多機無線通信的室內監測系統

張恒 董俊 何舒平

摘要：針對于越來越復雜的建筑室內環境的安全問題，設計一種由多個設備通過WiFi網絡進行數據交流的室內監測系統。整個監測系統主要包括從機系統和主機系統兩個子系統。從機系統包括多個結構相同的從機設備，從機設備配置火災煙霧檢測、溫濕度檢測、光照檢測等多種檢測傳感器，主要負責環境檢測、環境數據實時上傳的功能，并且從機設備可以外接加濕器、應急燈光等外設以實現環境改善或者提供應急照明等功能。主機系統包含一個主機設備，主要負責接收從機系統上傳的數據，根據從機設備所在位置的環境參數做出處理和警報。最后通過多次長時間連續測試，證明了所提系統的有效性和穩定性。

關鍵詞：室內監測系統;無線傳感器;多機通信;系統設計;環境參數;電路測試

中圖分類號：TN931+.3-34;TP277

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X（ 2019） 24-0067-04

0 引言

隨著社會的發展，建筑的種類越來越繁雜。建筑根據不同的用途主要可以分為工業建筑和民用建筑。根據使用者的不同要求，室內裝修所使用的材料種類也是各不相同，面對越來越復雜的建筑內部狀況，室內環境監測問題急需解決。

通過市場考察發現目前市場上常見的室內監測系統主要分為兩大種：一種是小范圍內使用的獨立的監測記錄儀，這種記錄儀單個使用，功能相對單一;另一種由多個監測設備組成，這種系統的監測設備大部分是通過布線匯集到顯示設備，一般可以實現遠程報警。多個監測設備組成的監測系統比較適合用于面積較大或者格局較為復雜的建筑內，但是需要大量布線，不僅增加了成本，提高了安裝難度[1]，并且在遠距離的有線數據傳輸中，信號衰減的問題較為嚴重，出現傳輸錯誤的幾率也大大提升，設備的可靠性也就大打折扣。

因此，本文設計了一種基于無線網絡的室內監測系統。該系統通過WiFi建立無線局域網絡，主從設備間通過無線網絡進行數據傳輸增加了數據傳輸的安全性和可靠性[2]。無需大量布線，減小了安裝難度和安裝成本，同時在從機設備上配備有相應的外設，可以對惡劣環境加以改善。

1 設計方案

該設計整體由主機系統和從機系統兩個子系統構成，如圖1所示，主機系統和從機系統通過WiFi進行通信。主機系統配置成AP模式，主要負責接收處理從機系統發送的數據，發送控制命令;從機系統配置為client模式，主要將檢測結果實時發送給主機，并根據主機的控制命令做出相應的處理。

系統分工明確，主機系統主要負責數據分析、處理和顯示，從機系統主要負責檢測和執行主機命令。從分工方式可以看出主機系統硬件電路相對簡單，以高性能MCU、顯示電路和無線通信電路為主要構成;從機系統硬件電路相對復雜，包括多種環境檢測傳感器，多種外設接口。

2 硬件設計

2.1 主機設備的硬件設計

主機設備主要結構如圖2所示，主要包括MCU主控芯片、GSM電路、WiFi電路、聲光報警電路、SD卡電路、E2PROM電路、LCD觸控電路等部分構成。

主機設備主要負責數據接收和處理，因此主機設備主控芯片需要很高的數據處理能力，這里選擇意法半導體（ST）公司出品基于Cortex - M3內核的單片機STM32F103RCT6，該款單片機性能強悍，數據處理能力優異，同時價格低廉，功耗相對較低[3]。

本設計選用SIM800A實現遠程GSM短信報警，該款模塊功耗低，穩定性強，功能豐富，可以實現語音、SMS和數據信息的傳輸[4]。單片機通過UART與GSM和WiFi數據交換[5]，波特率9 600 b/s。采用3.2寸TFT液晶彩屏進行人機交互，支持觸控操作，可以通過觸屏直接控制各個從機的外設開關。

2.2 從機設備的硬件設計

整個從機系統包含多個從機設備，分別放置于不同的地方，功能相同，都是負責實時檢測環境數據和執行主機命令，所以各個從機設備電路相同，其結構圖如圖3所示。

由于在系統中數據處理工作主要在主機中實現，每個從機設備只需要完成自己的功能且僅需與主機一個設備通信，所以從機設備對數據處理能力的要求要遠小于主機。但是由于從機設備配備有多種環境檢測傳感器，并且需要接人多種外設，因此需要一款接口豐富的單片機?；谝陨戏治觯瑥臋C設備的主控芯片選擇宏晶科技出品的STC12C5A60S2單片機，這款單片機是新一代增強型8051單片機，相較于傳統8051單片機，其運算速度更快，接口豐富，包括2路PWM和8路10位高速A/D轉換[6-7]，可以有效地驅動多種傳感器和外設。從機設備的WiFi電路部分和主機設備一樣通過UART串口通信和單片機進行數據交換，波特率為9 600 b/s。

從圖3中可以看到，該系統包含多種環境檢測傳感器，包括聲音檢測傳感器、光照檢測傳感器、煙霧檢測傳感器和溫濕度檢測傳感器。其中，聲音檢測傳感器電路可以根據咪頭接收到的不同音量產生不同的電壓信號，經過放大濾波后將該信號作為輸入信號接人393比較器。當該電壓大于閾值時比較器電路向單片機輸出高電平信號，否則輸出低電平信號。通過該電路可以將模擬信號轉化成單片機可以直接處理的數字信號，并且閾值可以通過電位器直接調節。光照檢測電路本文選擇光敏電阻接上拉10 kΩ分壓電阻，公式如下：式中：VG為光敏電阻分壓值;vcc為5V電壓;Re為光敏電阻阻值;R為分壓電阻10 kΩ。光敏電阻阻值隨著光照強度的變化而變化，光敏電阻分壓VG也隨著光照強度而變化，因此可以根據VG的大小來計算光照強度。煙霧檢測傳感器主要負責檢測火災煙霧，在檢測到火災煙霧時主機設備和從機設備均開啟聲光報警器提醒用戶出現火災，及時處理。煙霧檢測傳感器電路和光照檢測電路原理相似，這里不做贅述。溫濕度檢測傳感器選擇DHT11溫濕度傳感器，該傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，反應速度快，抗干擾能力強，性能穩定，并且輸出數字信號，主控單片機可以直接處理。

從機系統包含多個從機，為了在建立網絡時設備不至于混亂，給每個設備配置了一個4位編碼開關，實現二進制編碼。每一位編碼開關高電平編碼為1，低電平為0，每臺設備的設備號與編碼轉換公式如下：

Num= 2³ N4+ 2² N3+ 2¹ N2+ 2⁰ N1

（2）式中：Num為十進制設備號;N1，N2，N3，N4為編碼開關第1-4位開關的編碼，為1或0。

在外接設備上首先通過MOSFET驅動電路接人家庭燈帶提供照明，通過PWM來調節燈的燈光強度.實現PWM調節需要極高的開關速度，而MOSFET只要通過改變柵源電壓就可以實現快速開關動作[8]。從機設備外設接口需要驅動大功率燈帶、加濕器等用電器，因此采用直流12 V電源，而單片機控制系統工作電壓為直流5V，這里采用LM2576芯片設計穩壓電路[9]，見圖4。

3 軟件設計

3.1 A/D轉換

單片機不能直接處理模擬信號，所以光照強度、溫濕度等模擬量都需要進行A/D轉換，從機主控芯片STC12C5A60S2單片機內置8路10位高速A/D轉換器[10]。該A/D轉換器屬于逐次比較型轉換器，將輸入電壓依次和內部A/D轉換器的輸出進行比較，經過逐次比較，數字量逐漸逼近模擬量值。公式如下：

3.2 CRC校驗

本設計在實現的過程中存在大量的數據傳輸，在傳輸的過程中可能會產生傳輸錯誤，為了增加數據傳輸的可靠性，必須采取一定的校驗措施。

本文采用了可靠程度較高的CRC校驗，在傳輸過程中數據是以（N，K）碼的形式傳遞，在接收端接收到數據后，用接收到的數據對生成碼做模2除法，如果余數為0，則說明數據傳遞沒有出錯，數據保留并處理，如果余數不為0，則說明數據出錯，舍棄數據。

校驗碼生成過程如下：

1）選擇合適的R+1位二進制生成碼（首位和末位必須為1）;

2）將信息碼左移R位得到新的數據碼;

3）用步驟2）新的數據碼對步驟1）中的R+1位生成碼做模2除法，得到R位余數;

4）將步驟3）得到的R位余數附到步驟2）得到新數據碼的右R位得到新的數據，即（N，K）碼。

4 系統實現

4.1 部分電路的測試

利用示波器對聲音檢測傳感器電路進行測試，比較器處理前后信號波形如圖5、圖6所示。

通過圖5、圖6可以看出，聲音信號在處理前是鋸齒狀模擬信號，單片機不能直接處理，所以利用LM393比較器進行信號處理，處理后模擬信號變為數字信號以便單片機處理。

4.2 整體功能實現

如圖7所示，主機TFT液晶彩屏可以實時顯示從機發送的環境數據并顯示，同時主機通過觸控或者按鍵控制從機外設的開關。圖7中紅色色塊即為從機設備1的繼電器狀態為關，綠色為端子狀態為開。從機設備的OLED屏幕實時顯示傳感器檢測結果，同時從機設備將檢測結果實時上傳至主機。

通過示波器的測量和實物的測試，證明了本文設計的室內監測系統可以安全高效地完成環境的檢測和環境的改善。

5 結語

本文針對現在室內安全監測這一熱點問題，設計了一種切實可靠的解決方案，從機設備的傳感器實時檢測并上傳室內環境數據，主機設備對各個從機設備上傳的數據進行處理，如果遇到危險情況及時向遠程手機發送報警短信，并且用戶在主機設備上可以直接對從機設備的各個外設進行操作，實現遠程操控。

注：本文通訊作者為何舒平。

參考文獻

[1]孫玉文.基于無線傳感器網絡的農田環境監測系統研究與實現[D]，南京：南京農業大學，2013.

SUN Yuwen. Research and implementation of field environ-ment monitoring system based on wireless sensor networks [D].Nanjing： Nanjing Agricultural University， 2013.

[2]徐文，基于WiFi與Android的智能家居監控系統設計[D].成都：西南交通大學，2017.

XU Wen. Design of intelligent home monitoring system basedon WiFi and android [D]. Chengdu： Southwest Jiaotong Univer-sity， 2017.

[3]劉振.基于STM32智能家居的無線網關設計與實現[D].杭州：浙江理工大學，2016.

LIU Zhen. Design and implementation of wireless gateway forsmart home based on STM32[D]. Hangzhou： Zhejiang Sci-Tech University， 2016.

[4]李磊.移動通信GSM中密碼算法安全性研究[D]，洛陽：中國人民解放軍信息工程大學，2012.

LI Lei. Research on security of cryptographic algorithm in GSM[D]. Luoyang： PLA Information Engineering University. 2012.

[5]賈建科，基于GPRS和Internet的河流水情實時遠程監測系統研究[J]現代電子技術，2016， 39（6）：132-135.

JIA Jianke. Research on river water regimen real-time remotemonitoring system based on GPRS and Internet [J]. Modernelectronics technique， 2016. 39（6）： 132-135.

[6]馬磊，楊國華，徐維昌，光伏組件自動清洗機控制系統的設計與實現[J].白動化與儀表，2018（1）：29-33.

MA Lei. YANG Guohua. XU Weichang. Design and imple-mentation of the control system of the PV module automaticcleaning machine [J]. Automation & instrumentation. 2018（1）：29-33.

[7]郭全民，馬旋坤，王健.室內空氣質量測量儀的設計與實現[J]國外電子測量技術，2015（1）：52-55.

GUO Quanmin， MA Xuankun. WANG Jian. Design and imple-mentation of indoor air quality detector [J]. Foreign electronicmeasurement technology， 2015（1）：52-55.

[8]夏濤，吳云峰，王勝利，等.基于功率MOSFET的高壓納秒脈沖源研究[J].電子測量與儀器學報，2015（ 12）：1852-1861.

XIA Tao. WU Yunfeng. WANG Shengli， et al.Research onhigh-voltage nanosecond pulse generator based on power MOS-FET[J]. Journal of electronic measurement and instrumenta-tion， 2015（12）： 1852-1861.

[9]楊敏，呂霜，歐進發，可調電流比例開關電源模塊并聯供電系統[J]現代電子技術，2018 .41（14）：122-125.

YANG Min， LU Shuang. OU Jinfa.A switching power supplymodule parallel power supply system with adjustable current ra-tios [J]. Modern electronics technique， 2018， 41（ 14）： 122-125.

[10]黃超，劉婷，謝印慶。基于STC12C5A60S2多功能通信開發板設計[J]現代電子技術，2014， 37（5）：152-155.

HUANG Chao， LIU Ting， XIE Yinqing. Design of multi-func-tional communication development board hased onSTC12C5A60S2 [J]. Modern electronics technique. 2014， 37（5） ： 152-155.

作者簡介：張恒（1992-），男，安徽人，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式開發。

董俊（1994-），男，安徽人，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式開發。

何舒平（1983-），男，安徽人，博士，教授，主要研究方向為先進控制科學與技術、故障檢測與監測等。