基于無線傳感器的智能家居監(jiān)測系統(tǒng)研究

曹恒，黃煒斌，姚海慶，李吉宗，蔣飛

(華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237)

0 引言

近年來，城市建筑越來越高，高層建筑火災(zāi)有愈演愈烈之勢。高層建筑失火后，現(xiàn)有的消防設(shè)備很難對起火點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的滅火，導(dǎo)致死傷人數(shù)及財(cái)產(chǎn)損失也呈上升趨勢，高層建筑火災(zāi)的防控已經(jīng)成為一個(gè)社會(huì)性的難題[1]。而現(xiàn)有的有線預(yù)警系統(tǒng)缺點(diǎn)在于導(dǎo)線布局造成的硬件故障較高，傳輸成本也較高，線路易老化，以及各種非自然損壞問題嚴(yán)重，使得誤報(bào)警率升高。因此新興的無線傳感器技術(shù)，成為未來火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。它不僅傳輸質(zhì)量高和抗干擾能力強(qiáng)，工作性能越來越完善。

無線火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)往往根據(jù)所探測的某個(gè)參數(shù)值的改變來確定是否報(bào)警，因此很容易受到外界的影響，靈敏度選低了，會(huì)使報(bào)警不及時(shí)或漏報(bào)，選高了，則形成誤報(bào)。

本文通過軟件算法與硬件的設(shè)計(jì)，解決了自診斷和自排除能力，使得該裝置更加可靠。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的工作原理是由煙霧探測器監(jiān)測到火災(zāi)報(bào)警信號(hào)、故障信號(hào)等并通過短距離無線射頻方式傳送給主機(jī)，主機(jī)將收集到的各個(gè)探測器的信號(hào)送至逃生顯示裝置進(jìn)行，如下圖1所示。

煙霧探測器利用煙粒子對光的散射效應(yīng)[2]，引起受光器件的阻抗發(fā)生變化，產(chǎn)生光敏電流，從而將煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢粤炕碾娦盘?hào)，接收管端的信號(hào)可進(jìn)一步放大處理并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)值信號(hào)，當(dāng)A/D值越大，則說明煙霧信號(hào)越強(qiáng)，當(dāng)煙值超過閾值時(shí)便發(fā)出報(bào)警信號(hào)[3]。

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可以分為探測器MCU發(fā)送控制處理單元，探測器接收控制處理單元，無線射頻模塊、逃生指示模塊。圖2為系統(tǒng)模塊流程圖。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

圖2 系統(tǒng)模塊流程圖

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件組成

硬件設(shè)計(jì)主要包括微控制器、電源模塊、無線射頻模塊、復(fù)位模塊、液晶顯示模塊和報(bào)警模塊。其無線通訊頻段采用433 MHz頻段，因?yàn)樵诒姸嗝赓M(fèi)的頻段中，由于315 MHz使用較多，易干擾，915 MHz頻段不適合在國內(nèi)使用。

主芯片使用了CC430F5137，其中26 MHz的晶振用于射頻功能的場合;JTAG接口采用4－Wire連接方式對CC430芯片進(jìn)行調(diào)試;其供電方式靈活，可通過主板供電，或直接使用仿真器供電，也可由外部的直流電源供電。

2.1 發(fā)射模塊硬件組成

無線模塊RF1A無線模塊把低于1 GHz的CC1101內(nèi)核模塊集成在MSP430的系統(tǒng)中，CC1101基礎(chǔ)模塊是以低頻接收器，接收無線頻率信號(hào)通過低頻噪聲放大器和下頻積分轉(zhuǎn)換器來放大，同步和區(qū)步信號(hào)通過ADC數(shù)字化，自動(dòng)增益控制，良好的通道濾波，和解調(diào)位/包又?jǐn)?shù)字化來表示[4]。發(fā)射部分是直接以無線發(fā)射頻率為基礎(chǔ)的。頻率綜合包括產(chǎn)生完全LC電壓芯片和90°相位來調(diào)整I和Q的當(dāng)?shù)?LO)信號(hào)到下混合器。對于ADC時(shí)鐘和數(shù)字部分，26 MHz的晶振產(chǎn)生頻率參考數(shù)字基頻包含對于通道配置數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)緩存的支持，如圖3所示。

圖3 發(fā)射模塊硬件電路圖

2.2 接收節(jié)點(diǎn)裝置硬件組成

無線傳感器接收節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)主要是為了滿足無線傳感器節(jié)點(diǎn)的一些必須的工作性能要求和工作壽命[5]。從整體考慮能量消耗、通信的傳輸距離以及通用性和安全性等條件。該傳感器節(jié)點(diǎn)采用了傳感器、微處理器芯片和無線通信芯片的主體結(jié)構(gòu)。如圖4所示。

圖4 無線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖

電源模塊主要為控制芯片和該探測器的外圍模塊中的器件提供各自所需的工作電壓[6]，讓它們能穩(wěn)定地工作。該火焰器電源模塊使用的是升壓斬波電路如圖5所示。器件XC9111A301MR－G芯片能將升壓后的電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓，同時(shí)5 V和3.3 V這兩個(gè)電壓在該系統(tǒng)中均得到廣泛的使用。如圖5所示，C32，C33，C34電容為濾除雜波。

圖5 接收裝置電源模塊

接收裝置電路主要完成對于報(bào)警信號(hào)的檢測，E2PROM以及UART串口等。

3 系統(tǒng)平臺(tái)軟件構(gòu)成

3.1 發(fā)射模塊軟件編程

無線通信設(shè)置:射頻為433 MHz，定包長度，無地址校驗(yàn)，首先定義火災(zāi)探測傳感器的個(gè)數(shù)，定義發(fā)送數(shù)據(jù)包的長度、地址、命令數(shù)據(jù)和接受數(shù)據(jù)包的字節(jié)。

為了能增大發(fā)射功率，要提升內(nèi)核電壓SetVCore(2)，其次將系統(tǒng)時(shí)鐘升至12 Mhz，復(fù)位和初始化CC1101，為了能更好地檢測數(shù)據(jù)，設(shè)置了串口設(shè)置。

為了降低火災(zāi)報(bào)警裝置的功耗，系統(tǒng)先進(jìn)入LPM0并開啟全局中斷[7]，發(fā)送Transmit握手信號(hào)和握手機(jī)制。首先發(fā)送接收器的地址信號(hào)，程序?qū)⒀訒r(shí)一段時(shí)間，在這段時(shí)間里，若信號(hào)能準(zhǔn)確傳送出去并且接收器能發(fā)送一個(gè)反饋信號(hào)，則程序?qū)⑻鲅訒r(shí)，判斷反饋信號(hào)里的數(shù)據(jù)是否帶有火警信號(hào)，(0x01為正常，0x0F為火警)，當(dāng)有火警信號(hào)時(shí)，液晶顯示器顯示所在的那個(gè)房間有火警并觸發(fā)火警報(bào)警，否則傳感器出錯(cuò)標(biāo)志位至位，液晶屏顯示不正常字樣。

發(fā)射模塊部分程序如下:

3.2 接收節(jié)點(diǎn)模塊編程

無線通信設(shè)置:射頻為433 MHz，定包長度，無地址校驗(yàn)，首先定義火災(zāi)探測傳感器的個(gè)數(shù)，定義發(fā)送數(shù)據(jù)包的長度、地址、命令數(shù)據(jù)和接受數(shù)據(jù)包的字節(jié)[8]。

首先系統(tǒng)進(jìn)入LPM0休眠模式并開啟全局中斷，等待上位機(jī)向接收器發(fā)送指令，同時(shí)產(chǎn)生中斷，當(dāng)Rx成功接收指令后，發(fā)送自己的地址指令和狀態(tài)信號(hào)，狀態(tài)信號(hào)指令為火警指令，正常指令，故障指令。發(fā)送完畢后，進(jìn)入新的休眠模式，繼續(xù)等待。

接收節(jié)點(diǎn)部分程序

4 線傳感網(wǎng)絡(luò)組成

無線傳感網(wǎng)絡(luò)分別有無線煙感，無線中繼器和總控制器組成如圖4所示。通過實(shí)驗(yàn)測量得到，在測量環(huán)境溫度為25℃，VDD=3.0 V時(shí)，芯片在發(fā)送、接收、空閑和休眠四種狀態(tài)下電流值分別為 29 mA、18 mA、8 mA、1.2 μA。從而能夠發(fā)現(xiàn)通信模塊在數(shù)據(jù)發(fā)送、接受和空閑時(shí)的能量消耗十分接近，也就是說只要射頻功能打開著，能量消耗就會(huì)比較大。然而在關(guān)閉射頻功能時(shí)，它的能量消耗就降到十分小的狀態(tài)。CC1101芯片自帶了一種 LowPowerListening端口，通過這個(gè)端口可以實(shí)現(xiàn)對無線通信模塊的休眠控制。該通信芯片有偵聽和休眠兩種工作方式?？梢酝ㄟ^程序的設(shè)置，將偵聽與休眠進(jìn)行周期性的循環(huán)[9]。

圖6 休眠周期循環(huán)圖

5 結(jié)束語

本文研究了無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，分析了當(dāng)前火災(zāi)探測技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)設(shè)計(jì)了具有無線通訊功能的火災(zāi)探測系統(tǒng)，其中包括了整個(gè)裝置的框架設(shè)計(jì)、發(fā)射裝置與接收節(jié)點(diǎn)裝置的硬件與軟件設(shè)計(jì)。并通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證了該方案的可行性和有效性。提高了火災(zāi)報(bào)警的準(zhǔn)確度和可控性，與傳統(tǒng)單一的火災(zāi)探測器相比，降低因線路老化帶來的隱患，降低誤報(bào)和漏報(bào)的可能性，改善了現(xiàn)有傳統(tǒng)的有線方式的火災(zāi)檢測系統(tǒng)的確定，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和商業(yè)性。

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