基于ARM和WSNs的智能家居安防系统设计

杨 靖 林 益 李捍东

(贵州大学电气工程学院1，贵州 贵阳 550025;贵州民族学院理学院2，贵州 贵阳 550025)

0 引言

随着社会信息化程度的提高，人们越来越关注如何拥有安全、方便和舒适的家居环境，即智能家居［1］。由于安全是智能家居需要考虑的的首要因素，因此，家居安防系统是当前的研究热点［2－5］。

在传统的家居安防系统中，信息的传送主要分为有线和长距离无线两种方式。有线方式存在安装调试复杂，且线路一经部署更改困难等不足［4］。长距离无线方式主要是基于GSM或GPRS网络进行数据传送［5］。该方式的优点是地域局限性小，不足之处在于GPRS设备的电能消耗大，需使用专门的电源进行供电，且需要网络使用费用，这都增加了系统的使用成本。因此，如何合理利用新技术构建一个通用的家居安防系统，并将各种家庭安防设备统一起来进行集中管理，是一个有待于进行深入研究的课题。

嵌入式技术以应用为中心，通过可裁剪的软硬件以完成特定的功能，被广泛应用在控制及通信领域。无线传感器网络(wireless sensor networks，WSNs)集合了微机电系统(micro-electro-mechanicalsystems，MEMS)、传感测量技术和无线通信技术等多种学科的最新成果，是一门新兴综合性科学技术，被广泛应用于环境监测等多个领域［6－8］。对此，本文运用嵌入式技术和无线传感器网络技术设计了一种智能家居安防系统，并研制了家庭总控制器、探测节点和执行节点。

1 系统整体结构及工作原理

家居安防系统采用的是以家庭总控制器为中心的星型网络拓扑结构。整个系统采用2层结构，底层是部署在家居中的各种探测节点和执行节点，探测节点配置有传感器，可完成所需的监测任务，在执行节点配置有报警设备，可进行声光报警等操作;上层是家庭总控制器，负责监控所有探测节点和执行节点的工作，可通过触摸屏实现人机交互。

该系统中的每个节点都配置有无线通信模块，可通过自组织方式形成无线传感器网络，从而实现家居环境信息的传送。当系统启动后，用户可通过人机交互界面，根据需要完成系统的初始设定，即对系统进行设防或撤防。网络中所有探测节点和执行节点都需进行网络注册，以使家庭控制器确定家居中节点状态和位置等信息。当探测节点监测到家居中的异常情况时，立即将信息通过无线方式(单跳或多跳方式)传送到家庭总控制器和执行节点。总控制器判断家居中何种何处节点发生异常，然后通过GPRS网络以短信形式将报警信息通知用户，从而实现对家居环境的智能化安全防护。

2 探测节点设计

家居安防系统结构如图1所示。

图1 家居安防系统结构图Fig.1 Structure of home security system

探测节点的功能是对家居环境中的异常情况进行探测，并采集各种异常信息。探测节点主要由电源模块、处理器模块、无线通信模块和探测模块组成，其硬件结构如图2所示。

图2 探测节点硬件结构Fig.2 Hardware structure of detection node

2.1 处理器模块及无线通信模块

为简化节点的硬件结构，选用了Nordic VLSI公司于2004年推出的无线单片机芯片nRF9E5［9］。该芯片内嵌8051兼容微处理器、RF收发器和4通道10位A/D转换器，是真正的系统级芯片。

nRF9E5内置的RF收发器与nRF905芯片一样，可工作于ShockBurst方式(可自动处理前缀和地址等)。nRF905可工作于433/868/915 MHz这3个ISM频道(可以免费使用)，频道转换时间小于650 μs;采用GFSk调制，抗干扰能力强;支持多点通信，数据传输速率高达100 kbit/s;其内部寄存器的配置非常方便;具备发射信号载波监测功能，可有效降低功耗电流、避免数据冲突。需要注意的是，nRF9E5需要从外部存储器加载执行程序，因此，应该配置相应的EEPROM存储器。该设计中采用的EEPROM存储器型号为25AA230，它通过SPI接口与微处理器交换数据。通过寄存器设置nRF905工作在433 MHz频段。当nRF905接收到有效数据或检测到周围有载波信号时，可通过中断的方式告知处理器，因此能加快模块收发的响应速度。为提高节点的无线通信能力，选用了单端50 Ω天线，视距条件下射频通信距离可达200 m左右。

2.2 探测模块

家居安防系统需要完成的主要功能有煤气泄漏探测、火警探测以及入侵报警等。为实现这些功能，需要选择合适的传感器。文中探测节点配置的传感器主要有以下几种。

①温湿度传感器

通过探测家居的温度和湿度，可自动控制空调等设备工作，使用户拥有更舒适的生活环境。本设计中选择的温度和湿度传感器是瑞士SENSRION公司生产的SHT75。SHT75将温度、湿度传感器和总线接口均集成在一个芯片上，其供电电压为3.3 V、温度测量范围为40～123.8℃、湿度测量范围为0～100%，并内置有放大器、A/D转换器和输出接口，输出信号为数字量，便于直接与微处理器相连。SHT75与nRF9E5的连接方式如图3所示。

图3 SHT75与nRF9E5的连接图Fig.3 Connections between SHT75 and nRF9E5

②光照度传感器

通过探测光照度，可自动执行关闭窗帘等操作。光照度传感器采用的是TSL2561，它是一款支持I2C串行总线接口的数字光照强度传感器。当它工作在2.7～3.5 V电压下，能够自动屏蔽 50Hz/60Hz光波。TSL2561包括2个光电探测器和1个A/D转换器。其中一个光电监测器可探测可见光和红外线，另一个则只能探测红外线。这2个探测器相结合可以减小周围环境红外光造成的影响。芯片输出信号为数字信号，便于直接与微处理器相连。

③烟雾传感器

为了对家居系统中的火灾或燃气泄漏进行监测，选用了MQ-2和MQ-5型气体传感器，传感器的供电电压为5 V。

④热释电传感器

家居安防系统很重要的一个功能就是及时发现非法入侵者。为了实现对家居的主动安防，需要对非法入侵进行检测，并保证被监测区域(阳台、门窗、过道等)置于传感器的探测区域内。现有入侵检测方法主要有热释电传感器探测、雷达波探测、声音探测、振动探测、音频识别和视频检测等。相比之下，热释电传感器能够探测到红外线辐射的变化，而家居安防中防入侵的对象一般是动物或人，他们的体温一般是恒温的，身体的红外辐射容易被探测到［10］。综合以上各因素并考虑传感器成本，选择热释电传感器实施探测，应该是现有入侵检测技术中较优的方案。

2.3 电源模块

能量供应模块提供节点正常工作所需的能量，为便于安装使用，设计中采用的是可充电电池。考虑到nRF9E5的供电电压为3.3 V，而有些传感器的供电电压为5 V左右，所以选用德州仪器的TPS76033作为电源芯片。该芯片的输出电压为3.3 V，最大输出电流为50 mA。为了降低干扰，在输入端或输出端都接有相应的滤波电容。稳压后，3.3 V电源对nRF9E5供电;5 V电源给热释电传感器等供电。具体的电源电路如图4所示。

图4 电源电路图Fig.4 Circuit of power supply

2.4 探测节点软件设计

当系统启动后，探测节点进行上电初始化，开启探测模式，然后探测节点可进入休眠状态，由节点配置的传感器对家居进行探测。当探测到异常情况时，首先触发探测节点，确定异常发生的位置;然后上报总控制器;最后由总控制器进行决策，确定是否将入侵信息发送给用户。

探测节点在发送数据之前，首先判断CD是否为1，如果CD=1，则表明空间存在有相同频率的载波，在产生一个随机等待时间后，继续检测大气中是否存在相同频率的载波;如果CD不为1，则开始传送数据。探测节点的软件流程如图5所示。

图5 探测节点流程图Fig.5 Software flowchart of detection node

2.5 低功耗设计

由于探测节点采用电池供电，而节点最耗能的工作是通过无线方式发送或接收数据［11］，因此可将无线收发器设置为关闭状态，以降低能耗(此时传感器模块需处于工作状态)。

降低功耗的具体方法为:探测节点的信息，实施触发式发送，即当传感器探测到家居环境的异常变化时，才触发探测节点进入中断模式，并将异常信息进行上报。通过采用触发式探测，可以大量减少探测节点的能量消耗。为了更好地利用资源，在系统中采用载波监听多路访问(carrier sense multiple access，CSMA)这种争用型介质访问控制协议。该协议具有实现简单、不需要集中控制的优点，适用于各种网络系统。

为了进一步降低节点能耗，还可通过系统的撤防节约节点能量，即对红外、烟感等探头进行设置。主人在家时可撤防，使探头减少频繁动作，在延长使用寿命的同时节约节点能量。

3 执行节点设计

3.1 执行节点硬件设计

执行节点的功能是执行声光报警等工作。该系统选用的语音芯片是广州市唯创科技有限公司生产的WTV020-20S，芯片供电电压为2.5 ～3.5 V。扬声器选用的是普通的有源音箱，用于播放简单的报警声。鉴于音箱的功耗较高，文中执行器节点采用了“市电-蓄电池”联合供电方案。

3.2 执行节点软件设计

执行节点的软件流程如图6所示。

图6 执行器节点软件流程图Fig.6 Software flowchart of actuator node

4 家庭总控制器设计

家庭总控制器的功能是对整个系统的工作状态进行监控，需进行人机交互、收集底层网络数据和协调网络节点等操作。考虑到这些功能对总控制器的软硬件平台有较高要求，本设计中选用了ARM处理器为核心构建嵌入式系统，并以Linux操作系统作为软件开发平台。

4.1 总控制器硬件设计

与探测节点和执行节点相比，家庭总控制器要求具有较强的处理能力和运行速度，因此，在设计中采用了具有丰富片上资源的三星公司的32位RISC嵌入式芯片S3C2440芯片。该芯片可根据功能需要，扩展硬件通信接口。

本设计采用4.3英寸(1英寸=25.4 mm)的LCD触摸屏实现人机交互控制，同时采用USB卡存储历史数据等信息。GPRS模块采用的是德国Simens公司的MC35i，通过串行口与S3C2440进行信息交换。无线通信模块采用的是Nordic VLSI公司生产的nRF905芯片。鉴于控制中心的硬件有LCD触摸屏等功耗较高的外设，因此，采用“市电-蓄电池”联合供电模块供电。

4.2 总控制器软件设计

由于Linux具有源代码开放、支持大部分芯片、易于移植和开发等优点［12］，故在设计中针对具体的应用功能，采用嵌入式Linux操作系统完成定制开发。用户应用程序由一系列用来完成相应功能的函数组成，如报警监控程序、数据采集程序和GPRS通信程序等。

5 结束语

本文基于嵌入式系统和无线传感器网络技术，提出了一种家居安防系统的设计方案，并给出了系统各部分软硬件设计的具体实现方法。该系统综合了短距离无线通信和长距离无线通信的优点，通过无线传感器网络和GPRS网络实现家居信息的传送，不但能避免接线的繁杂，而且便于系统部署和实现。该设计方案结构灵活、适用面广，不但可用于家居安防，还可通过选配不同的传感器，用于智能建筑等领域，具有良好的应用前景。

［1］周洪，胡文山，张立明，等.智能家居控制系统［M］.北京:中国电力出版社，2006:1－166.

［2］吴秀华.远程智能化家庭安防系统的设计与实现［D］.厦门:厦门大学，2006.

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［6］孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络［M］.北京:清华大学出版社，2005:14－24.

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［8］李银华，姬光锋，韩郡业.无线传感器网络在温室环境监测系统中的应用［J］.自动化仪表，2010，31(10):61 －64.

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