多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)在家庭安防系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要： 為了實現(xiàn)家庭環(huán)境量和防盜報警的智能化控制，提出一種多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)在家庭安防系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)，該系統(tǒng)以CC2530單片機架構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)，利用激光、煙霧、一氧化碳、溫度、濕度、光照等傳感器技術(shù)，將數(shù)據(jù)采集后，通過ZigBee無線路由器將數(shù)據(jù)發(fā)出，與主控制器一側(cè)的ZigBee協(xié)調(diào)器將傳感器的數(shù)據(jù)接收，通過觸摸屏實時的顯示家里的環(huán)境量，參數(shù)若越限，實時報警。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠達到家庭安防系統(tǒng)的控制要求，運行穩(wěn)定，可靠，具備實用性和推廣價值。

關(guān)鍵詞： K60； 觸摸屏； 環(huán)境量數(shù)據(jù)； ZigBee無線通信

中圖分類號： TN926?34； TN273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）12?0032?05

Abstract： In order to realize the intelligent control of home environment and anti?theft alarm， a multi?sensor data fusion technology applied to home security system is proposed. In the system， the CC2530 microcontroller is used to build the wireless communication network， and the sensor technologies of laser， smoke， CO， temperature， humidity and illumination are used to collect the data. After that the sensor data is send through the ZigBee wireless router， and received by ZigBee coordinator at the master controller side. The home environment data is displayed in real time through the touch screen. The system will alarm in real time when the parameter value is higher than the limit. The test results show this system can satisfy the control requirement of the home security system. The system has the advantages of stable running and reliability. It has a certain practicability and generalization value.

Keywords： K60； touch screen； environment data； ZigBee wireless communication

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)代科技中被認為是影響人類未來生活的十大科技之一，它綜合了傳感器技術(shù)，通信技術(shù)，計算機技術(shù)，分布式信息處理技術(shù)等，由大量的微型傳感器節(jié)點組成，并且通過無線通信方式形成一個自組織的智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r感知、采集和監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境。本文介紹的家庭智能安防系統(tǒng)，能集防盜報警、溫度、濕度、光照、一氧化碳、煙霧檢測于一體，并能根據(jù)要求實現(xiàn)自動控制。經(jīng)常報道說某地某小區(qū)發(fā)生煤氣爆炸、火災(zāi)等，說明日常的家居中還是存在著安全隱患，因此設(shè)計一套包含諸多功能的智能家庭安防系統(tǒng)，具有一定的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

本文介紹的智能家庭安防系統(tǒng)，該系統(tǒng)由CC2530單片機[1]架構(gòu)分布式無線通信網(wǎng)絡(luò)，每個終端采用一片CC2530芯片，結(jié)合溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器、一氧化碳傳感器、激光入侵檢測報警器構(gòu)成一個智能終端，其將檢測數(shù)據(jù)存儲起來并封裝成一個數(shù)據(jù)包，通過其自身的無線電發(fā)送數(shù)據(jù)?？梢园凑招枰總€終端裝配一個OLED顯示屏，用于查看采集的數(shù)據(jù)。在集中控制的主控電路部分，也利用CC2530構(gòu)建一個ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將傳感器數(shù)據(jù)接收過來后，通過串口與計算機或K60[2]單片機通信，將采集后的各終端數(shù)據(jù)顯示在電腦上或者與K60接口的觸摸屏上。同時對各項數(shù)據(jù)進行分析，與設(shè)定的閾值進行比較，按照比較結(jié)果再控制相關(guān)外圍電路。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

CC2530是美國德州儀器公司的新一代ZigBee無線射頻芯片，用于構(gòu)建低成本、短時延、低功耗、可靠的無線通信系統(tǒng)，而無線收發(fā)器選用具有高性能的2.4 GHz的直接序列擴頻收發(fā)器。芯片內(nèi)部包括8 KB RAM 和最多高達256 KB的閃存，CC2530F256 結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee 協(xié)議棧（Z?StackTM），它提供了一個強大和完整的ZigBee 解決方案。CC2530單片機使用的8051 CPU內(nèi)核是一個單周期的8051兼容內(nèi)核，使得國內(nèi)熟悉51單片機的研發(fā)人員容易上手開發(fā)。CC2530 具有不同的運行模式，使得它適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。

圖2是激光防盜報警電路，它主要利用了CC2530的8通道A/D轉(zhuǎn)換器，CC2530的ADC支持7～12位的分辨率，分別在30 kHz或4 kHz的帶寬。它包括一個模擬多路轉(zhuǎn)換器，具有多達8 個各自可配置的通道；輸入可以選擇單端或差分模式。參考電壓可以是內(nèi)部電壓、AVDD5（供電電壓） 或是一個單端或差分外部信號。ADC 還有一個溫度傳感輸入通道。轉(zhuǎn)換結(jié)果通過DMA寫入存儲器。從圖2中可知，光敏電阻與上拉電阻構(gòu)成激光接收通道矩陣，光敏電阻的一端CH0～CH7與單片機CC2530的P0口相連，供A/D轉(zhuǎn)換用，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過OLED顯示器顯示出來，并通過無線電將該節(jié)點的報警信息發(fā)射出去。

圖3是多傳感器模塊與CC2530的接口電路。整個系統(tǒng)包含多個傳感器，這些傳感器的數(shù)據(jù)采集通過一片CC2530就能控制，因此可以充分利用CC2530單片機的片內(nèi)資源，構(gòu)建低成本的通信網(wǎng)絡(luò)。從圖3中可知，溫度的采集采用DS18B20，該芯片采用1?wire通信方式，只需一根tempIO線就能實現(xiàn)通信；溫濕度傳感器采用了SHT11，濕度的精度達到±1.5% RH，溫度的精度達到±0.4 ℃；煙霧傳感器采用了MQ?2，它對不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值，通過硬件的分壓技術(shù)和A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；氣體傳感器采用了ZYMQ?7，接口電路同煙霧傳感器；光照傳感器采用了PNA4603H模塊，它采用了具有光電探測功能的雙極性電路，波長特性接近人類視覺靈敏度，具有良好的輸出電壓線性度；人體紅外熱釋電傳感器采用Grove ? PIR Motion Sensor，當有人走入它的探測范圍時，PIR運動探測傳感器就會在它的SIG腳上輸出一個HIGH信號，利用該信號開啟激光防盜報警器，激光防盜報警器的控制電路平時處于休眠狀態(tài)，因此利用紅外熱釋電傳感器進行激發(fā)喚醒有利于降低功耗。

作為一個運行較穩(wěn)定的系統(tǒng)，可靠的時鐘是非常關(guān)鍵的，在安防這一領(lǐng)域更是這樣，因為經(jīng)常需要巡檢系統(tǒng)和記錄報警時間，一旦時鐘系統(tǒng)發(fā)生故障，或者被非法修改，將導(dǎo)致整個系統(tǒng)的功能錯亂。DS1302[3]時鐘芯片能夠滿足上述要求，它時鐘精確、工作穩(wěn)定、掉電后數(shù)據(jù)不會丟失。供電電源利用穩(wěn)壓芯片LM7805和LM117分別產(chǎn)生5 V和3.3 V電壓，用于給各個傳感器、路由器和主控板供電。GPRS模塊（ATK?SIM900A[4]）和攝像頭模塊（OV7670[5]）用于當環(huán)境量超限和入侵者侵入時提供遠程的彩信報警，即一旦發(fā)生警情，遠端的用戶或者110可以直接獲知家里的情況。繼電器模塊實現(xiàn)電氣隔離，同時也能滿足某些模塊的低功耗要求。語音提示模塊采用了ISD1700芯片，它具有較好的音質(zhì)和斷電存儲，能夠直接播放真實的語音信息。

上述介紹的傳感器電路，它們負責數(shù)據(jù)的采集，發(fā)送并實現(xiàn)智能控制。由于篇幅限制，K60主控制器電路、攝像頭控制電路、GPRS控制電路的原理圖本文并未給出，讀者可以參閱相關(guān)的文獻。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境采用IAR Embedded Workbench IDE， 代碼采用C語言編寫，思路是先設(shè)計各個終端采集數(shù)據(jù)的功能模塊，調(diào)試通過后，在主程序中對所有采集的數(shù)據(jù)進行封裝，并通過ZigBee芯片將數(shù)據(jù)輸出。在主控板中，先設(shè)計并調(diào)試好各個顯示數(shù)據(jù)的界面，串行口的監(jiān)控程序，觸摸屏的人機交互程序，調(diào)試通過后，以供主程序中調(diào)用。采用上述模塊化的編程思想，簡化了開發(fā)難度，代碼也便于調(diào)試和系統(tǒng)集成。

由于每個節(jié)點利用一塊單片機實現(xiàn)，因此在代碼中采用統(tǒng)一的封裝形式。每個節(jié)點的數(shù)據(jù)包可以使用一個結(jié)構(gòu)體來實現(xiàn)，其中包含了數(shù)據(jù)包的頭、尾，此外還包含該節(jié)點的設(shè)備類型、節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址、父節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址以及所采集到的傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包的格式定義如下（以采集溫度為例）。

系統(tǒng)用到了很多傳感器芯片，比如溫度采集芯片DS18B20，采用1?Wire 通信制式，因此在編程時需要用I/O口模擬相關(guān)時序；溫濕度傳感器SHT11采用I2C接口，也需要用I/O口模擬SCK，DATA兩路信號；煙霧傳感器、一氧化碳傳感器利用了敏感元件對不同濃度的氣體靈敏度的不同，而導(dǎo)致電阻的不同，采用分壓的方式得到電壓，再通過CC2530的A/D口部分進行轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)的數(shù)據(jù)；芯片工作的當前溫度及芯片的供電電壓是否穩(wěn)定也是通過A/D口自帶的溫度傳感器和設(shè)置參考電壓（供電電壓AVDD5）采樣得到，這些需要通過編程實現(xiàn)，并將得到的數(shù)據(jù)填充在數(shù)據(jù)包的傳感器數(shù)據(jù)部分。

主控制器MK60N512VMD100用于監(jiān)視串口的工作狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)處理后送到觸摸屏上顯示，除此之外，DS1302為系統(tǒng)的正常工作提供基準時鐘。觸摸顯示屏除用于顯示系統(tǒng)時間外，還用于顯示溫度、濕度、亮度、一氧化碳和煙霧的濃度各個參數(shù)的上下限值等。設(shè)置完成后，按照要求顯示各路傳感器的數(shù)據(jù)，并能夠在各個界面中方便切換。

圖4為主程序設(shè)計流程圖。系統(tǒng)上電后，先關(guān)閉所有中斷，關(guān)閉開門狗，復(fù)制中斷向量表到RAM，開啟I/O口的工作時鐘，初始化系統(tǒng)時鐘和鎖相環(huán)，初始化串口2的波特率，初始化要用的I/O口，觸摸屏控制初始化，觸摸屏界面設(shè)置初始化，人機交互初始化，系統(tǒng)界面初始化，DS1302的顯示初始化，各個環(huán)境量的閾值初始化，開始測量界面的初始化。

初始化完成后，ZigBee協(xié)調(diào)器接收由各個ZigBee路由器發(fā)送過來的傳感器數(shù)據(jù)，并按照要求顯示在相應(yīng)的位置上，接收的傳感器數(shù)據(jù)還要與對應(yīng)的閾值進行比較，按照比較結(jié)果可實現(xiàn)聲光報警或GPRS報警，直流電機也做相應(yīng)的控制運動，具體的流程圖參見圖5。

圖6是協(xié)調(diào)器工作程序流程圖，協(xié)調(diào)器首先初始化CC2530；隨后初始化協(xié)議棧并打開中斷，之后程序開始創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，如果網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建成功可在OLED顯示屏上顯示父節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址，網(wǎng)絡(luò)號及頻道號。一系列的初始化后進入空閑狀態(tài)，檢測空中是否有傳感器數(shù)據(jù)，如果有信號則判斷是節(jié)點加入信號還是數(shù)據(jù)信號并做相應(yīng)處理，如果是節(jié)點加入請求就為其分配網(wǎng)絡(luò)號，如果是數(shù)據(jù)信息則進行拆包處理并送計算機串口顯示或送K60串口，通過觸摸屏顯示數(shù)據(jù)。

圖7是終端節(jié)點（ROU或END）的工作流程圖，終端節(jié)點首先初始化CC2530芯片，之后初始化協(xié)議棧，并發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)信號，等待主機響應(yīng)并給自己分配地址。如果加入網(wǎng)絡(luò)成功則狀態(tài)指示燈亮，之后進入數(shù)據(jù)采集程序，開始采集傳感器數(shù)據(jù)并通過無線電發(fā)射出去。

圖8是CC2530模/數(shù)轉(zhuǎn)換流程圖，它主要用于采集光敏電阻的光照電壓，同時也用于采集芯片本身的供電電壓和溫度，在AD轉(zhuǎn)換流程圖中需要配置相關(guān)寄存器，在這里配置使能了ADCCFG，以使CC2530的P0口工作在ADC模式，配置ADCCON3=0x8X， 選擇AVDD5引腳上的電壓作為參考電壓，64位的抽取率，X代表AIN0～AIN7中的任一通道。接著設(shè)置ADCCON1啟動A/D轉(zhuǎn)換，最后將處理后的數(shù)據(jù)存放在定義好的數(shù)組里面，供主程序進行閾值判斷。

時鐘模塊讀寫程序：作為智能家庭安防應(yīng)用系統(tǒng)的重要組成部分，采用DS1302產(chǎn)生實時時鐘。首先要定義星期、年月日、時分秒等變量，接著通過向DS1302的0x8E地址寫入0x00，進行去寫保護功能，然后根據(jù)需要設(shè)置變量的初始值，接著再向DS1302的0x8E地址寫入0x80進行寫保護，最后程序就可以在初值的基礎(chǔ)上讀出相應(yīng)的年月日、時分秒、星期等信息。

溫濕度采集的讀寫程序：首先SHT11初始化，并啟動發(fā)送，收到主機發(fā)送的信號后，延時一段時間，利用傳感器分別產(chǎn)生相對濕度、溫度信號；然后經(jīng)過放大， A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、校準和糾錯，再通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至微控器，利用微控器完成非線性補償和溫度補償，最后發(fā)送到主機。

3 系統(tǒng)調(diào)試

K60主機開機后，出現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)置對話框，人工檢測和定時檢測對話框。在觸摸屏上點擊系統(tǒng)設(shè)置對話框，設(shè)置系統(tǒng)時間，環(huán)境量的溫度、濕度、光照等情況的極限參數(shù)，設(shè)置完成后，按返回鍵退出系統(tǒng)設(shè)置。按人工檢測對話框，系統(tǒng)將最近檢測到的5路數(shù)據(jù)分別顯示在液晶屏上。按定時檢查對話框，系統(tǒng)每隔1 s將最新的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上。作為實驗，光敏電阻與上拉電阻構(gòu)成激光接收通道矩陣是放在窗戶上的，當人靠近窗戶時，紅外熱釋電傳感器響應(yīng)觸發(fā)激光通道的電源，8路激光器投射出8路激光線到窗臺的8個光敏電阻上，遮擋其中的某路光線，OLED立即顯示E?EE，表示有入侵者從窗戶進入，并伴有蜂鳴器報警。各個房間的環(huán)境量通過ZigBee技術(shù)傳送到與主控模塊，初始設(shè)置環(huán)境濕度>60% RH和溫度>30 ℃時報警，同時發(fā)送信息到手機終端，提示溫濕度超限，并伴有語音提示。實驗證明，當溫度超過30 ℃或者濕度>60% RH時，直流電機帶動窗戶玻璃實現(xiàn)自動關(guān)閉。當外界光線太亮時，直流電機帶動窗簾自行關(guān)閉。系統(tǒng)的部分測試結(jié)果如圖9所示，從串口數(shù)據(jù)可以看出，終端包括了2個END和一個ROU，協(xié)調(diào)器啟動后建立無線網(wǎng)絡(luò)，并分配網(wǎng)絡(luò)地址，如END7EE9，END004E，ROU69D0，接著是按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)顯示傳感器數(shù)據(jù)，如節(jié)點END004E的芯片溫度為22 ℃，供電電壓3.2 V，所處環(huán)境溫度為24 ℃，一氧化碳含量對應(yīng)的電阻值為30 Ω等。

4 結(jié) 論

多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)在家庭安防的應(yīng)用系統(tǒng)，它利用CC2530構(gòu)建的ZigBee 路由器和協(xié)調(diào)器，結(jié)合激光、溫度、濕度、光照、煙霧、一氧化碳傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的目標，實踐數(shù)據(jù)證明，數(shù)據(jù)終端通過觸摸屏能夠?qū)崟r地顯示系統(tǒng)各類環(huán)境量，如參數(shù)越限，實時報警。激光防盜報警窗能夠?qū)Ψ欠ㄈ肭终呒皶r進行聲光報警，手機能夠及時收到報警信息。實踐證明，該系統(tǒng)工作運行穩(wěn)定，工作可靠，并在美國匹茲堡國際發(fā)明展上斬獲發(fā)明者杯特別獎，已應(yīng)用到現(xiàn)實的智能家居中。

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