智能家居無線短信安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

CY6936是賽普拉斯(Cypress)公司最新推出的低成本高集成射頻片上系統(tǒng)，它提供了針對(duì)低速、低成本的Wireless USB串口SPI到射頻發(fā)射的調(diào)制解調(diào)方案。其主要特點(diǎn)有：工作在ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療公共頻段)；10m以上的全方向傳輸范圍；數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到1Mbps；具有數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)4M的SPI微機(jī)接口；靜態(tài)工作電流低于1mA；工作電壓范圍為1.8V至3.6V。CY6936非常適合用于中低速率、低成本、低功耗的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之中。

PSoC(Programmable System on Chip)芯片是賽普拉斯公司推出一種可編程片上系統(tǒng)，它將一個(gè)8位微控制器與可編程數(shù)字陣列、可編程模擬陣列集成在一個(gè)芯片上，也稱為可配置型混合信號(hào)陣列。PSoC為消費(fèi)類產(chǎn)品、工業(yè)、辦公自動(dòng)化、電信和汽車領(lǐng)域應(yīng)用提供了具有嵌入式控制功能的高性能現(xiàn)場(chǎng)可編程單片系統(tǒng)。

本文基于PSoC芯片和CY6936無線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)了一個(gè)智能家居短信安防系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了安防傳感器節(jié)點(diǎn)和GPRS網(wǎng)關(guān)之間的無線通信，系統(tǒng)能夠用短信的方式方便、快捷、廉價(jià)地對(duì)居室中的各種緊急情況進(jìn)行報(bào)警。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中始終遵循低成本、低功耗、電路簡(jiǎn)單、使用方便的原則。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：安防傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，實(shí)現(xiàn)了低功耗設(shè)計(jì)，且可以在家庭中隨意放置；家中的安防報(bào)警信息可以通過短信及時(shí)通知主人或物業(yè)管理人員；設(shè)計(jì)了一個(gè)緊急報(bào)警按鍵，方便家人在緊急情況下的報(bào)警；設(shè)計(jì)了鍵盤和顯示器等人機(jī)接口，用戶可以修改短信報(bào)警電話號(hào)碼、修改密碼等；為了保證家中信息安全，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了密鑰及密鑰發(fā)布和管理。

整體設(shè)計(jì)方案及芯片選擇

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1a所示。該系統(tǒng)主要分兩部分：無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和GSM/GPRS網(wǎng)關(guān)。系統(tǒng)中包含三個(gè)節(jié)點(diǎn)：門磁防盜節(jié)點(diǎn)、紅外防盜節(jié)點(diǎn)和火災(zāi)報(bào)警節(jié)點(diǎn)。

圖1：(a) 智能家居無線短信安防系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案；(b) GSM/GPRS網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心芯片均選用塞普拉斯公司的PSoC芯片，分別是CY8C21534和CY8C29466。其中，CY8C21534專門用于電容傳感器按鍵信號(hào)的處理，CY8C29466是GSM/GPRS無線網(wǎng)關(guān)的核心芯片和各節(jié)點(diǎn)的傳感器信號(hào)處理芯片。

GSM/GPRS網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

1. 整體方案

GSM/GPRS網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案如圖1b所示。PSoC芯片和CY6936無線收發(fā)模塊是網(wǎng)關(guān)的核心。CY6936無線收發(fā)模塊接收來自各節(jié)點(diǎn)的傳感器信息，并將接收的傳感器信息發(fā)送給PSoC芯片。PSoC芯片將各節(jié)點(diǎn)的信息顯示在LCD液晶上，并通過LED和蜂鳴器為家內(nèi)用戶提供警示，然后將報(bào)警信息通過串口發(fā)送給GSM/GPRS模塊，最終發(fā)送給遠(yuǎn)程用戶。

此外，還根據(jù)需要為網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)了44的觸摸式按鍵，用于修改網(wǎng)關(guān)的電子密碼以及報(bào)警手機(jī)號(hào)，并設(shè)計(jì)了一個(gè)緊急報(bào)警按鍵。按鍵的信息經(jīng)CY8C21534處理后發(fā)送給CY8C29466。

2. 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)工具：PSoC Designer是PSoC的傳統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境，它是一款功能全面的基于圖形用戶接口(GUI)的設(shè)計(jì)工具套件。該軟件提供豐富的模擬和數(shù)字器件模塊(如PGA、ADC、DAC、濾波器、比較器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、PWM、SPI和UART等)，用戶選擇器件模塊后，放置到可編程模擬和數(shù)字模塊陣列中，進(jìn)行配置和連線后，即可完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在PSoC Designer環(huán)境下，用戶可以采用單獨(dú)C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言編程，也可以采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言二者的結(jié)合來編程。PSoC Designer提供單步進(jìn)、事件觸發(fā)器和多斷點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試。

用戶模塊設(shè)計(jì)：采用PSoC Designer 4.3作為開發(fā)工具，在設(shè)計(jì)中采用了CSR、LCD、SPIM、SPIS等用戶模塊。

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)均采用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方案(如圖2所示)。采用無線收發(fā)模塊和PSoC芯片組成無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，無線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間的通信，PSoC芯片負(fù)責(zé)處理和分析傳感器的信息。

圖2：節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。

門磁防盜節(jié)點(diǎn)采用MC31門磁傳感器，該傳感器無需外部供電，根據(jù)磁鐵距離干簧管的遠(yuǎn)近輸出一個(gè)開關(guān)量，閥值是16mm。設(shè)計(jì)中還對(duì)PSoC芯片的供電電壓采用升壓泵技術(shù)，只要外界電壓超過1V，電路就可以正常工作，從而有助電路的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。


紅外防盜節(jié)點(diǎn)采用紅外熱釋電傳感器LHI968，工作電壓為2~15V，輸出信號(hào)幅度為1mV左右，頻率為1Hz。該傳感器可以監(jiān)測(cè)外界熱源物體(如人體或人體的某部位)的經(jīng)過。針對(duì)該傳感器信號(hào)的微弱性，一般的設(shè)計(jì)思路是使用專用處理芯片(如BISS0001)處理傳感器信號(hào)，這種方案輸出信號(hào)穩(wěn)定、反應(yīng)靈敏，但是外部電路復(fù)雜、耗電量大、成本也較高。本文的設(shè)計(jì)不使用專用處理芯片來處理傳感器信號(hào)，而是由PSoC芯片直接處理，這種方法大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，減小了功耗并節(jié)省了成本。


火災(zāi)報(bào)警節(jié)點(diǎn)同時(shí)使用溫度傳感器LM35和紅外接收管進(jìn)行監(jiān)測(cè)。溫度傳感器測(cè)量環(huán)境溫度、紅外接收管監(jiān)測(cè)火光和熱源。這種設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單、成本低廉，適合在家庭中使用。

本文小結(jié)

本文介紹了一個(gè)基于賽普拉斯公司CY6836無線收發(fā)器設(shè)計(jì)的智能家居安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無線連接方式和短信報(bào)警技術(shù)，設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)界面，并采用了電容式觸摸感應(yīng)按鍵。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)中使用了多種降低功耗、減少成本、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的方法。經(jīng)過調(diào)試和實(shí)際使用驗(yàn)證，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，很好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)想的各項(xiàng)功能。