(海軍特勤療養(yǎng)中心,山東 青島 266071)
隨著我國老齡化日益嚴(yán)重,療養(yǎng)院、養(yǎng)老院等養(yǎng)老服務(wù)機(jī)構(gòu)越來越受到人們的青睞。然而,療養(yǎng)院等機(jī)構(gòu)的現(xiàn)代化水平仍于人們的需求有較大差距[1]。特別是信息化、智能化方面,需要此類機(jī)構(gòu)配備相適應(yīng)的智能化管理系統(tǒng)[2]。智能系統(tǒng)平臺集成或控制各種智能安全防護(hù)設(shè)備,使得智能設(shè)備在統(tǒng)一平臺下進(jìn)行管理和運(yùn)維。智能系統(tǒng)平臺通過硬件、軟件的支持實(shí)現(xiàn)了智能安全防護(hù)設(shè)備終端設(shè)備的管理,以及對住宅的監(jiān)控和狀態(tài)的監(jiān)測,將數(shù)據(jù)記錄通過軟件保存在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中[3]。
設(shè)計(jì)了基于ZigBee協(xié)議無線連接通信技術(shù),使控制核心與檢測火災(zāi)、有害氣體和入侵檢測的硬件設(shè)備之間通過無線局域網(wǎng)絡(luò)連接在一起進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸,軟件系統(tǒng)對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理和判定[4-5]。這套智能安全系統(tǒng)以STC89C52芯片為控制器核心,控制其他相關(guān)的硬件設(shè)備。系統(tǒng)可靠性高,體積小,能夠?qū)馂?zāi)、有害氣體和非法入侵監(jiān)聽監(jiān)測,及時發(fā)出報(bào)警,控制智能安全防護(hù)設(shè)備設(shè)備做出妥當(dāng)處理,適用于療養(yǎng)院等機(jī)構(gòu)。
ZigBee為基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)而來的低功耗協(xié)議[6-7]。ZigBee除本身自帶優(yōu)勢外,還可以用戶根據(jù)自己的需要,設(shè)置多個安全級別。嵌入式技術(shù)也是ZigBee優(yōu)于其他無線設(shè)備的另一個優(yōu)勢,可以集成多種嵌入式設(shè)備,使設(shè)備之間互聯(lián)互通。因此,在我國智能安全防護(hù)設(shè)備安全系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[8]。
智能安全防護(hù)設(shè)備安防系統(tǒng)采用模塊化的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā),主要功能包括了火災(zāi)檢測、煤氣泄漏等有害氣體的檢測、入侵檢測和報(bào)警功能,如圖1所示。

圖1 智能安全防護(hù)設(shè)備安全系統(tǒng)的功能組成
在智能安全防護(hù)設(shè)備安全系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中,以STC89C52為該系統(tǒng)的主控核心芯片,選用溫濕度傳感器DHT11實(shí)現(xiàn)室內(nèi)火災(zāi)氣體檢測,MQ-2型煙霧傳感器用于有害氣體檢測硬件實(shí)現(xiàn)、HC-SR501紅外傳感器用于入侵檢測的硬件實(shí)現(xiàn),CC2530芯片用于實(shí)現(xiàn)ZigBee技術(shù)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),無線連接不同的硬件設(shè)備,使之通信,12864LCD液晶顯示器顯示從傳感器中檢測到的數(shù)據(jù)信息,報(bào)警模塊警示居住人潛在的危險(xiǎn)信號。智能安全防護(hù)設(shè)備安全系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 智能安全防護(hù)設(shè)備安全系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)圖
STC89C52芯片作為系統(tǒng)的主控模塊,當(dāng)檢測到其他硬件傳輸過來的異常數(shù)據(jù),就產(chǎn)生一個危險(xiǎn)信號,向蜂鳴器發(fā)出報(bào)警指令,控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號,提示并警告居住人有危害生命財(cái)產(chǎn)安全的事情發(fā)生,共同輔助其他模塊電路進(jìn)行緊急處理[9-10]。STC89C52芯片可降至0 Hz的靜態(tài)邏輯操作,提供2種節(jié)電模式[11]。
型號為DHT11溫濕度傳感器在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較廣,其濕度為30~80%RH,溫度 10~45 ℃范圍內(nèi)傳感器具有較高的分辨率[12]。DHT11可以將溫度、濕度的信號通過傳感器進(jìn)行信號的采樣比鞥轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,通過基于ZigBee技術(shù)與控制器無線通信,將數(shù)字信號提供給STC89C52芯片進(jìn)行分析處理,從而達(dá)到對火災(zāi)的檢測效果[13]。
DHT11溫濕傳感器使用單行4個引腳,引腳1用于電源,引腳2用于數(shù)據(jù)端口,單線雙向傳輸,引腳3留空,引腳4用于接地,可以直接連接到I/O CC2530端口,其正常工作時可以測量的溫度范圍是0~50 ℃,考慮島室內(nèi)正常溫度不會超過40 ℃,因此將檢測到大于40 ℃的情況定義為火災(zāi)發(fā)生危害。為了獲得更精確的檢測結(jié)果,在數(shù)據(jù)端和電源之間連接一個4.7 kΩ上拉電阻,且連接線的長度小于20 m。值得注意的是,如果DHT11溫濕傳感器沒有接受到主控芯片發(fā)送的開始信號,是不會主動進(jìn)行溫濕度的采集,在采集的過程中,DHT11處于高速模式,空閑狀態(tài)處于低功耗模式,所以在使用的時候必須周期性地通過主控芯片對傳感器發(fā)送采集數(shù)據(jù)命令。具體的DHT11電路圖如圖3所示。

圖3 DHT11溫濕度傳感器電路圖
MQ-2型煙霧傳感器煤氣、液化石油氣等有毒有害煙霧的檢測具有很高的靈敏度,尤其是對烷類煙霧最為敏感,其良好的抗干好性,可以準(zhǔn)確排除有刺激性而非可燃性煙霧的干擾[14-15];而且MQ-2型煙霧傳感器具有長期的穩(wěn)定性,相應(yīng)時間短,能適應(yīng)繁重的長時間有害氣體的檢測任務(wù),使得智能安全防護(hù)設(shè)備安全系統(tǒng)具有較好的安全性能[16]。MQ-2型煙霧傳感器對可燃、有害氣體的檢測相當(dāng)靈敏,本系統(tǒng)設(shè)置的氣體檢測閾值為300ppm,將電壓的變化作為有害氣體濃度的監(jiān)測指標(biāo)。
當(dāng)室內(nèi)有害氣體煙霧濃度高于預(yù)設(shè)閾值對應(yīng)電壓時,U1A輸出低電平(0 V),LED燈報(bào)警;否則,U1A輸出高電平(VCC),LED熄滅。該模塊的電路圖如圖4所示。

圖4 MQ-2型煙霧傳感器示意圖
HC-SR501 PIR傳感器的最初用途是檢測模塊前面的人體運(yùn)動。傳感器有2種觸發(fā)模式,即重復(fù)觸發(fā)模式和不重復(fù)觸發(fā)模式,通過改變跳線帽位置。在非重復(fù)觸發(fā)模式下,如果傳感器模塊的輸出電壓保持高電壓,即使檢測到其他人的運(yùn)動,也不會再次觸發(fā)。在重復(fù)觸發(fā)模式中,當(dāng)在延遲時間內(nèi)檢測到第二個人體運(yùn)動時,將重新計(jì)算輸出延遲。智能對象中的傳感器模塊在重復(fù)觸發(fā)模型中工作。HC-SR501的延遲時間和檢測范圍可調(diào)。為了開發(fā)HC-SR501能耗模型,對輸出高和輸出低狀態(tài)下的電流值進(jìn)行了分析。HC-SR501紅外傳感器的最遠(yuǎn)探測距離受到環(huán)境的影響,本文中最遠(yuǎn)的探測距離達(dá)到了6m,在有效范圍內(nèi)檢測到人的時候,會輸出一個高電平作為檢測信號,其工作原理如圖5所示。

圖5 紅外傳感器工作原理
CC2530是一種片上系統(tǒng)(SOC),可以在ZigBee中使用,實(shí)驗(yàn)測試平臺采用基于802.15.4 IEEE無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee協(xié)議棧(Z-Stack)[19]。在通信過程中,節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)拿恳粠瑪?shù)據(jù)都攜帶RSSI信息。CC2530有一個內(nèi)置的接收信號強(qiáng)度指示器(RSSI),該值為有符號8位2的補(bǔ)碼格式。從接收到的CC2530的MAC幀中讀取rssi-val寄存器的值。CC2530可以用于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)上的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案。它不僅保證了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)異性能,還集成了性能良好的RF核心和運(yùn)算功能強(qiáng)大的CPU,保證對節(jié)點(diǎn)數(shù)值運(yùn)算和信號處理的強(qiáng)大計(jì)算能力,是搭建ZigBee無線局域網(wǎng)絡(luò)第一個快速建立起來的節(jié)點(diǎn)設(shè)備。
ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低速率、大容量、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),具有低功耗、延時短、成本低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)開發(fā)的智能安全防護(hù)設(shè)備安全系統(tǒng),需要使用ZigBee技術(shù)搭建連接各種檢測設(shè)備的硬件的無線局域網(wǎng)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在著兩種功能型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,由3種類型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以組成三種類型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以分為:協(xié)調(diào)器,路由器和終端設(shè)備,本文采用CC2530協(xié)調(diào)器作為無線局域網(wǎng)的協(xié)調(diào)器,主要負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò);路由器負(fù)責(zé)對無線局域網(wǎng)中的報(bào)文信息進(jìn)行路由傳輸;終端設(shè)備是具有加入、推出無線局域網(wǎng)絡(luò)功能的硬件設(shè)備,并且可以接受和分發(fā)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文,不允許在終端設(shè)備上進(jìn)行報(bào)文的路由轉(zhuǎn)發(fā)。由于本文設(shè)計(jì)開發(fā)的系統(tǒng)只涉及到室內(nèi)封閉環(huán)境的無線組網(wǎng),無需使用路由功能。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為:星型網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和樹形網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),本文采用的是樹形網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作模式分為信標(biāo)模式和非信標(biāo)模式,在信標(biāo)模式下,實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中所有的設(shè)備的同步工作與休眠,節(jié)省用電;在非信標(biāo)模式下,網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備周期性進(jìn)入休眠模式,而網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器長期處于工作狀態(tài),由于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求,需要采用信標(biāo)模式對協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備進(jìn)行組織和管理。
經(jīng)過論證,在ZigBee網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)階段,采用CC2530協(xié)調(diào)器作為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器,在各種檢測硬件設(shè)備的終端上植入ZigBee模塊(NRF24L01模塊和GSM短消息模塊),在控制器段也需植入ZigBee模塊(植入ZigBee模塊的硬件設(shè)備可以稱為是一個ZigBee終端設(shè)備或是路由器設(shè)備),然后將這些設(shè)備與基于CC2530芯片作為協(xié)調(diào)器的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接,組網(wǎng)進(jìn)行各個設(shè)備的通訊。在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中組網(wǎng)的流程圖如圖6所示。

圖6 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)流程圖
ZigBee技術(shù)的無線局域網(wǎng)組網(wǎng)過程如下:當(dāng)一個設(shè)備被激活后,首先掃描信道是否存在能量,檢測可能存在的干擾,按照能量排序信道;然后選擇一個最佳的信道作為當(dāng)前的工作信道,一般情況下,第一個建立起來的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),然后需要確定設(shè)備自身的16位網(wǎng)絡(luò)地址、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的PAN標(biāo)識符(PANID號,信道的唯一標(biāo)識)、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋮?shù)等信息;最后各項(xiàng)參數(shù)配置完成后,協(xié)調(diào)器就可以允許其他的節(jié)點(diǎn)設(shè)備加入該ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee使用了3個頻段,定義了27個物理信道,本系統(tǒng)使用的是2.4 GHZ頻段附近定義的5個信道,信道間隔為5 MHZ,數(shù)據(jù)的傳輸速率可達(dá)250 kb/s,系統(tǒng)在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層采用的是IEEE 802.15.4協(xié)議。
在報(bào)警模塊中,當(dāng)主控模塊監(jiān)測到危險(xiǎn)的信號時,微控制器向報(bào)警模塊發(fā)送低電平信號,蜂鳴器在確認(rèn)后發(fā)送報(bào)警信號,通知用戶室內(nèi)煙霧濃度超過正常濃度或非法侵入,以防止事故的發(fā)生,保證居住人的生命財(cái)產(chǎn)安全;當(dāng)溫濕度的值異常時,也會引起警報(bào)系統(tǒng),產(chǎn)生報(bào)警。
總體上看,本智能安全防護(hù)設(shè)備安全系統(tǒng)的軟件部分主要由檢測、控制和報(bào)警三部分組成,這些都是基于單片機(jī)的編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)的,其主要的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示,本節(jié)主要介紹系統(tǒng)的軟件流程設(shè)計(jì)。
在系統(tǒng)進(jìn)行初始化時,首先搭建一個基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),將DHT11、MQ-2、HC-SR501傳感器設(shè)備通過無線局域網(wǎng)連接起來;然后系統(tǒng)中的傳感器開始工作,周期性地向溫濕傳感器發(fā)送激活信號,不斷地檢測家庭中的溫度和濕度,將收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給STC89C52單片機(jī)主控模塊進(jìn)行處理,并顯示溫濕度;值得注意的是:有害氣體和入侵檢測的硬件可以實(shí)時自主工作,無需周期性發(fā)送激活信號。當(dāng)主控模塊檢測的指標(biāo)超過正常設(shè)置時,系統(tǒng)會做出報(bào)警,提醒居住人進(jìn)行緊急情況的處理。如果紅外傳感器檢測到非法入侵,報(bào)警器也會被激活,產(chǎn)生報(bào)警。智能安防系統(tǒng)的軟件流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖
在主控模塊的編程上,操作系統(tǒng)是基于Windows7,采用模塊化的思想進(jìn)行C語言編程,實(shí)現(xiàn)對STC89C52單片機(jī)接受到的傳感器數(shù)據(jù)解碼和處理,對于DHT11火災(zāi)檢測的溫度數(shù)據(jù)閾值設(shè)置為40 ℃,一旦高于這個溫度,則判定為高溫,表明發(fā)生了火災(zāi);MQ-2型煙霧傳感器的濃度閾值設(shè)置為300 ppm,當(dāng)監(jiān)測到MQ-2型設(shè)備的電壓降低時,證明環(huán)境中的有害氣體高于300 ppm,就觸發(fā)報(bào)警;對于HC-SR501紅外傳感器,對于6 m以內(nèi)的范圍,當(dāng)監(jiān)測到有效范圍內(nèi)的入侵時,HC-SR501紅外傳感器輸出的高電平將會被主控模塊監(jiān)測到,從而產(chǎn)生報(bào)警。
整個智能安防系統(tǒng)以STC89C52型微處理器為核心控制。信息采集模塊由紅外傳感器、振動傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、溫濕度傳感器組成。基于ZigBee技術(shù)的無線通信模塊主要包括NRF24L01模塊和GSM短消息模塊。主機(jī)和從機(jī)通過無線通信模塊實(shí)現(xiàn)信息交換。GSM模塊與主機(jī)相連,構(gòu)成智能安全防護(hù)設(shè)備安防系統(tǒng),具有防盜、防火、室內(nèi)多點(diǎn)布防、遠(yuǎn)程報(bào)警等功能。系統(tǒng)啟動后,傳感器采集的室內(nèi)溫度和濕度將顯示在12864 LCD液晶顯示器上。同時,傳感器檢測有害氣體(包括煙霧、可燃?xì)怏w等)、火災(zāi)和陌生人非法入侵信號,如果這些值超過閾值,將轉(zhuǎn)換成電信號并傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行后處理,單片機(jī)根據(jù)不同情況進(jìn)行報(bào)警。單片機(jī)的使用使得該系統(tǒng)具有操作簡單、功能穩(wěn)定、成本低、功耗低、實(shí)用價值高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。
測試結(jié)果與設(shè)定的溫度閾值有關(guān),為保證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,將所設(shè)計(jì)的智能安全防護(hù)設(shè)備安全系統(tǒng)與檢測合格的數(shù)字溫度表在同一時間、同一地點(diǎn)踐行環(huán)境測試,測試的結(jié)果如表1所示。

表1 溫度測試
在實(shí)時監(jiān)測的過程中,12864 LCD模塊會實(shí)時顯示當(dāng)前住宅區(qū)環(huán)境下的溫濕度信息,給居住人提供準(zhǔn)確的數(shù)字參考信息,具體的信息如圖8所示。

圖8 12864LCD顯示當(dāng)前住宅區(qū)的溫濕度信息
針對MQ-2型煙霧傳感器模塊,采用燃燒紙法對室內(nèi)環(huán)境中的煙度傳感器進(jìn)行檢測。在四種不同的距離上進(jìn)行檢驗(yàn),然后根據(jù)不同的數(shù)據(jù)得到統(tǒng)計(jì)時間。其靈敏度特性如圖9所示。從圖9可以看出,MQ-2型煙霧傳感器模塊對不同的氣體敏感度不一樣。可廣泛應(yīng)用于家庭和工業(yè)氣體泄漏檢測設(shè)備中。

圖9 MQ-2型煙霧傳感器的靈敏度特性
為了保證MQ-2型煙霧傳感器模塊在實(shí)際煙霧環(huán)境下的準(zhǔn)確效率,測試實(shí)驗(yàn)額外使用煙霧源靠近煙霧傳感器,測得的煙霧濃度值為1 600 ppm,遠(yuǎn)高于設(shè)置在主控模塊中的閾值,達(dá)到了需要報(bào)警的要求,此時黃色的LED燈亮起,蜂鳴器發(fā)出滴滴聲報(bào)警。
在實(shí)驗(yàn)允許的條件下,分別測試了HC-SR501紅外傳感器在不同場合下感應(yīng)人體紅外的最大距離,經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試得知,在室內(nèi)環(huán)境下,紅外感應(yīng)模塊可以在2 m的范圍內(nèi)感應(yīng)到人體輻射出的紅外線,探測到人體,從而產(chǎn)生報(bào)警;在5 m的范圍內(nèi),當(dāng)人體左右移動的時候,都可以檢測到人體輻射出的紅外線,產(chǎn)生報(bào)警,所以室內(nèi)檢測的最大距離為5 m。在室外測試環(huán)境中,由于無障礙物的干擾,增大了紅外傳感模塊的探測距離,最遠(yuǎn)檢測距離可達(dá)6 m,監(jiān)控較為靈敏,滿足智能安全防護(hù)設(shè)備安全系統(tǒng)的需求。
通過對智能安全防護(hù)設(shè)備安全系統(tǒng)模塊的火災(zāi)檢測、有害氣體檢測和入侵檢測的實(shí)驗(yàn)可以得知,本文設(shè)計(jì)開發(fā)的系統(tǒng)能夠滿足探測火災(zāi)、有害氣體和非法入侵的需求,靈敏度較高,能準(zhǔn)備地檢測災(zāi)害的發(fā)生,產(chǎn)生報(bào)警,提醒居住人排除安全隱患,保障居住人的生命財(cái)產(chǎn)安全,是現(xiàn)代化居家必備的系統(tǒng)之一;本系統(tǒng)使用基于ZigBee技術(shù)搭建的無線局域網(wǎng)絡(luò)能很好地將這些傳感設(shè)備與主控設(shè)備連接起來,網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定,延時較低,使一個主控設(shè)備可以同時控制多個傳感設(shè)備,在保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行的同時,增加了系統(tǒng)的魯棒性,克服了傳統(tǒng)的有限網(wǎng)絡(luò)接線復(fù)雜、布局不美觀的弊端。
本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一款智能安全防護(hù)設(shè)備安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)搭建了一套無線局域網(wǎng),使得主控設(shè)備與多個智能終端感知設(shè)備處于同一個無線局域網(wǎng)中,主控設(shè)備能實(shí)時處理終端設(shè)備發(fā)送過來的傳感數(shù)據(jù),從而檢測火災(zāi)、有害氣體和陌生人非法入侵,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,可靠性高,在智能家電多樣化發(fā)展的今天,將會有廣闊的市場應(yīng)用場景,其潛力有待進(jìn)一步地挖掘。