基于Basic-RF的家居環(huán)境監測預警系統設計

摘要：針對實(shí)際應用需求，結合Basic-RF無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)和GSM通信技術(shù)設計了一種基于Basic-RF的家居環(huán)境監測預警系統。系統由信息處理子系統和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )子系統兩部分組成，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )子系統利用CC2530的Basic-RF雙向無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議結合應用層算法構建，信息處理子系統以STM32單片機為核心，利用ENC28J60網(wǎng)絡(luò )模塊以及SIM900A短信模塊實(shí)現數據的遠程傳輸。用戶(hù)可通過(guò)上網(wǎng)設備方便地監測家居環(huán)境數據，當環(huán)境異常時(shí)會(huì )及時(shí)收到報警短信。實(shí)驗結果表明，該系統具有穩定性高、實(shí)用性強、靈活性好的優(yōu)點(diǎn)，對家居環(huán)境監測和預警具有廣泛的應用前景。

隨著(zhù)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;一套實(shí)用性強、靈活性好、穩定性高的家居環(huán)境監測預警系統將會(huì )得到越來(lái)越多的應用。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是環(huán)境監測預警系統重要組成部分，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )根據實(shí)際需要選擇德州儀器CC2530芯片的Basic RF無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議結合應用層算法程序構建了一種穩定、高效、滿(mǎn)足實(shí)際需求的樹(shù)狀無(wú)線(xiàn)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標準的數據包的收發(fā)功能，還提供安全通信所使用的CCM-64身份驗證和數據加密，為雙向無(wú)線(xiàn)通信提供一個(gè)安全、穩定的協(xié)議。如圖1所示，應用層(Application)算法搭建在Basic RF層之上，使無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)形成樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )，各個(gè)節點(diǎn)都有自動(dòng)檢測重連功能，用戶(hù)可以根據需求靈活增加刪減網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，某個(gè)節點(diǎn)的損壞不會(huì )影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的信息傳輸，大大提高了系統的靈活性與穩定性。為了讓用戶(hù)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)在信息處理子系統建立顯示家居環(huán)境信息的Web服務(wù)器，用戶(hù)可以利用手機、電腦等上網(wǎng)設備登錄到Web服務(wù)器中方便地查看家居環(huán)境信息，當出現環(huán)境異常時(shí)(如溫度過(guò)高等)，信息處理子系統會(huì )利用GSM模塊及時(shí)向用戶(hù)發(fā)送報警短信。系統克服了傳統監測預警系統靈活性差、穩定性差、監測距離短的缺陷，實(shí)現了用戶(hù)需求對家居環(huán)境信息的遠程安全監控。

1 系統的總體結構

環(huán)境監測預警系統由無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )子系統和信息處理子系統2部分組成。系統框圖如圖2所示。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統采用樹(shù)型結構，分為一級節點(diǎn)、二級節點(diǎn)和傳感器節點(diǎn)。其中一級節點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的核心，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )所檢測到的環(huán)境信息最終都要通過(guò)一級節點(diǎn)傳給信息處理子系統。二級節點(diǎn)主要起到數據中轉的作用，保證了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的傳感器節點(diǎn)可以穩定地與一級節點(diǎn)通信。傳感器節點(diǎn)根據用戶(hù)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(shí)配有以太網(wǎng)控制器ENC28J60和GSM模塊SIM900A，可以讓用戶(hù)方便地利用上網(wǎng)設備連接系統所在網(wǎng)絡(luò )查看家居環(huán)境信息，在家居環(huán)境出現異常時(shí)也可以及時(shí)收到報警短信。

2 系統硬件設計

2.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件設計

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)包括一級節點(diǎn)、二級節點(diǎn)和傳感器節點(diǎn)，這三類(lèi)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的硬件設計主體結構是相同的。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)以德州儀器高性能低功耗的CC2530F256單片機為核心，CC2530F256集成了8051內核，256 KB系統可編程FLASH，8 KB RAM，具有豐富的外圍設備，節點(diǎn)發(fā)射功率可達4.5 dB。在天線(xiàn)部分利用AN9520貼片天線(xiàn)，不僅保證了網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通訊的穩定性，而且大大減少了節點(diǎn)的體積，適合于家居室內網(wǎng)絡(luò )的搭建。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的傳感器節點(diǎn)，通過(guò)CC2530的設備外設與傳感器通信，傳感器的類(lèi)型可以根據用戶(hù)的實(shí)際需求來(lái)靈活決定。在本實(shí)驗中，系統選用了基于I2C總線(xiàn)的TCN75溫度傳感器，DHT11數字濕度傳感器、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(jìn)入DYP-ME003人體感模塊感應范圍時(shí)，DYP-ME003人體感模塊會(huì )輸出高電平告知用戶(hù)檢測環(huán)境中有人活動(dòng)。傳感器節點(diǎn)硬件框圖如圖3所示。

2.2 信息處理子系統硬件設計

信息處理子系統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內核，最高工作頻率可達72 MHz，內置256 KB閃存以及64 KB的SRAM，并且擁有強大的外設接口，是一款低價(jià)格、低功耗、高性能的微控制器解決方案。另外，信息處理子系統配有SD卡存儲單元，可以存儲重要的環(huán)境數據。ENC28J60是帶有行業(yè)標準串行外設接口的獨立以太網(wǎng)控制器，符合IEEE 802.3的全部規范，數據傳輸速率高達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，其性能穩定，外觀(guān)精巧，性?xún)r(jià)比高，可以低功耗數據信息傳輸。信息處理子系統的硬件框圖如圖4所示，實(shí)物圖如圖5所示。

3 系統軟件設計

3.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )子系統軟件設計

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

綜上可知，用戶(hù)可在原有網(wǎng)絡(luò )的基礎上靈活地增加刪減傳感器節點(diǎn)，并且網(wǎng)絡(luò )節點(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 )的靈活性與穩定性。

3.2 信息處理子系統軟件設計

信息處理子系統以意法半導體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)境數據超過(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(hù)發(fā)送報警短信。最后，信息處理子系統會(huì )將家居環(huán)境信息定時(shí)存儲在SD卡中以備用戶(hù)查詢(xún)。

4 實(shí)驗測試

為驗證系統的可行性建立基于Basic RF的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )家居環(huán)境監測預警系統，將信息處理子系統布置在客廳，分別對兩間臥室進(jìn)行溫濕度、煙霧、一氧化碳和是否有人活動(dòng)進(jìn)行監測預警。在臥室2用電烙鐵升高TCN75溫度傳感器周?chē)臏囟?，同時(shí)有人在臥室1中DYP-ME003紅外人體感模塊感應范圍內活動(dòng)，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，證明在檢測范圍內有人活動(dòng)。

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

實(shí)驗證明：利用本系統用戶(hù)可以對家居內溫度、濕度、煙霧、一氧化碳和是否有人活動(dòng)進(jìn)行監測，當家居內出現環(huán)境異常時(shí)(如火災、煤氣泄漏、有外人活動(dòng)等)，用戶(hù)可及時(shí)收到報警信息。

5 結論

家居環(huán)境檢測預警系統用基于Basic RF的無(wú)線(xiàn)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)現了室內溫濕度、一氧化碳體積分數、煙霧體積分數及是否有人活動(dòng)等環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監測預警。實(shí)驗證明，本文的環(huán)境檢測預警系統具備一定的實(shí)用價(jià)值，是一套低成本、穩定性強、操作方便、易于拓展的家居環(huán)境監測預警解決方案。