智能家居無線報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

隨著電子信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)家居信息化、網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)前智能家居系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢。報(bào)警系統(tǒng)作為智能家居系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其性能的好壞直接關(guān)系到整個(gè)智能家居系統(tǒng)的優(yōu)劣。把無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到家居報(bào)警系統(tǒng)中，通過各種傳感器實(shí)時(shí)采集家居的環(huán)境信息，通過無線的方式將信息傳輸給家居控制中心，能夠彌補(bǔ)有線設(shè)備的缺陷，具有價(jià)廉、可靠性高、等優(yōu)點(diǎn)。筆者根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能家居的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的家居無線報(bào)警系統(tǒng)。該無線報(bào)警系統(tǒng)可以對整個(gè)家居的安全環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)控的范圍包括室內(nèi)防盜、火災(zāi)報(bào)警、煤氣泄露、水管破裂等一系列不安全因素。一旦有上述安全事故的發(fā)生，該報(bào)警系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息，可以使戶主在得到報(bào)警信息后，立即采取有效的應(yīng)急措施，對事故進(jìn)行緊急處理。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本報(bào)警網(wǎng)絡(luò)采用了星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由中心節(jié)點(diǎn)和無線報(bào)警網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成。中心節(jié)點(diǎn)是一個(gè)與計(jì)算機(jī)相連的無線通信模塊,可以和網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信。無線報(bào)警網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是組成智能家居報(bào)警系統(tǒng)的基本單位，是構(gòu)成智能家居報(bào)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)。它由微處理器(AT89C2051)、無線通信模塊(nRF2401)、環(huán)境監(jiān)測傳感器(門磁開關(guān)、紅外線傳感器、火災(zāi)煙感傳感器、煤氣泄露傳感器、玻璃破碎報(bào)警器等)和一些外圍器件構(gòu)成，負(fù)責(zé)家居環(huán)境的監(jiān)測和報(bào)警信息的傳遞。

智能家居報(bào)警網(wǎng)絡(luò)框圖如圖1所示。

采用這種星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠很好地?cái)U(kuò)展組合，容易增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，滿足在家居中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布的不確定性，可在房間、隔離處放置一個(gè)節(jié)點(diǎn)，避免無線干擾和報(bào)警區(qū)域不確定性的問題，由中心節(jié)點(diǎn)對多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，分析是否發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在一定程度上降低報(bào)警系統(tǒng)的誤報(bào)，提高無線報(bào)警系統(tǒng)的可靠性。在報(bào)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的主要功能是采集數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)以無線傳輸?shù)姆绞絺魉徒o網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)，由中心節(jié)點(diǎn)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理，以此決定是否給予報(bào)警。

無線報(bào)警網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

無線報(bào)警網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由微處理器AT89C2051、nRF2401無線通信芯片、外圍設(shè)備和開關(guān)量輸入接口的傳感器構(gòu)成。微處理器AT89C2051是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)的核心控制部件，負(fù)責(zé)接收傳感器觸發(fā)的開關(guān)量報(bào)警信號(hào)，發(fā)送nRF2401通信命令，控制信息的傳輸。Nordic公司的單片射頻收發(fā)芯片nRF2401是實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵器件。nRF2401工作于2.4～2.5GHzISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序配置，芯片功耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有10.5mA，接收時(shí)工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用nRF2401進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，來實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的無線傳輸。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過連接的傳感器感知外部環(huán)境異常變化。例如，安裝在門窗位置的紅外接近開關(guān)可以用來監(jiān)測盜竊者的非法入侵；安裝在天花板上的煙霧報(bào)警器可以監(jiān)測到室內(nèi)出現(xiàn)的突發(fā)火災(zāi)；安裝在地板上的水浸傳感器，可以感知到因水管爆裂、窗戶進(jìn)雨，屋頂滲漏等因素引起的室內(nèi)進(jìn)水事件；安裝在廚房的煤氣報(bào)警開關(guān)可以用來監(jiān)測有無煤氣泄漏。這些安全監(jiān)測傳感器，均為開關(guān)量輸入器件，可以提供全方位的安全監(jiān)測保障。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電路原理圖如網(wǎng)2所示。

在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中電源是能源中心，在節(jié)點(diǎn)中起著非常重要的作用，特別是在無線通信系統(tǒng)中，電源不光是能源供應(yīng)者，它也直接影響通信的質(zhì)量。器件對加到輸入引腳或輸出引刪的電壓通常是有限制的。這些引腳由二極管或分離元件接到Vcc。如果接入的電壓過高，電流將會(huì)通過二極管或分離元件流向電源。而現(xiàn)行的電壓輸出模塊中多為5V電壓，因而需要設(shè)計(jì)出一個(gè)輸出穩(wěn)定的5V轉(zhuǎn)3V的電壓調(diào)節(jié)模塊。在該系統(tǒng)中，選用專為通信控制芯片提供轉(zhuǎn)換電壓的LM1117，它具有功耗低，體積小的優(yōu)點(diǎn)。又因?yàn)殡妷褐泻性S多高頻干擾源，這些高頻成分很容易經(jīng)過電源進(jìn)入通信系統(tǒng)中。另外系統(tǒng)自身的發(fā)送頻率也會(huì)經(jīng)過電源感應(yīng)反饋到通信系統(tǒng)造成干擾。兇而可在電源電路中加入220μH的電感，與并入多個(gè)不同容值的電容所構(gòu)成的濾波電路來抑制各種高頻信號(hào)。使節(jié)點(diǎn)能夠得到穩(wěn)定可靠且低干擾的電源，保證節(jié)點(diǎn)的可靠運(yùn)行。該電源電路如圖3所示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在智能家居報(bào)警系統(tǒng)中，采用的是網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)輪匈和突出事件報(bào)告機(jī)制。中心節(jié)點(diǎn)每隔一定的時(shí)間向每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送要數(shù)命令，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)收到要數(shù)命令后，向中心節(jié)點(diǎn)回發(fā)數(shù)據(jù)。如果發(fā)生緊急事件，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以主動(dòng)向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)告，由中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理并發(fā)出相應(yīng)報(bào)警信息。中心節(jié)點(diǎn)可以對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的閾值參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以滿足不同用戶的需要。在智能家居報(bào)警系統(tǒng)中，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)固定的地址，傳送的數(shù)據(jù)基本都是短消息，信息的格式如圖4所示，包括幀頭、目的地址、數(shù)據(jù)大小、數(shù)據(jù)內(nèi)容和校驗(yàn)位。

結(jié)語

根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能家居的特點(diǎn)，提出了基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能家居報(bào)警系統(tǒng)的構(gòu)成方案，系統(tǒng)的沒計(jì)采腫了模塊化設(shè)計(jì)，使其具有很好的移植性和擴(kuò)展性。并在實(shí)驗(yàn)室搭建了一個(gè)小型報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的報(bào)警系統(tǒng)具有較高的通信效率和較好的穩(wěn)定可靠性。