基于Basic-RF的家居環(huán)境監(jiān)測預警系統(tǒng)設(shè)計
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摘要:針對實際應用需求,結(jié)合Basic-RF無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和GSM通信技術(shù)設(shè)計了一種基于Basic-RF的家居環(huán)境監(jiān)測預警系統(tǒng)。系統(tǒng)由信息處理子系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)兩部分組成,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)利用CC2530的Basic-RF雙向無線通信協(xié)議結(jié)合應用層算法構(gòu)建,信息處理子系統(tǒng)以STM32單片機為核心,利用ENC28J60網(wǎng)絡(luò)模塊以及SIM900A短信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。用戶可通過上網(wǎng)設(shè)備方便地監(jiān)測家居環(huán)境數(shù)據(jù),當環(huán)境異常時會及時收到報警短信。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、實用性強、靈活性好的優(yōu)點,對家居環(huán)境監(jiān)測和預警具有廣泛的應用前景。
隨著時代的發(fā)展,安全的生活環(huán)境成為越來越多人追求的目標;一套實用性強、靈活性好、穩(wěn)定性高的家居環(huán)境監(jiān)測預警系統(tǒng)將會得到越來越多的應用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是環(huán)境監(jiān)測預警系統(tǒng)重要組成部分,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)實際需要選擇德州儀器CC2530芯片的Basic RF無線通信協(xié)議結(jié)合應用層算法程序構(gòu)建了一種穩(wěn)定、高效、滿足實際需求的樹狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。其中Basic RF由TI公司提供,它包含了IEEE 802.15.4標準的數(shù)據(jù)包的收發(fā)功能,還提供安全通信所使用的CCM-64身份驗證和數(shù)據(jù)加密,為雙向無線通信提供一個安全、穩(wěn)定的協(xié)議。如圖1所示,應用層(Application)算法搭建在Basic RF層之上,使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點形成樹狀網(wǎng)絡(luò),各個節(jié)點都有自動檢測重連功能,用戶可以根據(jù)需求靈活增加刪減網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,某個節(jié)點的損壞不會影響整個網(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。為了讓用戶實時方便地查看家居環(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、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,當出現(xiàn)環(huán)境異常時(如溫度過高等),信息處理子系統(tǒng)會利用GSM模塊及時向用戶發(fā)送報警短信。系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)監(jiān)測預警系統(tǒng)靈活性差、穩(wěn)定性差、監(jiān)測距離短的缺陷,實現(xiàn)了用戶需求對家居環(huán)境信息的遠程安全監(jiān)控。
1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
環(huán)境監(jiān)測預警系統(tǒng)由無線傳感器網(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。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用樹型結(jié)構(gòu),分為一級節(jié)點、二級節(jié)點和傳感器節(jié)點。其中一級節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所檢測到的環(huán)境信息最終都要通過一級節(jié)點傳給信息處理子系統(tǒng)。二級節(jié)點主要起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的作用,保證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點可以穩(wěn)定地與一級節(jié)點通信。傳感器節(jié)點根據(jù)用戶需求安裝相應的傳感器(如溫濕度傳感器、紅外傳感器等)。信息處理子系統(tǒng)以意法半導體的STM32芯片為核心,在STM32單片機中植入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)異常時也可以及時收到報警短信。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點包括一級節(jié)點、二級節(jié)點和傳感器節(jié)點,這三類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計主體結(jié)構(gòu)是相同的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以德州儀器高性能低功耗的CC2530F256單片機為核心,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)點發(fā)射功率可達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)點通訊的穩(wěn)定性,而且大大減少了節(jié)點的體積,適合于家居室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的搭建。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點,通過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)用戶的實際需求來靈活決定。在本實驗中,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。其中當人進入DYP-ME003人體感模塊感應范圍時,DYP-ME003人體感模塊會輸出高電平告知用戶檢測環(huán)境中有人活動。傳感器節(jié)點硬件框圖如圖3所示。
2.2 信息處理子系統(tǒng)硬件設(shè)計
信息處理子系統(tǒng)主要由中央處理單元、存儲單元、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體的STM32F103RET6微處理器,STM32F103RET6采用ARM Cortex M3內(nèi)核,最高工作頻率可達72 MHz,內(nèi)置256 KB閃存以及64 KB的SRAM,并且擁有強大的外設(shè)接口,是一款低價格、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卡存儲單元,可以存儲重要的環(huán)境數(shù)據(jù)。ENC28J60是帶有行業(yè)標準串行外設(shè)接口的獨立以太網(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10 Mb/s。GSM模塊SIM900A屬于雙頻900/1800 MHz模塊,可利用AT指令對其控制,其性能穩(wěn)定,外觀精巧,性價比高,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,實物圖如圖5所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)軟件設(shè)計
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)以CC2530的Basic RF無線通信協(xié)議為基礎(chǔ),結(jié)合應用層算法程序構(gòu)建了樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),分為一級節(jié)點、二級節(jié)點和傳感器節(jié)點。一級節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心,傳感器節(jié)點檢測到的環(huán)境數(shù)據(jù)最后都要通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至一級節(jié)點。二級節(jié)點負責數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn),實際應用中,在家居每個房間設(shè)置一個二級節(jié)點,保證所有環(huán)境信息可以最終傳到一級節(jié)點。傳感器節(jié)點選擇相應的二級節(jié)點作為自己的父節(jié)點,把傳感器檢測到的環(huán)境信息發(fā)到父節(jié)點并最終傳送至網(wǎng)絡(luò)的一級節(jié)點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在建立時,首先啟動一級節(jié)點,二級節(jié)點啟動時依次向各個一級節(jié)點二級節(jié)點發(fā)送尋找信息,如果收到尋找回饋,則確定自己的父節(jié)點并向父節(jié)點發(fā)送自己的地址信息。傳感器節(jié)點啟動時依次向各個二級節(jié)點發(fā)送尋找信息,如果收到尋找回饋,則確定自己的父節(jié)點并向父節(jié)點發(fā)送自己的地址信息。在網(wǎng)絡(luò)建立后,二級節(jié)點和傳感器節(jié)點會定時向自己的父節(jié)點發(fā)送網(wǎng)絡(luò)檢測信息,如沒有收到父節(jié)點發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)檢測回饋,則自知已斷開網(wǎng)絡(luò)并重啟節(jié)點重新連入網(wǎng)絡(luò)。一級節(jié)點、二級節(jié)點和傳感器節(jié)點中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,并且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在斷開后會重新連接網(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
信息處理子系統(tǒng)以意法半導體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。當環(huán)境數(shù)據(jù)超過警戒值時(如溫度超過40℃等),STM32微控制器會向GSM模塊SIM900A發(fā)送AT指令來向用戶發(fā)送報警短信。最后,信息處理子系統(tǒng)會將家居環(huán)境信息定時存儲在SD卡中以備用戶查詢。
4 實驗測試
為驗證系統(tǒng)的可行性建立基于Basic RF的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)家居環(huán)境監(jiān)測預警系統(tǒng),將信息處理子系統(tǒng)布置在客廳,分別對兩間臥室進行溫濕度、煙霧、一氧化碳和是否有人活動進行監(jiān)測預警。在臥室2用電烙鐵升高TCN75溫度傳感器周圍的溫度,同時有人在臥室1中DYP-ME003紅外人體感模塊感應范圍內(nèi)活動,可用示波器檢測到紅外人體感模塊有2.5 s的高電平輸出,如圖10所示,證明在檢測范圍內(nèi)有人活動。
此時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,用戶也會收到GSM模塊發(fā)送的報警短信。
實驗證明:利用本系統(tǒng)用戶可以對家居內(nèi)溫度、濕度、煙霧、一氧化碳和是否有人活動進行監(jiān)測,當家居內(nèi)出現(xiàn)環(huán)境異常時(如火災、煤氣泄漏、有外人活動等),用戶可及時收到報警信息。
5 結(jié)論
家居環(huán)境檢測預警系統(tǒng)用基于Basic RF的無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及GSM技術(shù)實現(xiàn)了室內(nèi)溫濕度、一氧化碳體積分數(shù)、煙霧體積分數(shù)及是否有人活動等環(huán)境信息的實時監(jiān)測預警。實驗證明,本文的環(huán)境檢測預警系統(tǒng)具備一定的實用價值,是一套低成本、穩(wěn)定性強、操作方便、易于拓展的家居環(huán)境監(jiān)測預警解決方案。