基于Basic-RF的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，結(jié)合Basic-RF無(wú)線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和GSM通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于Basic-RF的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)由信息處理子系統(tǒng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)兩部分組成，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)利用CC2530的Basic-RF雙向無(wú)線通信協(xié)議結(jié)合應(yīng)用層算法構(gòu)建，信息處理子系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，利用ENC28J60網(wǎng)絡(luò)模塊以及SIM900A短信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。用戶可通過(guò)上網(wǎng)設(shè)備方便地監(jiān)測(cè)家居環(huán)境數(shù)據(jù)，當(dāng)環(huán)境異常時(shí)會(huì)及時(shí)收到報(bào)警短信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、實(shí)用性強(qiáng)、靈活性好的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)家居環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)警具有廣泛的應(yīng)用前景。

隨著時(shí)代的發(fā)展，安全的生活環(huán)境成為越來(lái)越多人追求的目標(biāo);一套實(shí)用性強(qiáng)、靈活性好、穩(wěn)定性高的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)將會(huì)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)重要組成部分，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)實(shí)際需要選擇德州儀器CC2530芯片的Basic RF無(wú)線通信協(xié)議結(jié)合應(yīng)用層算法程序構(gòu)建了一種穩(wěn)定、高效、滿足實(shí)際需求的樹(shù)狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。其中Basic RF由TI公司提供，它包含了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包的收發(fā)功能，還提供安全通信所使用的CCM-64身份驗(yàn)證和數(shù)據(jù)加密，為雙向無(wú)線通信提供一個(gè)安全、穩(wěn)定的協(xié)議。如圖1所示，應(yīng)用層(Application)算法搭建在Basic RF層之上，使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)形成樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自動(dòng)檢測(cè)重連功能，用戶可以根據(jù)需求靈活增加刪減網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，某個(gè)節(jié)點(diǎn)的損壞不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸，大大提高了系統(tǒng)的靈活性與穩(wěn)定性。為了讓用戶實(shí)時(shí)方便地查看家居環(huán)境信息，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在信息處理子系統(tǒng)建立顯示家居環(huán)境信息的Web服務(wù)器，用戶可以利用手機(jī)、電腦等上網(wǎng)設(shè)備登錄到Web服務(wù)器中方便地查看家居環(huán)境信息，當(dāng)出現(xiàn)環(huán)境異常時(shí)(如溫度過(guò)高等)，信息處理子系統(tǒng)會(huì)利用GSM模塊及時(shí)向用戶發(fā)送報(bào)警短信。系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)靈活性差、穩(wěn)定性差、監(jiān)測(cè)距離短的缺陷，實(shí)現(xiàn)了用戶需求對(duì)家居環(huán)境信息的遠(yuǎn)程安全監(jiān)控。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和信息處理子系統(tǒng)2部分組成。系統(tǒng)框圖如圖2所示。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用樹(shù)型結(jié)構(gòu)，分為一級(jí)節(jié)點(diǎn)、二級(jí)節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)。其中一級(jí)節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所檢測(cè)到的環(huán)境信息最終都要通過(guò)一級(jí)節(jié)點(diǎn)傳給信息處理子系統(tǒng)。二級(jí)節(jié)點(diǎn)主要起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的作用，保證了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)可以穩(wěn)定地與一級(jí)節(jié)點(diǎn)通信。傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)用戶需求安裝相應(yīng)的傳感器(如溫濕度傳感器、紅外傳感器等)。信息處理子系統(tǒng)以意法半導(dǎo)體的STM32芯片為核心，在STM32單片機(jī)中植入uIP1.0協(xié)議建立顯示家居環(huán)境信息的Web服務(wù)器，同時(shí)配有以太網(wǎng)控制器ENC28J60和GSM模塊SIM900A，可以讓用戶方便地利用上網(wǎng)設(shè)備連接系統(tǒng)所在網(wǎng)絡(luò)查看家居環(huán)境信息，在家居環(huán)境出現(xiàn)異常時(shí)也可以及時(shí)收到報(bào)警短信。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括一級(jí)節(jié)點(diǎn)、二級(jí)節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)，這三類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)主體結(jié)構(gòu)是相同的。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以德州儀器高性能低功耗的CC2530F256單片機(jī)為核心，CC2530F256集成了8051內(nèi)核，256 KB系統(tǒng)可編程FLASH，8 KB RAM，具有豐富的外圍設(shè)備，節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率可達(dá)4.5 dB。在天線部分利用AN9520貼片天線，不僅保證了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通訊的穩(wěn)定性，而且大大減少了節(jié)點(diǎn)的體積，適合于家居室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的搭建。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)CC2530的設(shè)備外設(shè)與傳感器通信，傳感器的類型可以根據(jù)用戶的實(shí)際需求來(lái)靈活決定。在本實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)選用了基于I2C總線的TCN75溫度傳感器，DHT11數(shù)字濕度傳感器、MQ-7一氧化碳傳感器、MQ-2煙霧傳感器以及DYP-ME003紅外人體感模塊。其中當(dāng)人進(jìn)入DYP-ME003人體感模塊感應(yīng)范圍時(shí)，DYP-ME003人體感模塊會(huì)輸出高電平告知用戶檢測(cè)環(huán)境中有人活動(dòng)。傳感器節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖3所示。

2.2 信息處理子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

信息處理子系統(tǒng)主要由中央處理單元、存儲(chǔ)單元、ENC28J60網(wǎng)絡(luò)模塊和GSM模塊組成。中央處理單元采用意法半導(dǎo)體的STM32F103RET6微處理器，STM32F103RET6采用ARM Cortex M3內(nèi)核，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，內(nèi)置256 KB閃存以及64 KB的SRAM，并且擁有強(qiáng)大的外設(shè)接口，是一款低價(jià)格、低功耗、高性能的微控制器解決方案。另外，信息處理子系統(tǒng)配有SD卡存儲(chǔ)單元，可以存儲(chǔ)重要的環(huán)境數(shù)據(jù)。ENC28J60是帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器，符合IEEE 802.3的全部規(guī)范，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10 Mb/s。GSM模塊SIM900A屬于雙頻900/1800 MHz模塊，可利用AT指令對(duì)其控制，其性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價(jià)比高，可以低功耗數(shù)據(jù)信息傳輸。信息處理子系統(tǒng)的硬件框圖如圖4所示，實(shí)物圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)以CC2530的Basic RF無(wú)線通信協(xié)議為基礎(chǔ)，結(jié)合應(yīng)用層算法程序構(gòu)建了樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分為一級(jí)節(jié)點(diǎn)、二級(jí)節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)。一級(jí)節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的環(huán)境數(shù)據(jù)最后都要通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至一級(jí)節(jié)點(diǎn)。二級(jí)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，實(shí)際應(yīng)用中，在家居每個(gè)房間設(shè)置一個(gè)二級(jí)節(jié)點(diǎn)，保證所有環(huán)境信息可以最終傳到一級(jí)節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)選擇相應(yīng)的二級(jí)節(jié)點(diǎn)作為自己的父節(jié)點(diǎn)，把傳感器檢測(cè)到的環(huán)境信息發(fā)到父節(jié)點(diǎn)并最終傳送至網(wǎng)絡(luò)的一級(jí)節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在建立時(shí)，首先啟動(dòng)一級(jí)節(jié)點(diǎn)，二級(jí)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)依次向各個(gè)一級(jí)節(jié)點(diǎn)二級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送尋找信息，如果收到尋找回饋，則確定自己的父節(jié)點(diǎn)并向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的地址信息。傳感器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)依次向各個(gè)二級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送尋找信息，如果收到尋找回饋，則確定自己的父節(jié)點(diǎn)并向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的地址信息。在網(wǎng)絡(luò)建立后，二級(jí)節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)定時(shí)向自己的父節(jié)點(diǎn)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)信息，如沒(méi)有收到父節(jié)點(diǎn)發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)回饋，則自知已斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)并重啟節(jié)點(diǎn)重新連入網(wǎng)絡(luò)。一級(jí)節(jié)點(diǎn)、二級(jí)節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)中CC2530的軟件流程圖分別如圖6～圖8所示。

綜上可知，用戶可在原有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上靈活地增加刪減傳感器節(jié)點(diǎn)，并且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在斷開(kāi)后會(huì)重新連接網(wǎng)絡(luò)，大大增加了網(wǎng)絡(luò)的靈活性與穩(wěn)定性。

3.2 信息處理子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

信息處理子系統(tǒng)以意法半導(dǎo)體STM32微控制器為核心，并在STM32中植入uIP1.0協(xié)議棧，配合ENC28J60以太網(wǎng)控制器建立Web服務(wù)器顯示家居環(huán)境信息，STM32程序流程圖如圖9所示。當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)超過(guò)警戒值時(shí)(如溫度超過(guò)40℃等)，STM32微控制器會(huì)向GSM模塊SIM900A發(fā)送AT指令來(lái)向用戶發(fā)送報(bào)警短信。最后，信息處理子系統(tǒng)會(huì)將家居環(huán)境信息定時(shí)存儲(chǔ)在SD卡中以備用戶查詢。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性建立基于Basic RF的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)家居環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，將信息處理子系統(tǒng)布置在客廳，分別對(duì)兩間臥室進(jìn)行溫濕度、煙霧、一氧化碳和是否有人活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。在臥室2用電烙鐵升高TCN75溫度傳感器周圍的溫度，同時(shí)有人在臥室1中DYP-ME003紅外人體感模塊感應(yīng)范圍內(nèi)活動(dòng)，可用示波器檢測(cè)到紅外人體感模塊有2.5 s的高電平輸出，如圖10所示，證明在檢測(cè)范圍內(nèi)有人活動(dòng)。

此時(shí)可登陸信息處理子系統(tǒng)中的Web服務(wù)器查看家居環(huán)境信息，如圖11所示，用戶也會(huì)收到GSM模塊發(fā)送的報(bào)警短信。

實(shí)驗(yàn)證明：利用本系統(tǒng)用戶可以對(duì)家居內(nèi)溫度、濕度、煙霧、一氧化碳和是否有人活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)家居內(nèi)出現(xiàn)環(huán)境異常時(shí)(如火災(zāi)、煤氣泄漏、有外人活動(dòng)等)，用戶可及時(shí)收到報(bào)警信息。

5 結(jié)論

家居環(huán)境檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)用基于Basic RF的無(wú)線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及GSM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)溫濕度、一氧化碳體積分?jǐn)?shù)、煙霧體積分?jǐn)?shù)及是否有人活動(dòng)等環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警。實(shí)驗(yàn)證明，本文的環(huán)境檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)具備一定的實(shí)用價(jià)值，是一套低成本、穩(wěn)定性強(qiáng)、操作方便、易于拓展的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警解決方案。