基于無線網(wǎng)絡(luò)的智能家居安防系統(tǒng)

李子云

(東南大學(xué)吳健雄學(xué)院，南京210096)

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平提高到一個新的層次，對生活環(huán)境的要求越來越高。正在興起的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居使人們逐漸邁入以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化為平臺的智能化社會［1-2］。安防系統(tǒng)是智能家居中的一個重要組成部分［3］。目前它正朝著前端一體化、視頻數(shù)字化、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)集成化的方向發(fā)展。

利用 GPRS 技術(shù)［4］、嵌入式技術(shù)［5-6］及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［7-8］、傳感器技術(shù)［9］、數(shù)字視頻［10］技術(shù)等，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)。利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)布點方便的優(yōu)勢，覆蓋用戶住宅，節(jié)點由無線模塊、環(huán)境監(jiān)測傳感器及外圍器件組成。由主控節(jié)點進(jìn)行控制，在發(fā)現(xiàn)警情后拍攝現(xiàn)場，并將圖像信息及警情信息發(fā)送至主控節(jié)點。主控節(jié)點利用GPRS模塊遠(yuǎn)程通知用戶手機(jī)。同時，用戶可以通過手機(jī)或互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對所屬節(jié)點進(jìn)行相應(yīng)控制。實踐表明，該智能家居系統(tǒng)具有成本低、功耗低、布點方便等特點，有很強(qiáng)的推廣價值和廣闊的市場前景。

2 系統(tǒng)設(shè)計

基于CC1101的無線物聯(lián)網(wǎng)智能家居安防控制系統(tǒng)由主控節(jié)點及分節(jié)點構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)所組成，如圖1所示。

系統(tǒng)由主控節(jié)點及各分節(jié)點構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)組成。主控節(jié)點主要完成對分節(jié)點的控制及人機(jī)交互功能，由GPRS模塊、ARM主控模塊、按鍵模塊、彩屏模塊、SD卡模塊、CC1101無線模塊等組成。分節(jié)點主要完成對發(fā)生警情的現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控功能，根據(jù)需要配備門磁傳感器、煤氣探測器、紅外傳感器等設(shè)備，感知警情的發(fā)生，再控制攝像頭模塊對現(xiàn)場拍攝，由CC1101模塊完成圖像數(shù)據(jù)的傳輸。主控節(jié)點收到數(shù)據(jù)后由GPRS模塊將圖片發(fā)送至用戶手機(jī)對現(xiàn)場進(jìn)行確認(rèn)。系統(tǒng)預(yù)留了Internet接口，使得用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)進(jìn)行控制。系統(tǒng)預(yù)留了智能家居控制接口，使系統(tǒng)可以實現(xiàn)智能家居功能。

圖1 無線物聯(lián)網(wǎng)智能家居安防系統(tǒng)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

由于系統(tǒng)需要處理數(shù)字圖像及相關(guān)無線通訊等大量的數(shù)據(jù)，因此，系統(tǒng)選取由意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于32位處理器芯片STM32F103XX增強(qiáng)型。該系列內(nèi)最大具有256KB FLASH及48KB RAM，片上集成 D/A、PWM、CAN、USB、SPI等接口。

為了完成無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)大量數(shù)據(jù)的傳輸，系統(tǒng)采用TI公司的高性能低功耗CC1101無線通信芯片，其最大傳輸數(shù)率達(dá)500kbps，靈敏度達(dá)到-110dBm。CC1101與微處理器間僅需6條接口線，SCLK，SO，SI，CSN組成 SPI接口與處理器通信，GDO0與GDO2主要完成FIFO狀態(tài)信號輸出，與處理器IO連接采用中斷方式獲得CC1101狀態(tài)信息，電路如圖2所示。

圖2 CC1101模塊電路圖

為了實現(xiàn)方便的人機(jī)交互功能，系統(tǒng)配置了2.8寸TFT彩屏模塊及小鍵盤，2.8寸TFT彩色液晶屏采用ILI9325驅(qū)動，支持320×240分辨率，同時內(nèi)置173KB的RAM，電源為2.8V-3.3V，背光電源最高3.2V，可與控制器直接連接，兼容8/16位數(shù)據(jù)接口，使用控制器的 IO口模擬16位數(shù)據(jù)總線與ILI9325通信。為有效去除鍵盤抖動，高效利用芯片資源而采用ZLG7290A模塊，可連接多達(dá)64鍵的鍵盤接口，具有雙擊互鎖、去抖處理等功能。I2C串行通信協(xié)議，與控制器接口線僅需4條，支持中斷輸出。GPRS功能采用華為公司生產(chǎn)的高性能高穩(wěn)定工業(yè)級GPRS模塊GTM900，它支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令及增強(qiáng)的AT命令，通過UART接口與外部CPU通信，主要能實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線發(fā)送和接收、基帶處理、音頻處理等功能，電路如圖3所示。

圖3 GPRS模塊電路

同時，為防止意外情況突然斷電而為系統(tǒng)設(shè)計備用電池模塊，備用電池通過二極管連接STM32的VBAT引腳，有效防止電池反充。為將每日監(jiān)控的數(shù)據(jù)存儲，供日后備份，系統(tǒng)設(shè)計SD卡模塊，使用STM32自帶SPI接口實現(xiàn)控制SD卡讀寫，最大讀寫速度達(dá)到2M/S，使用CLK控制時鐘信號，MOSI與MISO引腳控制數(shù)據(jù)傳輸，CS引腳控制SD卡使能，各引腳連接20K上拉電阻完成SD卡控制功能。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信功能，本系統(tǒng)采用狀態(tài)機(jī)機(jī)制控制無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點運行狀態(tài)。無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點狀態(tài)分為休眠狀態(tài)、等待狀態(tài)、運行狀態(tài)。節(jié)點進(jìn)入休眠狀態(tài)后依靠現(xiàn)場各傳感器信號激活，進(jìn)入運行狀態(tài)對現(xiàn)場監(jiān)控。并進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)將監(jiān)控狀況發(fā)送給主控節(jié)點，而主控節(jié)點如果處于“繁忙”狀態(tài)時，將會使無線節(jié)點處于等待狀態(tài)，處于等待狀態(tài)的無線節(jié)點會由于主控節(jié)點的主動調(diào)用而處于運行狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示。

主控節(jié)點平時處于空閑狀態(tài)，每隔一段時間將進(jìn)入自檢狀態(tài)，向監(jiān)控的子節(jié)點發(fā)送問詢指令。子節(jié)點收到指令將向主控節(jié)點應(yīng)答以確保子節(jié)點仍處于監(jiān)控狀態(tài)，否則將向用戶發(fā)出警報信息告知監(jiān)控區(qū)域出現(xiàn)盲點。由于用戶按下鍵盤、手機(jī)通信、子節(jié)點出現(xiàn)警情等事件，主控節(jié)點將處于運行狀態(tài)。多個事件同時請求時，將事件分為不同優(yōu)先級，優(yōu)先處理高優(yōu)先級事件，將其他事件屏蔽。分節(jié)點訪問主控節(jié)點而無應(yīng)答時，開啟載波檢測功能，載波存在表明主控節(jié)點在與其他節(jié)點通信，則隔一段時間后再次請求通信。

圖4 無線網(wǎng)絡(luò)分節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

5 結(jié)束語

設(shè)計了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的智能家居安防控制系統(tǒng)。利用無線網(wǎng)絡(luò)容易布點的優(yōu)勢代替有線安防系統(tǒng)對區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，由資源豐富的STM32系列單片機(jī)對無線節(jié)點控制，因而利于監(jiān)控參數(shù)后期擴(kuò)展。利用主控節(jié)點對分節(jié)點進(jìn)行控制，為此設(shè)計了彩屏、GPRS、鍵盤等與用戶交互的工具，使系統(tǒng)操作簡單方便。實踐表明系統(tǒng)低成本，性能穩(wěn)定，易于擴(kuò)展，有廣闊的市場前景。

［1］ Guy Dewsbury.The social and psychological aspects of smart home technology within the care sector［J］.New Technology in Human Services，2001，14(1):9-17.

［2］ Guangming song，F(xiàn)ei Ding，Weijuan Zhang，et al.Awireless Power Outlet System for Smart Homes［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2008，54(4):1688-1691.

［3］ 熊慧萍，陳發(fā)堂，陳東生，等.家居安防系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(24):40-42.

［4］ 陳琦，丁天懷，李成，等.基于GPRS/GSM的低功耗無線遠(yuǎn)程測控終端設(shè)計［J］.清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，49(2):223-225.

［5］ 傅振.嵌入式遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.杭州:浙江大學(xué)，2007.

［6］ 胥靜.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)實例講解［M］.北京:北京航天航空大學(xué)出版社，2005.

［7］ 黎洪生，劉蘇敏，胡冰，等.基于無線通信網(wǎng)路的智能路燈節(jié)能系統(tǒng)［J］.計算機(jī)工程，2009，35(14):190-191.

［8］ 孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［8］ 屈玉貴，翟羽佳，藺智挺，等.一種新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器放置模型［J］.北京郵電大學(xué)學(xué)報，2004，27(6):14-17.

［10］ 黎洪松.數(shù)字視頻處理［M］.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2006.