基于單片機的智能家居無(wú)線(xiàn)報警系統設計

引言

隨著(zhù)電子信息技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現家居信息化、網(wǎng)絡(luò )化是當前智能家居系統發(fā)展的新趨勢。報警系統作為智能家居系統的一個(gè)重要組成部分，其性能的好壞直接關(guān)系到整個(gè)智能家居系統的優(yōu)劣。把無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用到家居報警系統中，通過(guò)各種傳感器實(shí)時(shí)采集家居的環(huán)境信息，通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式將信息傳輸給家居控制中心， 能夠彌補有線(xiàn)設備的缺陷， 具有價(jià)廉、可靠性高、等優(yōu)點(diǎn)。筆者根據無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和智能家居的特點(diǎn)，設計了一種基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的家居無(wú)線(xiàn)報警系統。該無(wú)線(xiàn)報警系統可以對整個(gè)家居的安全環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。監控的范圍包括室內防盜、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，該報警系統就會(huì )發(fā)出相應的報警信息，可以使戶(hù)主在得到報警信息后，立即采取有效的應急措施，對事故進(jìn)行緊急處理。

系統結構

本報警網(wǎng)絡(luò )采用了星型拓撲結構，由中心節點(diǎn)和無(wú)線(xiàn)報警網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)組成。中心節點(diǎn)是一個(gè)與計算機相連的無(wú)線(xiàn)通信模塊，可以和網(wǎng)絡(luò )中的任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通信。無(wú)線(xiàn)報警網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)是組成智能家居報警系統的基本單位，是構成智能家居報警系統的基礎平臺。它由微處理器(AT89C2051)、無(wú)線(xiàn)通信模塊(nRF2401)、環(huán)境監測傳感器(門(mén)磁開(kāi)關(guān)、紅外線(xiàn)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)境的監測和報警信息的傳遞。

智能家居報警網(wǎng)絡(luò )框圖如圖1所示。

圖1 智能家居報警系統

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(luò )節點(diǎn)，滿(mǎn)足在家居中網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)分布的不確定性，可在房間、隔離處放置一個(gè)節點(diǎn)，避免無(wú)線(xiàn)干擾和報警區域不確定性的問(wèn)題，由中心節點(diǎn)對多個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)所傳遞的數據進(jìn)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的誤報，提高無(wú)線(xiàn)報警系統的可靠性。在報警系統網(wǎng)絡(luò )中，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的主要功能是采集數據，并把數據以無(wú)線(xiàn)傳輸的方式傳送給網(wǎng)絡(luò )中心節點(diǎn)，由中心節點(diǎn)對這些數據進(jìn)行綜合分析處理，以此決定是否給予報警。

無(wú)線(xiàn)報警網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件設計

無(wú)線(xiàn)報警網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)主要由微處理器AT89C2051、nRF2401無(wú)線(xiàn)通信芯片、外圍設備和開(kāi)關(guān)量輸入接口的傳感器構成。微處理器AT89C2051是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件系統的核心控制部件，負責接收傳感器觸發(fā)的開(kāi)關(guān)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(shí)現無(wú)線(xiàn)數據傳輸的關(guān)鍵器件。nRF2401工作于2.4~2.5GHzISM頻段,芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊,輸出功率和通信頻道可通過(guò)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,節能設計更方便。網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)采用nRF2401進(jìn)行數據傳輸，來(lái)實(shí)現報警信息的無(wú)線(xiàn)傳輸。網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通過(guò)連接的傳感器感知外部環(huán)境異常變化。例如， 安裝在門(mén)窗位置的紅外接近開(kāi)關(guān)可以用來(lái)監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測到室內出現的突發(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(hù)進(jìn)雨， 屋頂滲漏等因素引起的室內進(jìn)水事件; 安裝在廚房的煤氣報警開(kāi)關(guān)可以用來(lái)監測有無(wú)煤氣泄漏。這些安全監測傳感器， 均為開(kāi)關(guān)量輸入器件， 可以提供全方位的安全監測保障。網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的電路原理圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)電路原理圖

在網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中電源是能源中心,在節點(diǎn)中起著(zhù)非常重要的作用,特別是在無(wú)線(xiàn)通信系統中,電源不光是能源供應者,它也直接影響通信的質(zhì)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(guò)高，電流將會(huì )通過(guò)二極管或分離元件流向電源。而現行的電壓輸出模塊中多為5V電壓，因而需要設計出一個(gè)輸出穩定的5V轉3V的電壓調節模塊。在該系統中，選用專(zhuān)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(diǎn)。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(guò)電源進(jìn)入通信系統中。

另外系統自身的發(fā)送頻率也會(huì )經(jīng)過(guò)電源感應反饋到通信系統造成干擾。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成的濾波電路來(lái)抑制各種高頻信號。使節點(diǎn)能夠得到穩定可靠且低干擾的電源,保證節點(diǎn)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(luò )節點(diǎn)設計過(guò)程中遇到的主要問(wèn)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(guān)系到射頻性能和整個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的運轉情況。在無(wú)線(xiàn)通信部分布線(xiàn)時(shí),合理的布局與布線(xiàn)及采用多層板既是布線(xiàn)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(xiàn)時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：一是無(wú)線(xiàn)通信部分電路沒(méi)有用做布線(xiàn)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(gè)接地過(guò)孔將nRF2401芯片底部和地層相連; 三是盡可能地減少串擾，減少分布參數的影響，器件要緊密地分布在nRF2401的四周。

系統軟件設計

在智能家居報警系統中，采用的是網(wǎng)絡(luò )中心節點(diǎn)輪詢(xún)和突出事件報告機制。中心節點(diǎn)每隔一定的時(shí)間向每一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)發(fā)送要數命令，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)收到要數命令后，向中心節點(diǎn)回發(fā)數據。如果發(fā)生緊急事件，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)可以主動(dòng)向中心節點(diǎn)發(fā)送報告，由中心節點(diǎn)進(jìn)行處理并發(fā)出相應報警信息。中心節點(diǎn)可以對網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的閾值參數進(jìn)行設置，以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需要。在智能家居報警系統中，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)都有一個(gè)固定的地址，傳送的數據基本都是短消息，信息的格式如圖4所示，包括幀頭、目的地址、數據大小、數據內容和校驗位。

網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)打開(kāi)電源，初始化，建鏈后直接進(jìn)入休眠模式，當中心節點(diǎn)收到網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的報警中斷請求時(shí)，觸發(fā)中斷，激活網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，接收報警信息包，處理完畢后繼續進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待有報警中斷請求時(shí)，再次激活。若有多個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)同時(shí)向中心節點(diǎn)發(fā)送報警中斷請求時(shí)，中心節點(diǎn)來(lái)不及處理而丟掉一些請求，則網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)發(fā)現自己的請求沒(méi)有得到響應后幾秒鐘，再次發(fā)出請求，直到得到中心節點(diǎn)的響應為止。網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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(lái)完成數據的接收和發(fā)送。

結語(yǔ)

根據無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和智能家居的特點(diǎn)，提出了基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的智能家居報警系統的構成方案，系統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(shí)驗室搭建了一個(gè)小型報警系統進(jìn)行實(shí)驗，初步實(shí)驗結果表明：采用基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的報警系統具有較高的通信效率和較好的穩定可靠性。