基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙占濤

【摘要】隨著社會(huì)的進(jìn)步，大多數(shù)校區(qū)已經(jīng)陸陸續(xù)續(xù)的完成了校區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)，也有少數(shù)高檔樓盤進(jìn)行了一些更高層次的智能化建設(shè)，并逐步向前發(fā)展。本文主要研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在校區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用，整個(gè)安防監(jiān)控系統(tǒng)中所記錄所有的視頻、音頻、報(bào)警數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)記錄并在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行云存儲(chǔ)以供日后檢索，基于無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)校區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有安全性、靈活性、網(wǎng)絡(luò)性和智能性的特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器；網(wǎng)絡(luò)；小區(qū)安防

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用，將會(huì)給人類的生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響。美國商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評(píng)論在預(yù)測(cè)未來技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中，都將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最有影響的21項(xiàng)技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來了信息感知的一場(chǎng)變革。隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)于家庭安防的要求也越來越高。近年來智能化的家庭安防越來越引起人們的重視。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式、自組織的網(wǎng)絡(luò)性能和無線通信技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)智能無線家庭安防提供了可能。

1 安防技術(shù)發(fā)展概況

經(jīng)過多年的發(fā)展，智能小區(qū)家居智能化系統(tǒng)越來越成熟，功能越來越完善，安防報(bào)警系統(tǒng)已成為智能小區(qū)家居智能化重要組成部分。因此必須建立一個(gè)穩(wěn)定、可靠、易操作的安防報(bào)警系統(tǒng)。穩(wěn)定、可靠是指有警必報(bào)，無警不會(huì)誤報(bào)。易操作是指家庭成員可以對(duì)一些防盜點(diǎn)進(jìn)行方便的操作。要達(dá)到穩(wěn)定、可靠，必須做好硬件和軟件設(shè)計(jì)，要達(dá)到易操作必須在設(shè)計(jì)觀念上有所突破。

1.1智能家居的發(fā)展現(xiàn)狀

自從世界上第一幢智能建筑1984年在美國出現(xiàn)后，美國、加拿大、歐洲、澳大利亞和東南亞等經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的國家先后提出了各種智能家居的方案。智能家居在美國、德國、新加坡、日本等國都有廣泛應(yīng)用。1998年5月新加坡舉辦的"98亞洲家庭電器與電子消費(fèi)品國際展覽會(huì)"上，通過在場(chǎng)內(nèi)模擬"未來之家"推出了新加坡模式的家庭智能化系統(tǒng)。它的系統(tǒng)功能包括三表抄送功能、安防報(bào)警功能、可視對(duì)講功能、監(jiān)控中心功能、家電控制功能、有線電視接入、電話接入、住戶信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布線箱、寬帶網(wǎng)接入和統(tǒng)軟件配置等，這種"未來之家"家庭智能化系統(tǒng)，市場(chǎng)真正啟動(dòng)尚需時(shí)日。目前在新加坡也有近30個(gè)社區(qū)（住宅小區(qū)）近5000戶的家庭采用了"家庭智能化系統(tǒng)"，美國已有近四萬戶家庭安裝了這一類的"家庭智能化系統(tǒng)"，將會(huì)有更多的住宅安裝上這一類高科技智能化系統(tǒng)產(chǎn)品。目前美國有一種占據(jù)市場(chǎng)主流的產(chǎn)品X-1O，銷售己超過1億個(gè)，設(shè)計(jì)戶型為單體別墅，應(yīng)用多為舊房改造，僅在美國便有超過400萬個(gè)家庭在使用，但這些產(chǎn)品技術(shù)限制較多，并不適合在我國原樣照搬使用應(yīng)用。

1.2 國內(nèi)安防行業(yè)發(fā)展情況

近兩年來，安防行業(yè)又有了進(jìn)一步的發(fā)展。在我國已加入WTO的形勢(shì)一下，積極探討安防行業(yè)的發(fā)展問題，對(duì)于維護(hù)社會(huì)治安穩(wěn)定，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的繁榮，保障人民生活的幸福，具有非常重要而深遠(yuǎn)的意義。我國安防行業(yè)是隨著社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而逐步成長起來的，改革開放以來，在國民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人民生活水平日益提高的推動(dòng)下，安防行業(yè)出現(xiàn)了一個(gè)蓬勃發(fā)展的勢(shì)頭。尤其九五期間，我國住宅產(chǎn)業(yè)異軍突起，極大地促進(jìn)了安防行業(yè)擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模。1998年起年產(chǎn)值近10億元的大型安防企業(yè)集團(tuán)土市公司不斷涌現(xiàn)。迄今，己有專營或兼營的從業(yè)單位數(shù)千家，產(chǎn)品種類發(fā)展到10余類，100多個(gè)品種，從業(yè)人員數(shù)萬人。1999年初，統(tǒng)計(jì)部門針對(duì)7類安防產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行3步統(tǒng)計(jì)，其中入侵探測(cè)器13家，防盜報(bào)警控制器74家，汽車防盜報(bào)警器22家，樓宇對(duì)講104家，防盜安全1366家，防盜保險(xiǎn)柜245家，機(jī)械防盜鎖42家，其它類124家。象盼盼、美心、視得安、立林等品牌企業(yè)的市場(chǎng)份額不斷擴(kuò)大，從一定程度上改變了我國安防產(chǎn)業(yè)的小而全的落后局面，激發(fā)了安防行業(yè)的活力。最近幾年統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示：中國安防產(chǎn)品行業(yè)平均以15%-30%的年增長率迅速成長。

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由一個(gè)報(bào)警主機(jī)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成。報(bào)警主機(jī)由基于S3C2410的32位嵌入式微控制器的開發(fā)平臺(tái)和無線通訊模塊組成。報(bào)警主機(jī)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成星型拓?fù)錈o線網(wǎng)絡(luò)。

利用S3C2410本身所具有的IIS接口，通過擴(kuò)展UDA1341構(gòu)成音頻處理模塊，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)通道的音頻輸入和一個(gè)通道的音頻輸出，報(bào)警主機(jī)通過IIS接口來交換音頻數(shù)據(jù)，音頻信號(hào)經(jīng)過音頻功率放大后由音頻變壓器耦合進(jìn)入電話線路以盡可能減小對(duì)雙音多頻DTMF（Dual Tone Multi Frequency）信號(hào)的影響。

振鈴檢測(cè)模塊首先將電話線的信號(hào)通過整流濾波后送入S3C2410的外部中斷輸入端，S3C2410根據(jù)不同的鈴音信號(hào)控制電話接口電路實(shí)現(xiàn)不同的操作，同時(shí)識(shí)別信號(hào)的類型和次數(shù)并提供給上層應(yīng)用程序。當(dāng)摘掛機(jī)控制模塊接收到CPU發(fā)出的摘掛機(jī)控制信號(hào)時(shí)，模塊中的繼電器接入或斷開一個(gè)300Ω電阻以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)摘掛機(jī)。

該系統(tǒng)中，DTMF編解碼電路采用MT88L89作為DTMF信號(hào)的編解碼核心器件。遠(yuǎn)端用戶的電話按鍵產(chǎn)生的DTMF信號(hào)經(jīng)耦合電容的隔直流后，由MT88L89接收并進(jìn)行譯碼，結(jié)束后由中斷控制端發(fā)送中斷信號(hào)，通知CPU數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好以備讀取，MT88L89輸出的四位并行二進(jìn)制數(shù)據(jù)通過Local Bus與CPU相連，此時(shí)CPU可獲取鍵值信息；CPU通過Local Bus向MT88L89依次發(fā)送要撥打的電話號(hào)碼，經(jīng)MT88L89轉(zhuǎn)換為DTMF信號(hào)實(shí)現(xiàn)撥號(hào)功能。

2.2系統(tǒng)的工作原理

當(dāng)發(fā)生盜情、火災(zāi)、煤氣泄漏等安全隱患時(shí)，傳感器通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)向報(bào)警主機(jī)發(fā)射經(jīng)數(shù)字編碼的報(bào)警信號(hào)。報(bào)警主機(jī)立即發(fā)出警笛聲，同時(shí)主動(dòng)撥通用戶預(yù)先設(shè)置的電話號(hào)碼，將警情以語音的形式通知用戶。語音提示用戶以按鍵形式確認(rèn)收到報(bào)警信息，智能電話報(bào)警器識(shí)別用戶按鍵的鍵值后確定下一步動(dòng)作。系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程布/撤防功能，即主人在身份驗(yàn)證后，能通過電話遠(yuǎn)程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行布/撤防控制。具備被叫搶線功能，當(dāng)用戶家中無人、電話占線或有人從外面打入電話企圖占住報(bào)警線路行竊，盜警發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)搶線撥號(hào)報(bào)警。2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)在不同的應(yīng)用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成不盡相同，但一般都由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源這四部分組成[4]。被監(jiān)測(cè)物理信號(hào)的形式?jīng)Q定了傳感器的類型。處理器通常選用嵌入式CPU，如Motorola公司的68HC16、C51系列單片機(jī)等。數(shù)據(jù)傳輸單元主要由低功耗、短距離的無線通信模塊組成，如訊通公司的PTR8000、ZigBee無線模塊等。

3 硬件選用

3.1處理器選用AT89C2051芯片作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的處理器。并且采用I/O口模擬SPI口方式與nRF905通訊，配置存儲(chǔ)器接口也采用I/O口模擬。

3.2傳感器要求居家安全，應(yīng)確保被監(jiān)視的區(qū)域（陽臺(tái)、門窗、過道、金庫等）置于傳感器的敏感區(qū)域內(nèi)?，F(xiàn)有的傳感器產(chǎn)品很多，如紅外熱釋電探頭、微波多普勒效應(yīng)探頭、微波紅外復(fù)用探頭等，用于檢測(cè)盜賊侵入很靈敏。離子煙感器和半導(dǎo)體氣敏傳感器用于監(jiān)視火警及煤氣泄漏。

3.3無線通訊模塊外圍MCU通過SPI總線配置PTR8000的內(nèi)部寄存器和數(shù)據(jù)收發(fā)。PTR8000的SPI總線包括四個(gè)引腳：CSN（SPI使能）、SCK（SPI時(shí)鐘）、MISO（主入從出）和MOSI（主出從入）。SPI總線的每次操作都必須在使能引腳CSN的下降沿開始。CSN低電平有效，總線上的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿有效。MCU對(duì)SPI總線的操作不外乎兩種方式：讀和寫。在進(jìn)行讀操作時(shí)，先把CSN置低，然后在MOSI數(shù)據(jù)線上輸出一個(gè)表示讀命令的字節(jié)，與此同時(shí)，PTR8000會(huì)在MISO數(shù)據(jù)線上輸出1字節(jié)表示狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)，隨后輸出1字節(jié)地址，后面跟隨有效數(shù)據(jù)。在進(jìn)行寫操作時(shí)比較簡單，MCU先把CSN拉低，然后在MOSI線上輸出寫命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)即可。

3.4電源在該系統(tǒng)中，nRF905為低電壓器件，電壓要求為3.3V，為了與之接口，AT89C2051也工作在3.3V（AT89C2051是寬電壓器件）電壓下。該系統(tǒng)用+5V電源供電，經(jīng)過板上LT1117-3.3V轉(zhuǎn)換得到3.3V電源。

可以預(yù)見，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展成熟，未來家庭安防、家居智能的應(yīng)用前景會(huì)非常廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[l]靳秀鳳，安防行業(yè)現(xiàn)狀、未來和可持續(xù)發(fā)展，安全防范網(wǎng)