無線樓宇安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

楊 帆，張輝寰

1.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，武漢 430205

2.湖北省視頻圖像與高清投影工程技術(shù)研究中心，武漢 430205

樓宇是當(dāng)前人們娛樂、生活還有辦公的主要場所，樓宇的科技化是人類社會進(jìn)步的外在表現(xiàn)。智慧樓宇給使用者提供安全、舒適、人性化的環(huán)境的同時，還應(yīng)當(dāng)具有安全、方便、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。在往常的樓宇控制系統(tǒng)里，每個部分相互獨(dú)立，不同的系統(tǒng)與系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)性不足，智能程度較低，同時系統(tǒng)還存在反應(yīng)較慢與人力資源與能源浪費(fèi)的問題［1-2］。

近幾年，科學(xué)技術(shù)隨著時代快速發(fā)展，信息技術(shù)正在慢慢融入到樓宇中，為了能夠為樓宇住戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，因此衍生了智能樓宇。樓宇安全監(jiān)測系統(tǒng)，是一種自動監(jiān)測系統(tǒng)對建筑物內(nèi)的溫度、濕度、煙霧濃度等進(jìn)行監(jiān)測，自主判定當(dāng)前位置是否發(fā)生了故障，進(jìn)而采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對措施［3-4］。這是樓宇技術(shù)與信息技術(shù)的綜合運(yùn)用，是現(xiàn)代化樓宇發(fā)展的必然趨勢。

1 總體方案的設(shè)計

針對4層樓宇設(shè)計一套由1個協(xié)調(diào)器、5個路由器和12個傳感器節(jié)點(diǎn)以及上位機(jī)構(gòu)成的安全監(jiān)測系統(tǒng)。為了保證信號的有效性，在每一樓層上都安裝有路由節(jié)點(diǎn)，并且路由節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)安裝在空曠無干擾的地方，而傳感器節(jié)點(diǎn)與被監(jiān)控設(shè)備一起安裝在各自的測試地點(diǎn)；在樓宇適宜的地方設(shè)置一個協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)控制樓宇內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的組建，最好放在多個節(jié)點(diǎn)中間，方便協(xié)調(diào)。管理中心與被監(jiān)控樓宇通過帶有GPRS模塊的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，從而可以通過上位機(jī)觀察各個節(jié)點(diǎn)的實時情況并控制大樓狀態(tài)，設(shè)計的樓宇總體方案如圖1（a）所示，樓宇的網(wǎng)絡(luò)圖如圖1（b）所示，網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計將在第三部分進(jìn)行詳細(xì)描述。

圖1 （a）樓宇總體方案模型，（b）樓宇監(jiān)測系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)框圖Fig.1 （a）General scheme model of building，（b）Wireless network block of building monitoring system

2 硬件的設(shè)計

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計

樓宇監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采用樹狀拓?fù)錂C(jī)構(gòu)，主要由協(xié)調(diào)器、路由器和傳感器節(jié)點(diǎn)組成。其中協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的核心，由它控制網(wǎng)絡(luò)的組建，監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，因此它需要分配大量的存儲空間，完成網(wǎng)絡(luò)初始化、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制等功能；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)相連［5-6］，通過PC機(jī)串口來傳遞相應(yīng)信息。其余節(jié)點(diǎn)都是功能不同的傳感器，擔(dān)負(fù)采集各類環(huán)境參數(shù)，并將收集到的信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器起著橋梁作用連接著路由器和PC機(jī)。協(xié)調(diào)器的電路圖如圖2所示。

圖2中使用CC2530作為主體芯片，因為自帶rf模塊使用方便，但是由于使用范圍的限制，設(shè)計時加上CC2591做功放模塊使其使用范圍更廣。使用了MAX232芯片做USB與串口的轉(zhuǎn)換連接，通過串口的RXD與TXD連接CC2530的P02與P03口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，RST連接P04用來檢測是否進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。使用TPS76933芯片做電源的穩(wěn)壓芯片，TPS76933通過對電壓的轉(zhuǎn)換給芯片提供合適的電壓供電。74LS273做I/O口的擴(kuò)展功能，每個IC可擴(kuò)展8個i/o口，可根據(jù)自己的需求選擇需要擴(kuò)展的i/o口［7-8］。系統(tǒng)使用時間久了以后可能會出現(xiàn)一些小問題，設(shè)置了RESET模塊，可以使CC2530芯片復(fù)位。CC2530芯片引腳XOSC_Q1、XOSC_Q2連接32 MHz晶振，P2_3與P2_4連接32 kHz晶振，使用兩個晶振是同時建立了系統(tǒng)時鐘和實時時鐘，可以更好的確保系統(tǒng)的實時性。

圖2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路圖Fig.2 Circuit of coordinator node

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計

由于傳感器節(jié)點(diǎn)要長時間工作，所以為了降低功耗，減少了傳感器節(jié)點(diǎn)上的功能，使其只負(fù)責(zé)信息的采集和中轉(zhuǎn)，將傳感器采集到的信息往協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳送［9-12］。因此傳感器節(jié)點(diǎn)只保留了CC2530芯片，TPS76933芯片構(gòu)成的電源模塊、CC2591芯片構(gòu)成的功放模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。各類傳感器采用各類信號監(jiān)測的防盜監(jiān)測模塊（采用LIS3L02AS4傳感器）、火災(zāi)監(jiān)測模塊（采用DS18b20芯片）、燃?xì)庑孤┍O(jiān)測模塊（采用天然氣傳感器MD61、一氧化碳傳感器MQ-7）、人體紅外監(jiān)測模塊（采用RE200b傳感器加BIS0001處理芯片）等，傳感器經(jīng)過調(diào)制器將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成I/O信號發(fā)送到發(fā)送器DAC［13-15］。解調(diào)器從收到的信號中檢索無線數(shù)據(jù)。頻率合成器為無線電信號產(chǎn)生載波信號，往上位節(jié)點(diǎn)傳送。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of sensor node

3 軟件的設(shè)計

3.1 主程序的設(shè)計

主程序主要有路由器、傳感器節(jié)點(diǎn)程序和協(xié)調(diào)器程序兩部分。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序：首先通過對CC2530芯片進(jìn)行初始化將內(nèi)部數(shù)據(jù)信號歸零，然后對協(xié)議棧進(jìn)行初始化防止之前使用過的程序影響當(dāng)前任務(wù)，之后建立新的局域網(wǎng)，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)的ID號和頻道號，然后系統(tǒng)進(jìn)入檢測狀態(tài)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)新的設(shè)備申請加入局域網(wǎng)時，則為新設(shè)備配置不同的網(wǎng)絡(luò)地址，并且允許設(shè)備加入。當(dāng)協(xié)調(diào)器收到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的信息，通過USB數(shù)據(jù)線或者數(shù)據(jù)串口發(fā)送給PC機(jī)，或者從PC機(jī)得到命令，發(fā)送給傳感器節(jié)點(diǎn)。

而路由器、傳感器節(jié)點(diǎn)程序，同樣對CC2530與協(xié)議棧按先后順序進(jìn)行初始化。系統(tǒng)初始為檢索狀態(tài)，系統(tǒng)搜索附近的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時，申請加入。若無網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)為了減少電能的消耗就進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)有信息發(fā)送，或者接收到協(xié)調(diào)器的命令，則自動從休眠狀態(tài)恢復(fù)到工作狀態(tài)處理命令。當(dāng)處理完命令后，系統(tǒng)重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。樓宇監(jiān)測系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)及工作過程如圖1（b）所示。

3.2 節(jié)點(diǎn)通信識別協(xié)議的設(shè)計

1）幀頭高字節(jié)和幀頭低字節(jié)分別使用宏定義指定，這樣方便修改，

#define FRM_H0XAA

#define FRM_L0XBB

2）用于指示接收數(shù)據(jù)的位置，定義一個變量Rx_POS，定義一個變量Rx_Num用于指示要接收數(shù)據(jù)的長度。

unsigned char Rx_POS；

unsigned char Rx_Num；

3）接收到完整幀標(biāo)志位、接收到幀頭標(biāo)志位、

bit RXFRMOK；//接收到完整幀標(biāo)志位

bit RXFHOK； //接收到完整幀頭標(biāo)志位

4）接收的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

unsinged char RXFH［3］；

unsigned char RX_BUF［32］；

傳輸完數(shù)據(jù)后RI置1獲得中斷請求，Rx_Da?ta=SBUF讀取串口緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，RI=0清除串口中斷請求。如果沒有接收到完整幀且沒有接收到幀頭則先通過移位操作再將緩沖區(qū)內(nèi)容與幀頭進(jìn)行比較，將幀頭數(shù)組里的數(shù)據(jù)往前移一位把幀頭數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換通過下面的程序RXFH［0］=RXFH［1］；RXFH［1］=RXFH［2］；RXFH［2］=Rx_Data；

如果下式成立 if（（RXFH［0］==FRM_H）&&（RXFH［1］==FRM_L））即表示幀頭正常接受那么將正常接收到幀頭標(biāo)志位置1，并且將數(shù)據(jù)長度賦值到Num內(nèi)，退后接受完數(shù)據(jù)跳出到TI清零的地方。

如果接受到了完整的幀那么直接進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，并且對接收的數(shù)據(jù)長度進(jìn)行判斷，確保數(shù)據(jù)接收沒有出現(xiàn)錯誤。之后對幀頭標(biāo)志位置一，并且對幀進(jìn)行清零操作，最后跳出中斷。

具體程序如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議流程圖Fig.4 Flowchart of node communication protocol

4 測試及分析

為了檢測設(shè)計的樓宇監(jiān)測系統(tǒng)是不是能正常運(yùn)行，并且把信號傳送到上位機(jī)，根據(jù)圖1（a）所示的硬件結(jié)構(gòu)并加上設(shè)計的通信協(xié)議，對所設(shè)計的樓宇監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行測試。

上位機(jī)操作界面如圖5所示，使用組態(tài)王進(jìn)行模擬實驗，在上位機(jī)程序中從電腦可以看到各個傳感器是否處于正常狀態(tài)，如溫度，煙霧等。當(dāng)傳感器發(fā)生異常時，系統(tǒng)能夠及時并準(zhǔn)確的提供警報。圖5中用戶1出現(xiàn)了火災(zāi)報警，用戶3出現(xiàn)了防盜報警。

圖5 上位機(jī)控制界面Fig.5 Control interface of upper computer

5 結(jié) 語

智能樓宇監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r對樓宇設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。系統(tǒng)使用CC2591對無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍進(jìn)行了擴(kuò)大，通過建立ZigBee無線傳感網(wǎng)將樓宇的各種設(shè)備聯(lián)系在一起，使用特定的傳感器對樓宇各個位置的設(shè)備以及環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)控，然后將得到的溫度、耗電量以及光照強(qiáng)度等信息通過特定的通信協(xié)議上傳給上位機(jī)，上位機(jī)將得到的參數(shù)來優(yōu)化相關(guān)設(shè)備的使用，所設(shè)計的系統(tǒng)實現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器模塊的無線數(shù)據(jù)傳輸，以及對設(shè)備使用范圍的加強(qiáng)。最后對此系統(tǒng)進(jìn)行測試。經(jīng)測試，此系統(tǒng)能夠?qū)Υ髽菍嵭袑崟r的監(jiān)測，并且網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大，不需太多的路由設(shè)備就能覆蓋大樓，但還可以在傳感器的靈敏度以及控制程序的智能程度上進(jìn)行優(yōu)化。

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