基于單片機(jī)的智能家居無線報(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(duì)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(duì)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。

圖1 智能家居報(bào)警系統(tǒng)

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(duì)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(duì)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)的電路原理圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電路原理圖

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(duì)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(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。因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。

圖3 電源電路

在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)直接關(guān)系到射頻性能和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。在無線通信部分布線時(shí),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(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：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(dá)到有效抗干擾的目的 ;二是nRF2401 芯片底部應(yīng)接地 ;為了降低延遲、減少串?dāng)_，確保高頻信號(hào)的傳輸 ，要使用多個(gè)接地過孔將nRF2401芯片底部和地層相連; 三是盡可能地減少串?dāng)_，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(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)輪詢和突出事件報(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(duì)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。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)打開電源，初始化，建鏈后直接進(jìn)入休眠模式，當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)收到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的報(bào)警中斷請(qǐng)求時(shí)，觸發(fā)中斷，激活網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，接收?qǐng)?bào)警信息包，處理完畢后繼續(xù)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待有報(bào)警中斷請(qǐng)求時(shí)，再次激活。若有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)警中斷請(qǐng)求時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)來不及處理而丟掉一些請(qǐng)求，則網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)自己的請(qǐng)求沒有得到響應(yīng)后幾秒鐘，再次發(fā)出請(qǐng)求，直到得到中心節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)為止。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用串行口通信方式。在程序設(shè)計(jì)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(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)的設(shè)計(jì)采用了模塊化設(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。