基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的家庭安防報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)代化居住格局使家庭生活的封閉性越來越強(qiáng)，安全問題顯得尤為重要。當(dāng)前安全防范及報(bào)警系統(tǒng)是確保住宅、住戶安全的極為重要的途徑之一，同時(shí)也是數(shù)字化家庭的重要組成部分。遇到匪警、火警、煤氣泄漏等緊急情況時(shí)，及時(shí)通過電話完成對(duì)外報(bào)警求助十分必要。

　　本文介紹了一種由嵌入式報(bào)警主機(jī)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的智能電話報(bào)警系統(tǒng)。采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使家庭的安防傳感器形成一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)；利用雙音多頻編解碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)撥號(hào)、語音報(bào)警及簡(jiǎn)單的電話控制；采用以S3C2410為核心處理器的嵌入式開發(fā)平臺(tái)，構(gòu)建了一個(gè)配置容易、功能強(qiáng)大、覆蓋范圍大的新型嵌入式報(bào)警系統(tǒng)。 1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)由一個(gè)報(bào)警主機(jī)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成。圖1是系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖中的無線通訊模塊結(jié)構(gòu)完全相同。報(bào)警主機(jī)由基于S3C2410的32位嵌入式微控制器的開發(fā)平臺(tái)和無線通訊模塊組成。報(bào)警主機(jī)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成星型拓?fù)錈o線網(wǎng)絡(luò)。

　　利用S3C2410本身所具有的IIS接口，通過擴(kuò)展UDAl341構(gòu)成音頻處理模塊[1]，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)通道的音頻輸入和一個(gè)通道的音頻輸出，報(bào)警主機(jī)通過IIS接口來交換音頻數(shù)據(jù)，音頻信號(hào)經(jīng)過音頻功率放大后由音頻變壓器耦合進(jìn)入電話線路以盡可能減小對(duì)雙音多頻DTMF(DualTone Multi Frequency)信號(hào)的影響。

　　振鈴檢測(cè)模塊[2]首先將電話線的信號(hào)通過整流濾波后送入S3C2410的外部中斷輸入端，S3C2410根據(jù)不同的鈴音信號(hào)控制電話接口電路實(shí)現(xiàn)不同的操作，同時(shí)識(shí)別信號(hào)的類型和次數(shù)并提供給上層應(yīng)用程序。當(dāng)摘掛機(jī)控制模塊接收到CPU發(fā)出的摘掛機(jī)控制信號(hào)時(shí)，模塊中的繼電器接入或斷開一個(gè)300Ω電阻以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)摘掛機(jī)[3]。

　　該系統(tǒng)中，DTMF編解碼電路采用MT88L89作為DTMF信號(hào)的編解碼核心器件。遠(yuǎn)端用戶的電話按鍵產(chǎn)生的DTMF信號(hào)經(jīng)耦合電容的隔直流后，由MT88L89接收并進(jìn)行譯碼，結(jié)束后由中斷控制端發(fā)送中斷信號(hào)，通知CPU數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好以備讀取，MT88L89輸出的四位并行二進(jìn)制數(shù)據(jù)通過Local Bus與CPU相連，此時(shí)CPU可獲取鍵值信息；CPU通過Local Bus向MT88L89依次發(fā)送要撥打的電話號(hào)碼，經(jīng)MT88L89轉(zhuǎn)換為DTMF信號(hào)實(shí)現(xiàn)撥號(hào)功能。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

　　當(dāng)發(fā)生盜情、火災(zāi)、煤氣泄漏等安全隱患時(shí)，傳感器通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)向報(bào)警主機(jī)發(fā)射經(jīng)數(shù)字編碼的報(bào)警信號(hào)。報(bào)警主機(jī)立即發(fā)出警笛聲，同時(shí)主動(dòng)撥通用戶預(yù)先設(shè)置的電話號(hào)碼，將警情以語音的形式通知用戶。語音提示用戶以按鍵形式確認(rèn)收到報(bào)警信息，智能電話報(bào)警器識(shí)別用戶按鍵的鍵值后確定下一步動(dòng)作。系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程布／撤防功能，即主人在身份驗(yàn)證后，能通過電話遠(yuǎn)程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行布／撤防控制。具備被叫搶線功能，當(dāng)用戶家中無人、電話占線或有人從外面打入電話企圖占住報(bào)警線路行竊，盜警發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)搶線撥號(hào)報(bào)警。 2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　在不同的應(yīng)用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成不盡相同，但一般都由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源這四部分組成[4]。被監(jiān)測(cè)物理信號(hào)的形式?jīng)Q定了傳感器的類型。處理器通常選用嵌入式CPU，如Motorola公司的68HCl6、C51系列單片機(jī)等。數(shù)據(jù)傳輸單元主要由低功耗、短距離的無線通信模塊組成，如訊通公司的PTR8000、ZigBee無線模塊等。圖2描述了節(jié)點(diǎn)的組成，其中，實(shí)心箭頭的方向表示數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)中的流動(dòng)方向。

2.1 處理器

　　選用AT89C2051芯片作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的處理器。并且采用I／O口模擬SPI口方式與nRF905通訊，配置存儲(chǔ)器接口也采用I／O口模擬。

2.2 傳感器

　　要求居家安全，應(yīng)確保被監(jiān)視的區(qū)域(陽臺(tái)、門窗、過道、金庫等)置于傳感器的敏感區(qū)域內(nèi)?，F(xiàn)有的傳感器產(chǎn)品很多，如紅外熱釋電探頭、微波多普勒效應(yīng)探頭、微波紅外復(fù)用探頭等，用于檢測(cè)盜賊侵入很靈敏。離子煙感器和半導(dǎo)體氣敏傳感器用于監(jiān)視火警及煤氣泄漏。

2.3 無線通訊模塊

　　外圍MCU通過SPI總線配置PTR8000的內(nèi)部寄存器和數(shù)據(jù)收發(fā)[5]。PTR8000的SPI總線包括四個(gè)引腳：CSN(SPl使能)、SCK(SPI時(shí)鐘)、MISO(主人從出)和MOSI(主出從入)。SPI總線的每次操作都必須在使能引腳CSN的下降沿開始。CSN低電平有效，總線上的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿有效。MCU對(duì)SPI總線的操作不外乎兩種方式：讀和寫。在進(jìn)行讀操作時(shí)，先把CSN置低，然后在MOSI數(shù)據(jù)線上輸出一個(gè)表示讀命令的字節(jié)，與此同時(shí)，PTR8000會(huì)在：MISO數(shù)據(jù)線上輸出1字節(jié)表示狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)，隨后輸出1字節(jié)地址，后面跟隨有效數(shù)據(jù)。在進(jìn)行寫操作時(shí)比較簡(jiǎn)單，MCU先把CSN拉低，然后在MOSI線上輸出寫命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)即可。

2.4 電源

　　在該系統(tǒng)中，nRF905為低電壓器件，電壓要求為3.3V，為了與之接口，AT89C2051也工作在3.3V(AT89C2051是寬電壓器件)電壓下。該系統(tǒng)用+5V電源供電，經(jīng)過板上LT1117-3.3V轉(zhuǎn)換得到3.3V電源。

3 報(bào)警主機(jī)的設(shè)計(jì)

　　在該系統(tǒng)中，報(bào)警主機(jī)作為連接公共電話網(wǎng)(PSTN)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。其硬件采用優(yōu)龍F(tuán)S2410的核心板，并根據(jù)需要重新設(shè)計(jì)了外設(shè)板。FS2410核心板上集成了ARM9 2410處理器、64MB SDRAM、64MB NAND FLASH、2MB NOR FLASH以及以太網(wǎng)控制器，為軟件開發(fā)提供了足夠的空間。

　　外設(shè)板上提供了一個(gè)10M／100M以太網(wǎng)接口、三個(gè)RS-232串口、兩個(gè)USB接口、一個(gè)RJ11接口，擴(kuò)展了一個(gè)無線通訊模塊、一個(gè)電話報(bào)警模塊及電源模塊等。外設(shè)板上的以太網(wǎng)接口可以直接與Internet相連，外設(shè)板上的RS-232串口通過MAX232與元線傳輸模塊PTR8000相連。

　　報(bào)警主機(jī)選用ARM Linux操作系統(tǒng)，以此為基礎(chǔ)，移植了嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite，并開發(fā)了智能電話報(bào)警軟件，具有主動(dòng)語音報(bào)警、遠(yuǎn)程撤防／設(shè)防、遠(yuǎn)程設(shè)置報(bào)警電話等功能。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(下位機(jī))和報(bào)警主機(jī)系統(tǒng)端(上位機(jī))的軟件設(shè)計(jì)。由于篇幅有限，這里僅介紹數(shù)據(jù)無線通信策略及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)主程序。

4.1 上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信策略

　　該系統(tǒng)中，報(bào)警主機(jī)與每個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間均采用無線方式傳輸數(shù)據(jù)。通信協(xié)議采用如表1所示的幀格式。

　　表1中，前導(dǎo)字符可采用0xAA、0xAA、0xAA、0xAA、0xFF、0x00共6字節(jié)，其中前4字節(jié)為同步信號(hào)，后2字節(jié)為幀起始標(biāo)志；幀的總長度不允許也不會(huì)超過256字節(jié)，如果超過就分為多個(gè)256字節(jié)的幀傳輸；幀類型字段用于定義命令和響應(yīng)的幀格式，該字段為8bit，協(xié)議幀分為初始化幀、確認(rèn)幀、數(shù)據(jù)幀、控制命令幀等多種類型；地址標(biāo)明數(shù)據(jù)幀的目的地址；校驗(yàn)為CRCl6校驗(yàn)碼。

　　系統(tǒng)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與報(bào)警主機(jī)組成一個(gè)單跳星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。每個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都有唯一的節(jié)點(diǎn)號(hào)，該節(jié)點(diǎn)號(hào)由報(bào)警主機(jī)分配，可以被報(bào)警主機(jī)尋址。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)開機(jī)后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，報(bào)警主機(jī)按照上述協(xié)議封裝查詢命令發(fā)送給下位機(jī)。下位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，先判斷前導(dǎo)字符以確定是否為有效數(shù)據(jù)，然后校驗(yàn)。通過校驗(yàn)后，判斷地址是否是本機(jī)地址；若是，則解開封包進(jìn)行相應(yīng)操作；若為查詢命令，則按上述協(xié)議封裝報(bào)警信息返回給報(bào)警主機(jī)，否則此下位機(jī)丟棄該數(shù)據(jù)包。報(bào)警主機(jī)收到報(bào)警協(xié)議幀后，主動(dòng)撥打預(yù)先設(shè)置好的電話號(hào)碼，并把報(bào)警通過語音播放出去。報(bào)警主機(jī)則按照同樣的方式繼續(xù)查詢下位機(jī)，直到找到所要通信的下位機(jī)為止。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)序由主站統(tǒng)一控制，保證了不會(huì)出現(xiàn)訪問沖突。

4.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)程序由主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、與上位機(jī)通信的子程序等部分組成。這里主要介紹主程序的設(shè)計(jì)。

　　主程序是下位機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的核心，主要完成對(duì)各子程序的調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)及向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)下位機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送的指令時(shí)，就按照指令去執(zhí)行相應(yīng)的操作。主程序流程圖如圖3所示。

　　系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將家庭安防傳感器組成一個(gè)星型拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)有煙霧報(bào)警或紅外報(bào)警信號(hào)時(shí)，可以主動(dòng)撥打主人的電話，使主人能在第一時(shí)間了解家庭的安全隱患。用戶也可以通過電話遠(yuǎn)程設(shè)置新的報(bào)警電話號(hào)碼以及遠(yuǎn)程布防和撤防等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)報(bào)警主機(jī)的簡(jiǎn)單控制。增加系統(tǒng)的控制功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家電設(shè)備的遠(yuǎn)程電話控制，將大大促進(jìn)家庭的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化進(jìn)程。