無線樓宇安全監測系統的設計

楊 帆，張輝寰

1.武漢工程大學電氣信息學院，武漢 430205

2.湖北省視頻圖像與高清投影工程技術研究中心，武漢 430205

樓宇是當前人們娛樂、生活還有辦公的主要場所，樓宇的科技化是人類社會進步的外在表現。智慧樓宇給使用者提供安全、舒適、人性化的環境的同時，還應當具有安全、方便、節能等優點。在往常的樓宇控制系統里，每個部分相互獨立，不同的系統與系統之間關聯性不足，智能程度較低，同時系統還存在反應較慢與人力資源與能源浪費的問題［1-2］。

近幾年，科學技術隨著時代快速發展，信息技術正在慢慢融入到樓宇中，為了能夠為樓宇住戶提供更優質的服務，因此衍生了智能樓宇。樓宇安全監測系統，是一種自動監測系統對建筑物內的溫度、濕度、煙霧濃度等進行監測，自主判定當前位置是否發生了故障，進而采取適當的應對措施［3-4］。這是樓宇技術與信息技術的綜合運用，是現代化樓宇發展的必然趨勢。

1 總體方案的設計

針對4層樓宇設計一套由1個協調器、5個路由器和12個傳感器節點以及上位機構成的安全監測系統。為了保證信號的有效性，在每一樓層上都安裝有路由節點，并且路由節點應當安裝在空曠無干擾的地方，而傳感器節點與被監控設備一起安裝在各自的測試地點；在樓宇適宜的地方設置一個協調節點控制樓宇內部網絡的組建，最好放在多個節點中間，方便協調。管理中心與被監控樓宇通過帶有GPRS模塊的協調節點進行通信，從而可以通過上位機觀察各個節點的實時情況并控制大樓狀態，設計的樓宇總體方案如圖1（a）所示，樓宇的網絡圖如圖1（b）所示，網絡的設計將在第三部分進行詳細描述。

圖1 （a）樓宇總體方案模型，（b）樓宇監測系統無線網絡框圖Fig.1 （a）General scheme model of building，（b）Wireless network block of building monitoring system

2 硬件的設計

2.1 協調器節點的設計

樓宇監測網絡采用樹狀拓撲機構，主要由協調器、路由器和傳感器節點組成。其中協調器是網絡的核心，由它控制網絡的組建，監督網絡的運行，因此它需要分配大量的存儲空間，完成網絡初始化、數據采集、設備控制等功能；協調器節點與PC機相連［5-6］，通過PC機串口來傳遞相應信息。其余節點都是功能不同的傳感器，擔負采集各類環境參數，并將收集到的信息發送給協調器。協調器起著橋梁作用連接著路由器和PC機。協調器的電路圖如圖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與串口的轉換連接，通過串口的RXD與TXD連接CC2530的P02與P03口進行數據傳輸，RST連接P04用來檢測是否進行數據傳輸。使用TPS76933芯片做電源的穩壓芯片，TPS76933通過對電壓的轉換給芯片提供合適的電壓供電。74LS273做I/O口的擴展功能，每個IC可擴展8個i/o口，可根據自己的需求選擇需要擴展的i/o口［7-8］。系統使用時間久了以后可能會出現一些小問題，設置了RESET模塊，可以使CC2530芯片復位。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時鐘和實時時鐘，可以更好的確保系統的實時性。

圖2 協調器節點電路圖Fig.2 Circuit of coordinator node

2.2 傳感器節點的設計

由于傳感器節點要長時間工作，所以為了降低功耗，減少了傳感器節點上的功能，使其只負責信息的采集和中轉，將傳感器采集到的信息往協調器節點傳送［9-12］。因此傳感器節點只保留了CC2530芯片，TPS76933芯片構成的電源模塊、CC2591芯片構成的功放模塊。傳感器節點結構如圖3所示。各類傳感器采用各類信號監測的防盜監測模塊（采用LIS3L02AS4傳感器）、火災監測模塊（采用DS18b20芯片）、燃氣泄漏監測模塊（采用天然氣傳感器MD61、一氧化碳傳感器MQ-7）、人體紅外監測模塊（采用RE200b傳感器加BIS0001處理芯片）等，傳感器經過調制器將原始數據轉換成I/O信號發送到發送器DAC［13-15］。解調器從收到的信號中檢索無線數據。頻率合成器為無線電信號產生載波信號，往上位節點傳送。

圖3 傳感器節點結構圖Fig.3 Structure of sensor node

3 軟件的設計

3.1 主程序的設計

主程序主要有路由器、傳感器節點程序和協調器程序兩部分。網絡協調器程序：首先通過對CC2530芯片進行初始化將內部數據信號歸零，然后對協議棧進行初始化防止之前使用過的程序影響當前任務，之后建立新的局域網，設定網絡的ID號和頻道號，然后系統進入檢測狀態。當發現新的設備申請加入局域網時，則為新設備配置不同的網絡地址，并且允許設備加入。當協調器收到傳感器節點發送來的信息，通過USB數據線或者數據串口發送給PC機，或者從PC機得到命令，發送給傳感器節點。

而路由器、傳感器節點程序，同樣對CC2530與協議棧按先后順序進行初始化。系統初始為檢索狀態，系統搜索附近的網絡，當發現網絡時，申請加入。若無網絡，系統為了減少電能的消耗就進入休眠狀態，當傳感器節點有信息發送，或者接收到協調器的命令，則自動從休眠狀態恢復到工作狀態處理命令。當處理完命令后，系統重新進入休眠狀態。樓宇監測系統無線網絡組網及工作過程如圖1（b）所示。

3.2 節點通信識別協議的設計

1）幀頭高字節和幀頭低字節分別使用宏定義指定，這樣方便修改，

#define FRM_H0XAA

#define FRM_L0XBB

2）用于指示接收數據的位置，定義一個變量Rx_POS，定義一個變量Rx_Num用于指示要接收數據的長度。

unsigned char Rx_POS；

unsigned char Rx_Num；

3）接收到完整幀標志位、接收到幀頭標志位、

bit RXFRMOK；//接收到完整幀標志位

bit RXFHOK； //接收到完整幀頭標志位

4）接收的數據緩沖區

unsinged char RXFH［3］；

unsigned char RX_BUF［32］；

傳輸完數據后RI置1獲得中斷請求，Rx_Da?ta=SBUF讀取串口緩沖區數據，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內容與幀頭進行比較，將幀頭數組里的數據往前移一位把幀頭數組內的數據進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志位置1，并且將數據長度賦值到Num內，退后接受完數據跳出到TI清零的地方。

如果接受到了完整的幀那么直接進行數據接收，并且對接收的數據長度進行判斷，確保數據接收沒有出現錯誤。之后對幀頭標志位置一，并且對幀進行清零操作，最后跳出中斷。

具體程序如圖4所示。

圖4 節點通信協議流程圖Fig.4 Flowchart of node communication protocol

4 測試及分析

為了檢測設計的樓宇監測系統是不是能正常運行，并且把信號傳送到上位機，根據圖1（a）所示的硬件結構并加上設計的通信協議，對所設計的樓宇監測系統進行測試。

上位機操作界面如圖5所示，使用組態王進行模擬實驗，在上位機程序中從電腦可以看到各個傳感器是否處于正常狀態，如溫度，煙霧等。當傳感器發生異常時，系統能夠及時并準確的提供警報。圖5中用戶1出現了火災報警，用戶3出現了防盜報警。

圖5 上位機控制界面Fig.5 Control interface of upper computer

5 結 語

智能樓宇監測系統能夠實時對樓宇設備進行監測。系統使用CC2591對無線網絡覆蓋范圍進行了擴大，通過建立ZigBee無線傳感網將樓宇的各種設備聯系在一起，使用特定的傳感器對樓宇各個位置的設備以及環境進行實時監控，然后將得到的溫度、耗電量以及光照強度等信息通過特定的通信協議上傳給上位機，上位機將得到的參數來優化相關設備的使用，所設計的系統實現了傳感器節點、路由節點以及協調器模塊的無線數據傳輸，以及對設備使用范圍的加強。最后對此系統進行測試。經測試，此系統能夠對大樓實行實時的監測，并且網絡覆蓋范圍較大，不需太多的路由設備就能覆蓋大樓，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行優化。

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