測(cè)到異常情況時(shí)，首先觸發(fā)探測(cè)節(jié)點(diǎn)，確定異常發(fā)生的位置;然后上報(bào)總控制器;最后由總控制器進(jìn)行決策，確定是否將入侵信息發(fā)送給用戶。

探測(cè)節(jié)點(diǎn)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(gè)隨機(jī)等待時(shí)間后，繼續(xù)檢測(cè)大氣中是否存在相同頻率的載波;如果CD不為1，則開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)。探測(cè)節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖5所示。

圖5 探測(cè)節(jié)點(diǎn)流程圖Fig.5 Software flowchart of detection node

2.5 低功耗設(shè)計(jì)

由于探測(cè)節(jié)點(diǎn)采用電池供電，而節(jié)點(diǎn)最耗能的工作是通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送或接收數(shù)據(jù)［11］，因此可將無(wú)線收發(fā)器設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)，以降低能耗(此時(shí)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(cè)節(jié)點(diǎn)的信息，實(shí)施觸發(fā)式發(fā)送，即當(dāng)傳感器探測(cè)到家居環(huán)境的異常變化時(shí)，才觸發(fā)探測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入中斷模式，并將異常信息進(jìn)行上報(bào)。通過(guò)采用觸發(fā)式探測(cè)，可以大量減少探測(cè)節(jié)點(diǎn)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(tīng)多路訪問(wèn)(carrier sense multiple access，CSMA)這種爭(zhēng)用型介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議。該協(xié)議具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、不需要集中控制的優(yōu)點(diǎn)，適用于各種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

為了進(jìn)一步降低節(jié)點(diǎn)能耗，還可通過(guò)系統(tǒng)的撤防節(jié)約節(jié)點(diǎn)能量，即對(duì)紅外、煙感等探頭進(jìn)行設(shè)置。主人在家時(shí)可撤防，使探頭減少頻繁動(dòng)作，在延長(zhǎng)使用壽命的同時(shí)節(jié)約節(jié)點(diǎn)能量。

3 執(zhí)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 執(zhí)行節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

執(zhí)行節(jié)點(diǎn)的功能是執(zhí)行聲光報(bào)警等工作。該系統(tǒng)選用的語(yǔ)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(yáng)聲器選用的是普通的有源音箱，用于播放簡(jiǎn)單的報(bào)警聲。鑒于音箱的功耗較高，文中執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)采用了“市電-蓄電池”聯(lián)合供電方案。

3.2 執(zhí)行節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

執(zhí)行節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖6所示。

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

4 家庭總控制器設(shè)計(jì)

家庭總控制器的功能是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，需進(jìn)行人機(jī)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(diǎn)等操作?？紤]到這些功能對(duì)總控制器的軟硬件平臺(tái)有較高要求，本設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)平臺(tái)。

4.1 總控制器硬件設(shè)計(jì)

與探測(cè)節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行節(jié)點(diǎn)相比，家庭總控制器要求具有較強(qiáng)的處理能力和運(yùn)行速度，因此，在設(shè)計(jì)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(kuò)展硬件通信接口。

本設(shè)計(jì)采用4.3英寸(1英寸=25.4 mm)的LCD觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制，同時(shí)采用USB卡存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)等信息。GPRS模塊采用的是德國(guó)Simens公司的MC35i，通過(guò)串行口與S3C2440進(jìn)行信息交換。無(wú)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(jì)

由于Linux具有源代碼開(kāi)放、支持大部分芯片、易于移植和開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)［12］，故在設(shè)計(jì)中針對(duì)具體的應(yīng)用功能，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)完成定制開(kāi)發(fā)。用戶應(yīng)用程序由一系列用來(lái)完成相應(yīng)功能的函數(shù)組成，如報(bào)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(yǔ)

本文基于嵌入式系統(tǒng)和無(wú)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(jì)方案，并給出了系統(tǒng)各部分軟硬件設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)綜合了短距離無(wú)線通信和長(zhǎng)距離無(wú)線通信的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)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(guò)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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