基于无线网络的智能家居安防系统

李子云

(东南大学吴健雄学院，南京210096)

1 引言

随着社会经济的快速发展，人们的生活水平提高到一个新的层次，对生活环境的要求越来越高。正在兴起的基于物联网技术的智能家居使人们逐渐迈入以数字化和网络化为平台的智能化社会［1-2］。安防系统是智能家居中的一个重要组成部分［3］。目前它正朝着前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化的方向发展。

利用 GPRS 技术［4］、嵌入式技术［5-6］及无线网络技术［7-8］、传感器技术［9］、数字视频［10］技术等，设计并实现了一种基于无线网络技术的智能家居安防系统。利用无线网络技术布点方便的优势，覆盖用户住宅，节点由无线模块、环境监测传感器及外围器件组成。由主控节点进行控制，在发现警情后拍摄现场，并将图像信息及警情信息发送至主控节点。主控节点利用GPRS模块远程通知用户手机。同时，用户可以通过手机或互联网远程控制系统对所属节点进行相应控制。实践表明，该智能家居系统具有成本低、功耗低、布点方便等特点，有很强的推广价值和广阔的市场前景。

2 系统设计

基于CC1101的无线物联网智能家居安防控制系统由主控节点及分节点构成的无线网络所组成，如图1所示。

系统由主控节点及各分节点构成的无线网络组成。主控节点主要完成对分节点的控制及人机交互功能，由GPRS模块、ARM主控模块、按键模块、彩屏模块、SD卡模块、CC1101无线模块等组成。分节点主要完成对发生警情的现场进行监控功能，根据需要配备门磁传感器、煤气探测器、红外传感器等设备，感知警情的发生，再控制摄像头模块对现场拍摄，由CC1101模块完成图像数据的传输。主控节点收到数据后由GPRS模块将图片发送至用户手机对现场进行确认。系统预留了Internet接口，使得用户可以通过网络对系统进行控制。系统预留了智能家居控制接口，使系统可以实现智能家居功能。

图1 无线物联网智能家居安防系统

3 系统硬件设计

由于系统需要处理数字图像及相关无线通讯等大量的数据，因此，系统选取由意法半导体公司生产的基于32位处理器芯片STM32F103XX增强型。该系列内最大具有256KB FLASH及48KB RAM，片上集成 D/A、PWM、CAN、USB、SPI等接口。

为了完成无线网络内大量数据的传输，系统采用TI公司的高性能低功耗CC1101无线通信芯片，其最大传输数率达500kbps，灵敏度达到-110dBm。CC1101与微处理器间仅需6条接口线，SCLK，SO，SI，CSN组成 SPI接口与处理器通信，GDO0与GDO2主要完成FIFO状态信号输出，与处理器IO连接采用中断方式获得CC1101状态信息，电路如图2所示。

图2 CC1101模块电路图

为了实现方便的人机交互功能，系统配置了2.8寸TFT彩屏模块及小键盘，2.8寸TFT彩色液晶屏采用ILI9325驱动，支持320×240分辨率，同时内置173KB的RAM，电源为2.8V-3.3V，背光电源最高3.2V，可与控制器直接连接，兼容8/16位数据接口，使用控制器的 IO口模拟16位数据总线与ILI9325通信。为有效去除键盘抖动，高效利用芯片资源而采用ZLG7290A模块，可连接多达64键的键盘接口，具有双击互锁、去抖处理等功能。I2C串行通信协议，与控制器接口线仅需4条，支持中断输出。GPRS功能采用华为公司生产的高性能高稳定工业级GPRS模块GTM900，它支持标准的AT命令及增强的AT命令，通过UART接口与外部CPU通信，主要能实现数据无线发送和接收、基带处理、音频处理等功能，电路如图3所示。

图3 GPRS模块电路

同时，为防止意外情况突然断电而为系统设计备用电池模块，备用电池通过二极管连接STM32的VBAT引脚，有效防止电池反充。为将每日监控的数据存储，供日后备份，系统设计SD卡模块，使用STM32自带SPI接口实现控制SD卡读写，最大读写速度达到2M/S，使用CLK控制时钟信号，MOSI与MISO引脚控制数据传输，CS引脚控制SD卡使能，各引脚连接20K上拉电阻完成SD卡控制功能。

4 系统软件设计

为实现无线网络通信功能，本系统采用状态机机制控制无线网络中的节点运行状态。无线网络中的节点状态分为休眠状态、等待状态、运行状态。节点进入休眠状态后依靠现场各传感器信号激活，进入运行状态对现场监控。并进入数据传输状态将监控状况发送给主控节点，而主控节点如果处于“繁忙”状态时，将会使无线节点处于等待状态，处于等待状态的无线节点会由于主控节点的主动调用而处于运行状态，状态转换如图4所示。

主控节点平时处于空闲状态，每隔一段时间将进入自检状态，向监控的子节点发送问询指令。子节点收到指令将向主控节点应答以确保子节点仍处于监控状态，否则将向用户发出警报信息告知监控区域出现盲点。由于用户按下键盘、手机通信、子节点出现警情等事件，主控节点将处于运行状态。多个事件同时请求时，将事件分为不同优先级，优先处理高优先级事件，将其他事件屏蔽。分节点访问主控节点而无应答时，开启载波检测功能，载波存在表明主控节点在与其他节点通信，则隔一段时间后再次请求通信。

图4 无线网络分节点状态转换图

5 结束语

设计了一种基于无线网络的智能家居安防控制系统。利用无线网络容易布点的优势代替有线安防系统对区域进行监控，由资源丰富的STM32系列单片机对无线节点控制，因而利于监控参数后期扩展。利用主控节点对分节点进行控制，为此设计了彩屏、GPRS、键盘等与用户交互的工具，使系统操作简单方便。实践表明系统低成本，性能稳定，易于扩展，有广阔的市场前景。

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