基于WiFi的智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

王萍+王濤

【摘要】在現(xiàn)代智能建筑中樓宇監(jiān)控扮演了越來(lái)越重要的角色，傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)大都是通過(guò)有線方式布置的，存在諸多弊端。基于WiFi的樓宇監(jiān)控系統(tǒng)采用WiFi技術(shù)，搭建了以S3C2440A芯片為核心的控制器硬件平臺(tái)，集成了多種傳感器、聲光報(bào)警裝置、電源等模塊設(shè)計(jì)完成。系統(tǒng)具有安裝便捷、可靠性高、擴(kuò)展靈活、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)樓宇監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)也可以應(yīng)用于智能家居、工業(yè)控制等領(lǐng)域，擴(kuò)展性好，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】樓宇監(jiān)控 WiFi 傳感器 S3C2440A芯片

1984年美國(guó)建造了世界上第一座智能大廈，此后世界各國(guó)紛紛效仿，智能樓宇這一概念應(yīng)運(yùn)而生，樓宇監(jiān)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)樓宇智能化的重要部分，系統(tǒng)可分為樓宇環(huán)境（溫度、濕度、氣體等）監(jiān)控子系統(tǒng)和樓宇設(shè)備（電梯、空調(diào)、照明和供配電系統(tǒng)等）監(jiān)控子系統(tǒng)兩部分。集計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)于一體。通過(guò)對(duì)樓宇智能化的監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇照明、清潔、以及機(jī)房機(jī)電設(shè)備的設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行環(huán)境等方面的實(shí)時(shí)控制，具有明顯的節(jié)能效果，根據(jù)調(diào)查顯示節(jié)能可達(dá)15%～20%；同時(shí)便于管理人員隨時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行狀況，有效提高現(xiàn)代化管理水平。

在樓宇監(jiān)控系統(tǒng)中，需要監(jiān)測(cè)對(duì)象的很多，需配合大量傳感器實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)有線方式設(shè)備布線困難，不易擴(kuò)展，限制了數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的靈活性；同時(shí)不具備網(wǎng)絡(luò)的通訊的功能，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。隨著無(wú)線通信技術(shù)和嵌入式Internet技術(shù)發(fā)展，設(shè)備能夠通過(guò)嵌入式模塊而不是PC直接接入Internet，突破了以往傳統(tǒng)有線監(jiān)控的時(shí)空地域限制，促進(jìn)了無(wú)線監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

對(duì)樓宇內(nèi)變配電、照明、給排水、電梯、空調(diào)、供暖、安防、消防等眾多子系統(tǒng)設(shè)置智能節(jié)點(diǎn)，由這些節(jié)點(diǎn)和無(wú)線接入點(diǎn)組成無(wú)線局域網(wǎng)。監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)選用無(wú)線路由器作為中心設(shè)備，一方面和節(jié)點(diǎn)相連接，另一方面和監(jiān)控中心的上位機(jī)相連接。傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)出現(xiàn)故障的系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制，同時(shí)以無(wú)線方式將各子系統(tǒng)的狀態(tài)（如溫度、濕度、煙霧度等）發(fā)送給上位機(jī)。為方便狀態(tài)信息的識(shí)別，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有唯一標(biāo)識(shí)（IP），通過(guò)該IP標(biāo)識(shí)指示傳感器的位置。上位機(jī)對(duì)接收到的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，如果接收到報(bào)警類信息則向現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)出動(dòng)作指令，啟動(dòng)報(bào)警，并在監(jiān)控界面上顯示報(bào)警點(diǎn)的具體位置；如果接收到非報(bào)警類信息，則將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)在監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)顯示并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，供相關(guān)人員查看使用。同時(shí)用戶也可以通過(guò)Web頁(yè)面遠(yuǎn)程查看監(jiān)測(cè)信息等狀況。

傳感節(jié)點(diǎn)：能夠?qū)崟r(shí)采集監(jiān)測(cè)物信息和執(zhí)行控制命令，有特殊情況立即報(bào)警；經(jīng)心跳包保持與監(jiān)控中心通信網(wǎng)絡(luò)的連接，達(dá)到“永遠(yuǎn)在線”。

通信網(wǎng)絡(luò)：是監(jiān)控中心和傳感節(jié)點(diǎn)間的通信通道，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)信息和控制命令雙向傳輸。

監(jiān)控中心：組成由PC機(jī)、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，通過(guò)PC查看當(dāng)前信息和歷史數(shù)據(jù)。

二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

（一）微處理器模塊

傳感節(jié)點(diǎn)的核心是微處理器模塊，選擇微處理器選擇上主要考慮節(jié)點(diǎn)的功能和功耗等因素。微處理器首先要周期性地給傳感器總線發(fā)送信號(hào)，還要與監(jiān)控中心保持連接，保證在線。通過(guò)分析，選擇了一款基于ARM920T處理器核實(shí)現(xiàn)的微處理器S3C2440A。

（二）傳感器模塊

（1）溫濕度傳感器。采用DHT22一體化數(shù)字傳感器。除了配有與8位單片機(jī)相連的NTC測(cè)溫元件和感濕元件，還有一個(gè)存放校準(zhǔn)系數(shù)的OTP寄存器。傳感器引腳分別是VDD，DATA，NC、GND，單總線的接口與微處理器直接連在一起，簡(jiǎn)化了電路，使系統(tǒng)集更加方便。特性如表1、表2所示。

（2）安防傳感器。安防傳感器采用基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊的HC-SR501，感應(yīng)模塊采用雙元探頭（A，B），探頭的窗口為長(zhǎng)方形。當(dāng)人體從A到B或從B到A走過(guò)時(shí)，紅外光譜達(dá)到雙元的時(shí)間和距離有差值，差值數(shù)據(jù)越大，感應(yīng)越靈敏，所以安裝傳感器時(shí)應(yīng)使探頭雙兀方向與人體移動(dòng)最多的方向平行，確保人體經(jīng)過(guò)時(shí)先后被探頭雙元所感應(yīng)。人體感應(yīng)模塊的電氣參數(shù)如表3所示。

（三）無(wú)線通信模塊

WLAN組成有由無(wú)線網(wǎng)卡和接入點(diǎn)兩部分。此次設(shè)計(jì)用的是WN321G+54M無(wú)線網(wǎng)卡，芯片為RT73，通用串行總線USB接入。屋內(nèi)外傳輸距離分別為100米、300米。

（四）電源模塊

處理器為了降低的功耗，用多路電源供電，本系統(tǒng)的S3C2440A處理器，其核心電壓為1.25V，3.3V外部I/O及存儲(chǔ)器供電。

（五）UART接口電路

S3C2440A帶有串行接口，接口標(biāo)準(zhǔn)為RS-232。PC機(jī)的串行口為RS-232C電平，用正負(fù)電壓表示邏輯狀態(tài)，微處理器控制模塊的串行口為TTL電平，所以設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，需要MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

三、結(jié)論

通過(guò)對(duì)以往傳統(tǒng)有線監(jiān)控和常用無(wú)線通信技術(shù)的分析，在樓宇監(jiān)控系統(tǒng)中引入WiFi技術(shù)，采用WiFi技術(shù)，搭建了以S3C2440A芯片為核心的控制器硬件平臺(tái)，集成了多種傳感器、聲光報(bào)警裝置、電源等模塊。系統(tǒng)安裝便捷、可靠性高、擴(kuò)展靈活、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)樓宇監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)也可以應(yīng)用于智能家居、工業(yè)控制等領(lǐng)域，擴(kuò)展性好，具有很好的實(shí)用價(jià)值。