基于單片機的智能家居無線報警系統(tǒng)設計

引言

隨著電子信息技術和計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，實現(xiàn)家居信息化、網(wǎng)絡化是當前智能家居系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢。報警系統(tǒng)作為智能家居系統(tǒng)的一個重要組成部分，其性能的好壞直接關系到整個智能家居系統(tǒng)的優(yōu)劣。把無線網(wǎng)絡技術應用到家居報警系統(tǒng)中，通過各種傳感器實時采集家居的環(huán)境信息，通過無線的方式將信息傳輸給家居控制中心， 能夠彌補有線設備的缺陷， 具有價廉、可靠性高、等優(yōu)點。筆者根據(jù)無線網(wǎng)絡技術和智能家居的特點，設計了一種基于無線網(wǎng)絡技術的家居無線報警系統(tǒng)。該無線報警系統(tǒng)可以對整個家居的安全環(huán)境進行實時監(jiān)控。監(jiān)控的范圍包括室內(nèi)防盜、火災報警、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，該報警系統(tǒng)就會發(fā)出相應的報警信息，可以使戶主在得到報警信息后，立即采取有效的應急措施，對事故進行緊急處理。

系統(tǒng)結構

本報警網(wǎng)絡采用了星型拓撲結構，由中心節(jié)點和無線報警網(wǎng)絡節(jié)點組成。中心節(jié)點是一個與計算機相連的無線通信模塊，可以和網(wǎng)絡中的任何一個網(wǎng)絡節(jié)點通信。無線報警網(wǎng)絡節(jié)點是組成智能家居報警系統(tǒng)的基本單位，是構成智能家居報警系統(tǒng)的基礎平臺。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、紅外線傳感器、火災煙感傳感器、煤氣泄露傳感器、玻璃破碎報警器等)和一些外圍器件構成，負責家居環(huán)境的監(jiān)測和報警信息的傳遞。

智能家居報警網(wǎng)絡框圖如圖1所示。

圖1 智能家居報警系統(tǒng)

采用這種星型拓撲結構能夠很好地擴展組合，容易增加網(wǎng)絡節(jié)點，滿足在家居中網(wǎng)絡節(jié)點分布的不確定性，可在房間、隔離處放置一個節(jié)點，避免無線干擾和報警區(qū)域不確定性的問題，由中心節(jié)點對多個網(wǎng)絡節(jié)點所傳遞的數(shù)據(jù)進行綜合處理，分析是否發(fā)出報警信號。在一定程度上降低報警系統(tǒng)的誤報，提高無線報警系統(tǒng)的可靠性。在報警系統(tǒng)網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡節(jié)點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)絡中心節(jié)點，由中心節(jié)點對這些數(shù)據(jù)進行綜合分析處理，以此決定是否給予報警。

無線報警網(wǎng)絡節(jié)點硬件設計

無線報警網(wǎng)絡節(jié)點主要由微處理器AT89C2051、nRF2401無線通信芯片、外圍設備和開關量輸入接口的傳感器構成。微處理器AT89C2051是整個網(wǎng)絡節(jié)點硬件系統(tǒng)的核心控制部件，負責接收傳感器觸發(fā)的開關量報警信號，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是實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P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,工作電流只有10.5mA,接收時工作電流只有18mA,多種低功率工作模式,節(jié)能設計更方便。網(wǎng)絡節(jié)點采用nRF2401進行數(shù)據(jù)傳輸，來實現(xiàn)報警信息的無線傳輸。網(wǎng)絡節(jié)點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警器可以監(jiān)測到室內(nèi)出現(xiàn)的突發(fā)火災; 安裝在地板上的水浸傳感器， 可以感知到因水管爆裂、窗戶進雨， 屋頂滲漏等因素引起的室內(nèi)進水事件; 安裝在廚房的煤氣報警開關可以用來監(jiān)測有無煤氣泄漏。這些安全監(jiān)測傳感器， 均為開關量輸入器件， 可以提供全方位的安全監(jiān)測保障。網(wǎng)絡節(jié)點的電路原理圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡節(jié)點電路原理圖

在網(wǎng)絡節(jié)點中電源是能源中心,在節(jié)點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者,它也直接影響通信的質量。器件對加到輸入引腳或輸出引腳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，因而需要設計出一個輸出穩(wěn)定的5V轉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換電壓的LM1117，它具有功耗低，體積小的優(yōu)點。又因為電壓中含有許多高頻干擾源，這些高頻成分很容易經(jīng)過電源進入通信系統(tǒng)中。

另外系統(tǒng)自身的發(fā)送頻率也會經(jīng)過電源感應反饋到通信系統(tǒng)造成干擾。因而可在電源電路中加入220μH的電感，與并入多個不同容值的電容所構成的濾波電路來抑制各種高頻信號。使節(jié)點能夠得到穩(wěn)定可靠且低干擾的電源,保證節(jié)點的可靠運行。該電源電路如圖3所示。

圖3 電源電路

在網(wǎng)絡節(jié)點設計過程中遇到的主要問題及解決方法有：nRF2401射頻電路工作在2.4GHz~2.5 GHz 高頻率工作頻段，抗干擾設計直接關系到射頻性能和整個網(wǎng)絡節(jié)點的運轉情況。在無線通信部分布線時,合理的布局與布線及采用多層板既是布線所必須的也是降低電磁干擾提高抗干擾能力的有效手段。布線時需要注意以下幾點：一是無線通信部分電路沒有用做布線的面積均需用銅填充并連接到地,以提供RF屏蔽達到有效抗干擾的目的 ;二是nRF2401 芯片底部應接地 ;為了降低延遲、減少串擾，確保高頻信號的傳輸 ，要使用多個接地過孔將nRF2401芯片底部和地層相連; 三是盡可能地減少串擾，減少分布參數(shù)的影響，器件要緊密地分布在nRF2401的四周。

系統(tǒng)軟件設計

在智能家居報警系統(tǒng)中，采用的是網(wǎng)絡中心節(jié)點輪詢和突出事件報告機制。中心節(jié)點每隔一定的時間向每一個網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)送要數(shù)命令，網(wǎng)絡節(jié)點收到要數(shù)命令后，向中心節(jié)點回發(fā)數(shù)據(jù)。如果發(fā)生緊急事件，網(wǎng)絡節(jié)點可以主動向中心節(jié)點發(fā)送報告，由中心節(jié)點進行處理并發(fā)出相應報警信息。中心節(jié)點可以對網(wǎng)絡節(jié)點的閾值參數(shù)進行設置，以滿足不同用戶的需要。在智能家居報警系統(tǒng)中，每一個網(wǎng)絡節(jié)點都有一個固定的地址，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)容和校驗位。

網(wǎng)絡節(jié)點打開電源，初始化，建鏈后直接進入休眠模式，當中心節(jié)點收到網(wǎng)絡節(jié)點的報警中斷請求時，觸發(fā)中斷，激活網(wǎng)絡節(jié)點，接收報警信息包，處理完畢后繼續(xù)進入休眠狀態(tài)，等待有報警中斷請求時，再次激活。若有多個網(wǎng)絡節(jié)點同時向中心節(jié)點發(fā)送報警中斷請求時，中心節(jié)點來不及處理而丟掉一些請求，則網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)現(xiàn)自己的請求沒有得到響應后幾秒鐘，再次發(fā)出請求，直到得到中心節(jié)點的響應為止。網(wǎng)絡節(jié)點采用串行口通信方式。在程序設計中主要采用中斷的方法來完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

結語

根據(jù)無線網(wǎng)絡技術和智能家居的特點，提出了基于無線網(wǎng)絡技術的智能家居報警系統(tǒng)的構成方案，系統(tǒng)的設計采用了模塊化設計，使其具有很好的移植性和擴展性。并在實驗室搭建了一個小型報警系統(tǒng)進行實驗，初步實驗結果表明：采用基于無線網(wǎng)絡技術的報警系統(tǒng)具有較高的通信效率和較好的穩(wěn)定可靠性。