基于ARM和WSNs的智能家居安防系統設計

楊 靖 林 益 李捍東

(貴州大學電氣工程學院1，貴州 貴陽 550025;貴州民族學院理學院2，貴州 貴陽 550025)

0 引言

隨著社會信息化程度的提高，人們越來越關注如何擁有安全、方便和舒適的家居環境，即智能家居［1］。由于安全是智能家居需要考慮的的首要因素，因此，家居安防系統是當前的研究熱點［2－5］。

在傳統的家居安防系統中，信息的傳送主要分為有線和長距離無線兩種方式。有線方式存在安裝調試復雜，且線路一經部署更改困難等不足［4］。長距離無線方式主要是基于GSM或GPRS網絡進行數據傳送［5］。該方式的優點是地域局限性小，不足之處在于GPRS設備的電能消耗大，需使用專門的電源進行供電，且需要網絡使用費用，這都增加了系統的使用成本。因此，如何合理利用新技術構建一個通用的家居安防系統，并將各種家庭安防設備統一起來進行集中管理，是一個有待于進行深入研究的課題。

嵌入式技術以應用為中心，通過可裁剪的軟硬件以完成特定的功能，被廣泛應用在控制及通信領域。無線傳感器網絡(wireless sensor networks，WSNs)集合了微機電系統(micro-electro-mechanicalsystems，MEMS)、傳感測量技術和無線通信技術等多種學科的最新成果，是一門新興綜合性科學技術，被廣泛應用于環境監測等多個領域［6－8］。對此，本文運用嵌入式技術和無線傳感器網絡技術設計了一種智能家居安防系統，并研制了家庭總控制器、探測節點和執行節點。

1 系統整體結構及工作原理

家居安防系統采用的是以家庭總控制器為中心的星型網絡拓撲結構。整個系統采用2層結構，底層是部署在家居中的各種探測節點和執行節點，探測節點配置有傳感器，可完成所需的監測任務，在執行節點配置有報警設備，可進行聲光報警等操作;上層是家庭總控制器，負責監控所有探測節點和執行節點的工作，可通過觸摸屏實現人機交互。

該系統中的每個節點都配置有無線通信模塊，可通過自組織方式形成無線傳感器網絡，從而實現家居環境信息的傳送。當系統啟動后，用戶可通過人機交互界面，根據需要完成系統的初始設定，即對系統進行設防或撤防。網絡中所有探測節點和執行節點都需進行網絡注冊，以使家庭控制器確定家居中節點狀態和位置等信息。當探測節點監測到家居中的異常情況時，立即將信息通過無線方式(單跳或多跳方式)傳送到家庭總控制器和執行節點。總控制器判斷家居中何種何處節點發生異常，然后通過GPRS網絡以短信形式將報警信息通知用戶，從而實現對家居環境的智能化安全防護。

2 探測節點設計

家居安防系統結構如圖1所示。

圖1 家居安防系統結構圖Fig.1 Structure of home security system

探測節點的功能是對家居環境中的異常情況進行探測，并采集各種異常信息。探測節點主要由電源模塊、處理器模塊、無線通信模塊和探測模塊組成，其硬件結構如圖2所示。

圖2 探測節點硬件結構Fig.2 Hardware structure of detection node

2.1 處理器模塊及無線通信模塊

為簡化節點的硬件結構，選用了Nordic VLSI公司于2004年推出的無線單片機芯片nRF9E5［9］。該芯片內嵌8051兼容微處理器、RF收發器和4通道10位A/D轉換器，是真正的系統級芯片。

nRF9E5內置的RF收發器與nRF905芯片一樣，可工作于ShockBurst方式(可自動處理前綴和地址等)。nRF905可工作于433/868/915 MHz這3個ISM頻道(可以免費使用)，頻道轉換時間小于650 μs;采用GFSk調制，抗干擾能力強;支持多點通信，數據傳輸速率高達100 kbit/s;其內部寄存器的配置非常方便;具備發射信號載波監測功能，可有效降低功耗電流、避免數據沖突。需要注意的是，nRF9E5需要從外部存儲器加載執行程序，因此，應該配置相應的EEPROM存儲器。該設計中采用的EEPROM存儲器型號為25AA230，它通過SPI接口與微處理器交換數據。通過寄存器設置nRF905工作在433 MHz頻段。當nRF905接收到有效數據或檢測到周圍有載波信號時，可通過中斷的方式告知處理器，因此能加快模塊收發的響應速度。為提高節點的無線通信能力，選用了單端50 Ω天線，視距條件下射頻通信距離可達200 m左右。

2.2 探測模塊

家居安防系統需要完成的主要功能有煤氣泄漏探測、火警探測以及入侵報警等。為實現這些功能，需要選擇合適的傳感器。文中探測節點配置的傳感器主要有以下幾種。

①溫濕度傳感器

通過探測家居的溫度和濕度，可自動控制空調等設備工作，使用戶擁有更舒適的生活環境。本設計中選擇的溫度和濕度傳感器是瑞士SENSRION公司生產的SHT75。SHT75將溫度、濕度傳感器和總線接口均集成在一個芯片上，其供電電壓為3.3 V、溫度測量范圍為40～123.8℃、濕度測量范圍為0～100%，并內置有放大器、A/D轉換器和輸出接口，輸出信號為數字量，便于直接與微處理器相連。SHT75與nRF9E5的連接方式如圖3所示。

圖3 SHT75與nRF9E5的連接圖Fig.3 Connections between SHT75 and nRF9E5

②光照度傳感器

通過探測光照度，可自動執行關閉窗簾等操作。光照度傳感器采用的是TSL2561，它是一款支持I2C串行總線接口的數字光照強度傳感器。當它工作在2.7～3.5 V電壓下，能夠自動屏蔽 50Hz/60Hz光波。TSL2561包括2個光電探測器和1個A/D轉換器。其中一個光電監測器可探測可見光和紅外線，另一個則只能探測紅外線。這2個探測器相結合可以減小周圍環境紅外光造成的影響。芯片輸出信號為數字信號，便于直接與微處理器相連。

③煙霧傳感器

為了對家居系統中的火災或燃氣泄漏進行監測，選用了MQ-2和MQ-5型氣體傳感器，傳感器的供電電壓為5 V。

④熱釋電傳感器

家居安防系統很重要的一個功能就是及時發現非法入侵者。為了實現對家居的主動安防，需要對非法入侵進行檢測，并保證被監測區域(陽臺、門窗、過道等)置于傳感器的探測區域內。現有入侵檢測方法主要有熱釋電傳感器探測、雷達波探測、聲音探測、振動探測、音頻識別和視頻檢測等。相比之下，熱釋電傳感器能夠探測到紅外線輻射的變化，而家居安防中防入侵的對象一般是動物或人，他們的體溫一般是恒溫的，身體的紅外輻射容易被探測到［10］。綜合以上各因素并考慮傳感器成本，選擇熱釋電傳感器實施探測，應該是現有入侵檢測技術中較優的方案。

2.3 電源模塊

能量供應模塊提供節點正常工作所需的能量，為便于安裝使用，設計中采用的是可充電電池。考慮到nRF9E5的供電電壓為3.3 V，而有些傳感器的供電電壓為5 V左右，所以選用德州儀器的TPS76033作為電源芯片。該芯片的輸出電壓為3.3 V，最大輸出電流為50 mA。為了降低干擾，在輸入端或輸出端都接有相應的濾波電容。穩壓后，3.3 V電源對nRF9E5供電;5 V電源給熱釋電傳感器等供電。具體的電源電路如圖4所示。

圖4 電源電路圖Fig.4 Circuit of power supply

2.4 探測節點軟件設計

當系統啟動后，探測節點進行上電初始化，開啟探測模式，然后探測節點可進入休眠狀態，由節點配置的傳感器對家居進行探測。當探測到異常情況時，首先觸發探測節點，確定異常發生的位置;然后上報總控制器;最后由總控制器進行決策，確定是否將入侵信息發送給用戶。

探測節點在發送數據之前，首先判斷CD是否為1，如果CD=1，則表明空間存在有相同頻率的載波，在產生一個隨機等待時間后，繼續檢測大氣中是否存在相同頻率的載波;如果CD不為1，則開始傳送數據。探測節點的軟件流程如圖5所示。

圖5 探測節點流程圖Fig.5 Software flowchart of detection node

2.5 低功耗設計

由于探測節點采用電池供電，而節點最耗能的工作是通過無線方式發送或接收數據［11］，因此可將無線收發器設置為關閉狀態，以降低能耗(此時傳感器模塊需處于工作狀態)。

降低功耗的具體方法為:探測節點的信息，實施觸發式發送，即當傳感器探測到家居環境的異常變化時，才觸發探測節點進入中斷模式，并將異常信息進行上報。通過采用觸發式探測，可以大量減少探測節點的能量消耗。為了更好地利用資源，在系統中采用載波監聽多路訪問(carrier sense multiple access，CSMA)這種爭用型介質訪問控制協議。該協議具有實現簡單、不需要集中控制的優點，適用于各種網絡系統。

為了進一步降低節點能耗，還可通過系統的撤防節約節點能量，即對紅外、煙感等探頭進行設置。主人在家時可撤防，使探頭減少頻繁動作，在延長使用壽命的同時節約節點能量。

3 執行節點設計

3.1 執行節點硬件設計

執行節點的功能是執行聲光報警等工作。該系統選用的語音芯片是廣州市唯創科技有限公司生產的WTV020-20S，芯片供電電壓為2.5 ～3.5 V。揚聲器選用的是普通的有源音箱，用于播放簡單的報警聲。鑒于音箱的功耗較高，文中執行器節點采用了“市電-蓄電池”聯合供電方案。

3.2 執行節點軟件設計

執行節點的軟件流程如圖6所示。

圖6 執行器節點軟件流程圖Fig.6 Software flowchart of actuator node

4 家庭總控制器設計

家庭總控制器的功能是對整個系統的工作狀態進行監控，需進行人機交互、收集底層網絡數據和協調網絡節點等操作。考慮到這些功能對總控制器的軟硬件平臺有較高要求，本設計中選用了ARM處理器為核心構建嵌入式系統，并以Linux操作系統作為軟件開發平臺。

4.1 總控制器硬件設計

與探測節點和執行節點相比，家庭總控制器要求具有較強的處理能力和運行速度，因此，在設計中采用了具有豐富片上資源的三星公司的32位RISC嵌入式芯片S3C2440芯片。該芯片可根據功能需要，擴展硬件通信接口。

本設計采用4.3英寸(1英寸=25.4 mm)的LCD觸摸屏實現人機交互控制，同時采用USB卡存儲歷史數據等信息。GPRS模塊采用的是德國Simens公司的MC35i，通過串行口與S3C2440進行信息交換。無線通信模塊采用的是Nordic VLSI公司生產的nRF905芯片。鑒于控制中心的硬件有LCD觸摸屏等功耗較高的外設，因此，采用“市電-蓄電池”聯合供電模塊供電。

4.2 總控制器軟件設計

由于Linux具有源代碼開放、支持大部分芯片、易于移植和開發等優點［12］，故在設計中針對具體的應用功能，采用嵌入式Linux操作系統完成定制開發。用戶應用程序由一系列用來完成相應功能的函數組成，如報警監控程序、數據采集程序和GPRS通信程序等。

5 結束語

本文基于嵌入式系統和無線傳感器網絡技術，提出了一種家居安防系統的設計方案，并給出了系統各部分軟硬件設計的具體實現方法。該系統綜合了短距離無線通信和長距離無線通信的優點，通過無線傳感器網絡和GPRS網絡實現家居信息的傳送，不但能避免接線的繁雜，而且便于系統部署和實現。該設計方案結構靈活、適用面廣，不但可用于家居安防，還可通過選配不同的傳感器，用于智能建筑等領域，具有良好的應用前景。

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