基于无线传感器网络的家庭安防报警系统设计

现代化居住格局使家庭生活的封闭性越来越强 , 安全问题显得尤为重要。当前安全防范及报警系统是确保住宅、住户安全的极为重要的途径之一 , 同时也是数字化家庭的重要组成部分。遇到匪警、火警、煤气泄漏等紧急情况时 , 及时通过电话完成对外报警求助十分必要。

本文介绍了一种由嵌入式报警主机、无线传感器网络节点构成的智能电话报警系统。采用无线传感器网络技术 , 使家庭的安防传感器形成一个无线网络 ; 利用双音多频编解码技术实现了主动拨号、语音报警及简单的电话控制 ; 采用以 S3C2410 为核心处理器的嵌入式开发平台 , 构建了一个配置容易、功能强大、覆盖范围大的新型嵌入式报警系统。

1 系统的硬件结构和工作原理

1.1 系统的硬件结构

该系统由一个报警主机和无线传感器网络节点组成。图 1 是系统的总体结构简图 , 图中的无线通讯模块结构完全相同。报警主机由基于 S3C2410 的 32 位 嵌入式微控制器的开发平台和无线通讯模块组成。报警主机与无线传感器网络节点构成星型拓扑无线网络。利用 S3C2410 本身所具有的 IIS 接口 , 通过扩展 UDA1341 构成音频处理模块 , 实现了两个通道的音频输入和一个通道的音频输出 , 报警主机通过 IIS 接口来交换音频数据 , 音频信号经过音频功率放大后由音频变压器耦合进入电话线路以尽可能减小对双音多频 DTMF(DualTone Multi Frequency) 信号的影响。

振铃检测模块首先将电话线的信号通过整流滤波后送入 S3C2410 的外部中断输入端 , S3C2410 根据不同的铃音信号控制电话接口电路实现不同的操作 , 同时识别信号的类型和次数并提供给上层应用程序。当摘挂机控制模块接收到 CPU 发出的摘挂机控制信号时 , 模块中的继电器接入或断开一个 300 Ω电阻以实现自动摘挂机。

该系统中 , DTMF 编解码电路采用 MT88L89 作为 DTMF 信号的编解码核心器件。远端用户的电话按键产生的 DTMF 信号经耦合电容的隔直流后 , 由 MT88L89 接收并进行译码 , 结束后由中断控制端发送中断信号 , 通知 CPU 数据准备好以备读取 , MT88L89 输出的四位并行二进制数据通过 Local Bus 与 CPU 相连 , 此时 CPU 可获取键值信息 ; CPU 通过 Local Bus 向 MT88L89 依次发送要拨打的电话号码 , 经 MT88L89 转换为 DTMF 信号实现拨号功能。

1.2 系统的工作原理

当发生盗情、火灾、煤气泄漏等安全隐患时 , 传感器通过无线传感器网络向报警主机发射经数字编码的报警信号。报警主机立即发出警笛声 , 同时主动拨通用户预先设置的电话号码 , 将警情以语音的形式通知用户。语音提示用户以按键形式确认收到报警信息 , 智能电话报警器识别用户按键的键值后确定下一步动作。系统还具有远程布 / 撤防功能 , 即主人在身份验证后 , 能通过电话远程对系统进行布 / 撤防控制。具备被叫抢线功能 , 当用户家中无人、电话占线或有人从外面打入电话企图占住报警线路行窃 , 盗警发生时 , 系统会自动抢线拨号报警。

2 无线传感器网络节点设计

在不同的应用中 , 无线传感器网络节点的组成不尽相同 , 但一般都由数据采集、数据处理、数据传输和电源这四部分组成。被监测物理信号的形式决定了传感器的类型。处理器通常选用嵌入式 CPU, 如 Motorola 公司的 68HC16 、 C51 系列单片机等。数据传输单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成 , 如讯通公司的 PTR8000 、 ZigBee 无线模块等。图 2 描述了节点的组成 , 其中 , 实心箭头的方向表示数据在节点中的流动方向。

2.1 处理器

选用 AT89C2051 芯片作为无线传感器网络节点的处理器。并且采用 I/O 口模拟 SPI 口方式与 nRF905 通讯 , 配置存储器接口也采用 I/O 口模拟。

2.2 传感器

要求居家安全 , 应确保被监视的区域 ( 阳台、门窗、过道、金库等 ) 置于传感器的敏感区域内。现有的传感器产品很多 , 如红外热释电探头、微波多普勒效应探头、微波红外复用探头等 , 用于检测盗贼侵入很灵敏。离子烟感器和半导体气敏传感器用于监视火警及煤气泄漏。

2.3 无线通讯模块

外围 MCU 通过 SPI 总线配置 PTR8000 的内部寄存器和数据收发。 PTR8000 的 SPI 总线包括四个引脚 :CSN(SPI 使能 ) 、 SCK (SPI 时钟 ) 、 MISO( 主入从出 ) 和 MOSI( 主出从入 ) 。 SPI 总线的每次操作都必须在使能引脚 CSN 的下降沿开始。 CSN 低电平有效 , 总线上的数据在时钟的上升沿有效。 MCU 对 SPI 总线的操作不外乎两种方式 : 读和写。在进行读操作时 , 先把 CSN 置低 , 然后在 MOSI 数据线上输出一个表示读命令的字节 , 与此同时 ,PTR8000 会在 MISO 数据线上输出 1 字节表示状态信息的数据 , 随后输出 1 字节地址 , 后面跟随有效数据。在进行写操作时比较简单 , MCU 先把 CSN 拉低 , 然后在 MOSI 线上输出写命令字节和数据字节即可。

2.4 电源

在该系统中 , nRF905 为低电压器件 , 电压要求为 3.3V, 为了与之接口 , AT89C2051 也工作在 3.3V( AT89C2051 是宽电压器件 ) 电压下。该系统用 +5V 电源供电 , 经过板上 LT1117- 3.3V 转换得到 3.3V 电源。

3 报警主机的设计

在该系统中 , 报警主机作为连接公共电话网 ( PSTN) 和无线传感器网络之间的协议转换网关。其硬件采用优龙 FS2410 的核心板 , 并根据需要重新设计了外设板。

FS2410 核心板上集成了 ARM9 2410 处理器、 64MB SDRAM 、 64MB NAND FLASH 、 2MB NOR FLASH 以及以太网控制器 , 为软件开发提供了足够的空间。外设板上提供了一个 10M/100M 以太网接口、三个 RS- 232 串口、两个 USB 接口、一个 RJ11 接口 , 扩展了一个无线通讯模块、一个电话报警模块及电源模块等。外设板上的以太网接口可以直接与 Internet 相连 , 外设板上的 RS - 232 串口通过 MAX232 与无线传输模块传感器 PTR8000 相连。

报警主机选用 ARM Linux 操作系统 , 以此为基础 , 移植了嵌入式数据库 SQLite, 并开发了智能电话报警软件 , 具有主动语音报警、远程撤防 / 设防、远程设置报警电话等功能。

4 系统软件设计

整个系统软件设计包括无线传感器网络节点 ( 下位机 ) 和报警主机系统端 ( 上位机 ) 的软件设计。由于篇幅有限 , 这里仅介绍数据无线通信策略及无线传感器网络节点系统主程序。

4.1 上位机与下位机的数据通信策略

该系统中 , 报警主机与每个无线传感器网络节点之间均采用无线方式传输数据。通信协议采用如表 1 所示的帧格式。

表 1 中 , 前导字符可采用 0xAA 、 0xAA 、 0xAA 、 0xAA 、 0xFF 、 0x00 共 6 字节 , 其中前 4 字节为同步信号 , 后 2 字节为帧起始标志 ; 帧的总长度不允许也不会超过 256 字节 , 如果超过就分为多个 256 字节的帧传输 ; 帧类型字段用于定义命令和响应的帧格式 , 该字段为 8bit, 协议帧分为初始化帧、确认帧、数据帧、控制命令帧等多种类型 ; 地址标明数据帧的目的地址 ; 校验为 CRC16 校验码。

系统中 , 无线传感器网络节点与报警主机组成一个单跳星型拓扑网络。每个无线传感器网络节点都有唯一的节点号 , 该节点号由报警主机分配 , 可以被报警主机寻址。无线传感器网络节点开机后进入待机状态 , 报警主机按照上述协议封装查询命令发送给下位机。下位机接收到数据后 , 先判断前导字符以确定是否为有效数据 , 然后校验。通过校验后 , 判断地址是否是本机地址 ; 若是 , 则解开封包进行相应操作 ; 若为查询命令 , 则按上述协议封装报警信息返回给报警主机 , 否则此下位机丢弃该数据包。报警主机收到报警协议帧后 , 主动拨打预先设置好的电话号码 , 并把报警通过语音播放出去。报警主机则按照同样的方式继续查询下位机 , 直到找到所要通信的下位机为止。整个网络时序由主站统一控制 , 保证了不会出现访问冲突。

4.2 无线传感器网络节点系统程序设计

无线传感器网络节点系统程序由主程序、数据采集子程序、与上位机通信的子程序等部分组成。这里主要介绍主程序的设计。

主程序是下位机测控系统的核心 , 主要完成对各子程序的调用 , 从而实现报警数据的采集、存储及向上位机发送数据。当下位机接收到上位机发送的指令时 , 就按照指令去执行相应的操作。主程序流程图如图 3 所示。

系统采用无线传感器网络技术 , 将家庭安防传感器组成一个星型拓扑无线传感器网络 , 当有烟雾报警或红外报警信号时 , 可以主动拨打主人的电话 , 使主人能在第一时间了解家庭的安全隐患。用户也可以通过电话远程设置新的报警电话号码以及远程布防和撤防等 , 实现了对报警主机的简单控制。增加系统的控制功能可以实现对家电设备的远程电话控制 , 将大大促进家庭的网络化、数字化、智能化进程。

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