基于單片機(jī)技術(shù)的無線智能報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

摘要：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在智能家居系統(tǒng)中，無線智能報(bào)警系統(tǒng)越來越受到人們的青睞。無線智能報(bào)警系統(tǒng)能夠在家庭發(fā)生緊急情況時(shí)發(fā)出警報(bào)聲，讓人們及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理緊急情況，保障家庭安全。基于單片機(jī)技術(shù)的無線智能報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不僅能夠降低成本，還能提高其穩(wěn)定性并保障整體更為安全。本文由單片機(jī)技術(shù)視域出發(fā)，就其中涉及的無線智能報(bào)警系統(tǒng)做出相關(guān)闡述，針對(duì)無線智能報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略提出了相關(guān)建議，以期為后續(xù)優(yōu)化無線智能報(bào)警器性能貢獻(xiàn)力量。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；無線；智能報(bào)警系統(tǒng)；設(shè)計(jì)探究

智能報(bào)警系統(tǒng)的無線技術(shù)分為藍(lán)牙技術(shù)和Zig-Bee技術(shù)。現(xiàn)在最好的藍(lán)牙芯片是CC2541，此芯片屬低能耗且私有2.4GHz功率真正片載系統(tǒng)，但是其無線傳輸距離不能滿足較遠(yuǎn)距離的報(bào)警。Zig-Bee技術(shù)使用CC2530芯片，其有一個(gè)IEEE802.15.4兼容無線收發(fā)器，且該芯片結(jié)合了先進(jìn)的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能和增強(qiáng)型8051CPU的強(qiáng)大功能，可以以低功耗實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的無線通信。

本文設(shè)計(jì)了基于Zig-Bee的無線智能報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有能耗低、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，還具有無線智能化報(bào)警功能。

一、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)技術(shù)的無線智能報(bào)警系統(tǒng)主要由無線傳輸模塊、無線發(fā)射模塊、無線接收模塊和顯示模塊組成。該系統(tǒng)能夠?qū)抑械那闆r進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)情況，即可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息，從而保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。在無線傳輸模塊中，通過串口與單片機(jī)相連，同時(shí)對(duì)單片機(jī)的命令進(jìn)行處理和傳輸，最終將報(bào)警信息傳輸給報(bào)警接收模塊。無線發(fā)射模塊是該系統(tǒng)最重要的組成部分，其主要功能是將接收到的警報(bào)信息進(jìn)行處理和分析，最終通過單片機(jī)對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行判斷，并確定是否需要發(fā)送警報(bào)信息給相關(guān)人員。智能報(bào)警系統(tǒng)中的無線發(fā)射模塊原理結(jié)構(gòu)等內(nèi)容如圖1、圖2所示。當(dāng)溫度傳感器測得的溫度超過上限或者人體感應(yīng)模塊感應(yīng)到有人經(jīng)過時(shí)，CC2530芯片產(chǎn)生信號(hào)，由無線發(fā)射電路發(fā)射出去。當(dāng)無線接收電路接收到信號(hào)，經(jīng)CC2530芯片處理后由顯示設(shè)備顯示出當(dāng)前周圍溫度或提示有人經(jīng)過。

在該系統(tǒng)中，控制裝置主要包括電源開關(guān)、蜂鳴器、聲光報(bào)警器、鍵盤、顯示器等。當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，控制裝置能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。當(dāng)傳感器檢測到危險(xiǎn)情況時(shí)，能夠?qū)z測結(jié)果傳輸給單片機(jī)和報(bào)警接收模塊。當(dāng)單片機(jī)和報(bào)警接收模塊判斷出危險(xiǎn)情況后，會(huì)利用蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲進(jìn)行報(bào)警處理。同時(shí)，控制裝置還能夠?qū)?bào)警信息發(fā)送給其他相關(guān)人員，以便其及時(shí)處理緊急情況。在顯示模塊中主要包括 LCD液晶顯示屏和數(shù)碼管顯示屏等；控制模塊主要包括鍵盤、顯示器、單片機(jī)、無線通信模塊等。該系統(tǒng)還需要設(shè)計(jì)鍵盤、顯示器和無線通信模塊等的電路部分。

二、無線報(bào)警器

無線報(bào)警器主要由接收裝置、發(fā)射裝置、信號(hào)處理電路和電源電路等組成。其中，接收裝置主要由紅外接收頭、光電轉(zhuǎn)換裝置、報(bào)警控制電路及信號(hào)處理電路等組成。而發(fā)射裝置主要由微控制器和功率放大器組成，其工作原理是：當(dāng)家里有小偷或竊賊入侵時(shí)，微控制器會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)功率放大器會(huì)將信號(hào)放大并傳輸給接收裝置，如果小偷或竊賊離開了現(xiàn)場，那么報(bào)警器就不會(huì)發(fā)出警報(bào)聲。同時(shí)，為了便于人們識(shí)別報(bào)警信息和緊急情況類型，接收裝置還需要配置顯示屏，將報(bào)警信息顯示出來。接收裝置與發(fā)射裝置之間的通信方式有無線傳輸、有線傳輸和有線+無線混合傳輸?shù)葞追N。

（一）無線傳輸

無線傳輸是指利用無線電信號(hào)進(jìn)行信息傳輸，這種通信方式的優(yōu)點(diǎn)是使用方便、成本較低。在無線傳輸過程中，一旦出現(xiàn)信息傳輸錯(cuò)誤，就會(huì)導(dǎo)致報(bào)警系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。另外，在無線傳輸過程中，由于無線信號(hào)傳播距離有限，如果想要擴(kuò)大傳播范圍就必須使用中繼器。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于中繼器需要占用一定的空間資源，同時(shí)在使用過程中還存在一定的安全隱患，需要對(duì)中繼器進(jìn)行合理的選擇。因此，本文的設(shè)計(jì)采用了以下兩種無線傳輸方式：1.射頻無線傳輸。在射頻無線傳輸過程中，當(dāng)接收裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)后，需要將信號(hào)調(diào)制成特定頻率的信號(hào)，然后通過天線發(fā)射出去。2.無線網(wǎng)絡(luò)。在無線網(wǎng)絡(luò)通信過程中，接收裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)后，可以同步將報(bào)警信息發(fā)送到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)，也可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（二）有線傳輸

有線傳輸是指將裝置經(jīng)由電纜線或網(wǎng)絡(luò)線路連接起來，以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的一種技術(shù)方法。在安全保護(hù)領(lǐng)域、在視頻監(jiān)控、報(bào)警等方面，電纜傳輸被廣泛應(yīng)用。與無線傳輸相比，有線通信具有更大的優(yōu)勢，即信號(hào)穩(wěn)定可靠。同時(shí)，有線傳輸適用于長距離傳送，能保證信號(hào)的品質(zhì)與穩(wěn)定，且不會(huì)因?yàn)榫嚯x太遠(yuǎn)而造成信號(hào)損耗。所以，在對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴⒎€(wěn)定性要求較高的領(lǐng)域，如安全保護(hù)領(lǐng)域，適宜采用有線傳輸?shù)姆绞健？傊?，有線傳輸是安全防護(hù)系統(tǒng)中不可或缺的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它可為安全信息的傳遞提供可靠的保障，有助于保證整個(gè)安全系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)與對(duì)險(xiǎn)情的有效監(jiān)測。

三、緊急報(bào)警器的硬件設(shè)計(jì)

緊急報(bào)警器的硬件主要包括三個(gè)部分：報(bào)警電路、顯示電路和控制電路。報(bào)警電路主要包括蜂鳴器和撥號(hào)鍵盤。蜂鳴器是緊急報(bào)警器的核心，其工作原理是，當(dāng)人們按下報(bào)警按鈕時(shí)，蜂鳴器便會(huì)發(fā)出刺耳的聲音。通過對(duì)蜂鳴器的控制，能夠及時(shí)提醒相關(guān)人員處理緊急情況。當(dāng)緊急情況解除后，警報(bào)信號(hào)便會(huì)自動(dòng)消失；顯示電路主要包括顯示屏和 LED指示燈；控制電路主要包括定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器和電源管理模塊。控制電路主要用于連接單片機(jī)與外部設(shè)備。A/D轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和存儲(chǔ)。當(dāng)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生后，A/D轉(zhuǎn)換器會(huì)將其傳輸給單片機(jī)處理和儲(chǔ)存，并以數(shù)字形式呈現(xiàn)出來，供人們查看。

（一）報(bào)警電路

緊急報(bào)警器的報(bào)警電路由蜂鳴器和撥號(hào)鍵盤兩個(gè)部分組成。當(dāng)人們按下報(bào)警按鈕后，蜂鳴器便會(huì)產(chǎn)生蜂鳴脈沖，并將報(bào)警脈沖信號(hào)傳遞給單片機(jī)。單片機(jī)接收到信號(hào)后，會(huì)將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并通過顯示屏顯示出來。撥號(hào)鍵盤是緊急報(bào)警器的外部接口，其主要是為了實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信。同時(shí)，撥號(hào)鍵盤還能對(duì)緊急情況進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)人們按下報(bào)警按鈕時(shí)，撥號(hào)鍵盤便會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的蜂鳴脈沖信號(hào)，并將其傳輸給單片機(jī)，之后的報(bào)警路徑與原理，與蜂鳴器相同。在設(shè)計(jì)緊急報(bào)警器時(shí)需要注意以下問題：首先，必須確保蜂鳴器和撥號(hào)鍵盤之間的距離適中；其次，蜂鳴器和撥號(hào)鍵盤的位置要相對(duì)固定；最后，蜂鳴器和撥號(hào)鍵盤都應(yīng)設(shè)置為雙電源供電模式。這樣既能有效保證緊急報(bào)警器的安全性和穩(wěn)定性，又能提高其工作效率[2]。

（二）顯示電路

顯示電路主要包括顯示屏和 LED指示燈，其中顯示屏由6個(gè) LED組成。顯示屏顯示內(nèi)容由蜂鳴器的報(bào)警內(nèi)容和時(shí)間設(shè)定的報(bào)警時(shí)間兩部分組成。其中，蜂鳴器的報(bào)警內(nèi)容主要有：緊急情況發(fā)生、火災(zāi)、煤氣泄漏、燃?xì)庑孤┑?，而時(shí)間設(shè)定則包括：“30秒”“10分鐘”和“5分鐘”等。其中，“30秒”是指報(bào)警時(shí)間的最后30秒，“10分鐘”是指報(bào)警時(shí)間的最后10分鐘，“5分鐘”是指報(bào)警時(shí)間的最后5分鐘。同時(shí)，在顯示屏上還可以設(shè)置多個(gè)按鍵。按鍵功能主要與蜂鳴器對(duì)應(yīng)。當(dāng)按鍵按下后，蜂鳴器便會(huì)發(fā)出刺耳的聲音，提醒人們及時(shí)處理緊急情況。當(dāng)按鍵被取消后，蜂鳴器便會(huì)自動(dòng)停止鳴響。在顯示屏上設(shè)置多個(gè)按鍵，主要是為了方便人們根據(jù)不同的緊急情況選擇不同的按鍵，從而達(dá)到及時(shí)處理緊急情況的目的。

（三）控制電路

首先，當(dāng)緊急情況發(fā)生后，報(bào)警電路會(huì)發(fā)出蜂鳴脈沖，警示人們及時(shí)處理緊急情況。為了減少電路中的能量損耗，將蜂鳴器接入單片機(jī)的P1.0口。由于P1.0口是低電平，當(dāng)蜂鳴器接收信號(hào)后，其輸出會(huì)變高，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生蜂鳴器脈沖。其次，A/D轉(zhuǎn)換器將蜂鳴器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將其儲(chǔ)存在單片機(jī)中。最后，為了保證電源的使用壽命，其需要將電源管理模塊接入到P1.6口。此外，控制電路中的定時(shí)器與單片機(jī)連接時(shí)需要注意：當(dāng)定時(shí)器時(shí)間小于等于0的時(shí)候，其不能輸入數(shù)字信號(hào)；當(dāng)定時(shí)器時(shí)間大于等于0的時(shí)候，其能夠輸入數(shù)字信號(hào)[3]。

四、軟件設(shè)計(jì)

智能報(bào)警系統(tǒng)軟件使用嵌入式IAR Embedded Workbench OSAL開發(fā)環(huán)境。IAR是一個(gè)非常有效的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），它能使用戶充分地開發(fā)并管理嵌入式應(yīng)用工程。發(fā)送模塊與接收模塊都需要依托于識(shí)別模塊地址連接而完成，其中發(fā)送模塊地址為：SHOR_TADDR0=0x50;SHORT_ADDR1=0x20；接收模塊地址：SHORT_ADDR0=0xEF：SHORT_ADDR1=0xBE。發(fā)送模塊發(fā)送過程如下：初始化程序，使主時(shí)鐘晶振工作在32MHz，配置LED、繼電器、按鍵、溫度傳感器模塊、人體感應(yīng)模塊等各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)外部中斷，構(gòu)建工作信道，使接收緩沖器得到有效清空，同時(shí)行使接收功能。再發(fā)送模塊網(wǎng)址，使各方建立通信連接；在溫度過高而超過安全值時(shí)，無線裝置將發(fā)送溫度警報(bào)；當(dāng)檢測到人體移動(dòng)時(shí)，將安防報(bào)警命令無線發(fā)送出去。接收模塊接收過程如下：初始化程序，使主時(shí)鐘晶振工作在32MHz，配置LED、蜂鳴器和繼電器，構(gòu)建工作信道，以此采集命令與地址；在溫度警報(bào)與安防警報(bào)等指令順利傳達(dá)后，工作人員需要依照命令做好對(duì)應(yīng)處理工作。

（一）系統(tǒng)性能需求分析

獨(dú)立式無線報(bào)警器在系統(tǒng)中的監(jiān)控面積相對(duì)較大，一般情況下單體可達(dá)60—80平方米?；馂?zāi)監(jiān)控則需要依據(jù)《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50116-98）中的要求確定，保障響應(yīng)值不高于0.15dBm。報(bào)警訊息完成傳達(dá)后，系統(tǒng)整體的響應(yīng)時(shí)間需要控制在3秒內(nèi)，同時(shí)需要兼顧接收終端可能存在的延遲等各類情況，保障最長響應(yīng)時(shí)間在10秒內(nèi)。以單片機(jī)技術(shù)為依托的無線智能報(bào)警系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行環(huán)境也有一定要求，最佳運(yùn)行環(huán)境為-10℃至+50℃之間，相對(duì)濕度需要控制在 95%以內(nèi)。獨(dú)立式報(bào)警器的最佳運(yùn)行環(huán)境氣溫為-10℃至+80℃，相對(duì)濕度也需要控制在95%以內(nèi)。且系統(tǒng)正常運(yùn)行的時(shí)間段需要保持至少3個(gè)月。系統(tǒng)硬件自身存在初始化與自我檢查等功能，上電后需要保障同步排除硬件故障，同時(shí)能對(duì)軟件存在的漏洞做出自主修復(fù)[4]。報(bào)警數(shù)據(jù)則需要提升保密性，確保傳輸環(huán)節(jié)不被竊取，因此應(yīng)當(dāng)選擇特定接收端負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，保障外部網(wǎng)絡(luò)禁止訪問或修改信息。

（二）兼容性與擴(kuò)展性要求

依托于單片技術(shù)支持的無線智能報(bào)警系統(tǒng)需要在連接不同終端設(shè)備時(shí)配置對(duì)應(yīng)接口，保障不同數(shù)據(jù)在終端設(shè)備與子系統(tǒng)之間順利傳輸。同時(shí)也需要兼顧系統(tǒng)整體安全，為數(shù)據(jù)設(shè)置獨(dú)立局域網(wǎng)。而針對(duì)獨(dú)立式無線報(bào)警器則需要配置對(duì)應(yīng)的模塊安裝接口，用戶依照應(yīng)用需求自主選擇并完成安裝。

（三）故障處理要求

當(dāng)無線智能報(bào)警器為獨(dú)立式時(shí)，裝置自身可實(shí)現(xiàn)按鍵復(fù)位，用戶可自主清除其中的報(bào)警狀態(tài)。在系統(tǒng)處于報(bào)警狀態(tài)時(shí)，用戶僅需二次按壓復(fù)位按鍵即可使系統(tǒng)恢復(fù)初始情況。用戶還可以通過現(xiàn)場集中控制器上的TFT觸摸顯示屏上的“報(bào)警消除”選項(xiàng)來進(jìn)行系統(tǒng)的初始化[5]。最后，監(jiān)控終端也可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)對(duì)獨(dú)立式無線智能報(bào)警器和現(xiàn)場集中控制器進(jìn)行復(fù)位操作。

五、結(jié)束語

基于單片機(jī)技術(shù)的無線智能報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)的重要組成部分。本文對(duì)基于單片機(jī)技術(shù)的無線智能報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了分析和研究，并提出了無線智能報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，希望該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能進(jìn)一步提高無線智能報(bào)警器的性能。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的生活水平得到了顯著提升，人們對(duì)生活品質(zhì)也提出了更高要求。基于單片機(jī)技術(shù)的無線智能報(bào)警系統(tǒng)，不僅能提高人們生活質(zhì)量，還能使家庭安全得到保障。

作者單位：蔣莉莉 泰州技師學(xué)院

參考文獻(xiàn)

[1]閔軍.基于單片機(jī)技術(shù)的無線智能報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，2019.

[2]黃飛，彭建英.基于單片機(jī)的無線智能報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2016，（06）：174-175+177.

[3]禹謝華.基于單片機(jī)的新型智能家居無線雙道報(bào)警系統(tǒng)WDAS的設(shè)計(jì)[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，45（05）：691-693.

[4]褚寧.淺析基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的無線遙控技術(shù)[J].科技創(chuàng)業(yè)家，2014，（07）：89.

[5]羅永剛，邢雪寧，高沛.基于單片機(jī)的智能紅外無線報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2013，（01）：60-62.