基于无线传感器网络技术智能家居报警系统设计.pdf
?收稿日期:2007-09-13基金项目:建设部科研基金项目(2007-k3-4)作者简介:郑君刚(1973?),男,讲师,博士研究生,主要从事智能建筑、无线网络研究.文章编号:1671-2021(2008)02-0345-04基于无线传感器网络技术智能家居报警系统设计郑君刚1,吴成东2,刘大任3,韩中华2,白?亮4(1?沈阳建筑大学理学院,辽宁 沈阳 110168;2?沈阳建筑大学信息与控制工程学院,辽宁 沈阳 110168;3?沈阳建筑大学学报编辑部,辽宁 沈阳 110168;4?沈阳建筑大学网络中心,辽宁 沈阳 110168)摘?要:目的 针对无线传感器网络技术和智能家居报警的特点,研究一种基于无线传感器网络技术的智能家居报警系统.方法 通过搭建该报警系统结构框图,设计了报警系统的网络节点,利用许可证技术来保证信息的传输准确.结果 通过软硬件的结合,设计了报警系统的软件,给出了报警系统的网络节点硬件设计方法,采用的许可证技术提高了报警信息传送的安全性和准确性.结论 实验表明,该系统使用方便、稳定可靠,有一定的实用价值.关键词:无线传感器网络;报警系统;网络节点;许可证技术中图分类号:TU986.2?文献标识码:A?随着人们生活水平的不断提高和安全防范意识的逐步增强,人们开始越来越关心自己的居住环境,不仅要求家居环境的人性化和舒适化,而且对智能化和安全化也提出了更高的要求.报警系统作为智能家居系统的一个重要组成部分,其性能的好坏直接关系到整个智能家居系统的好坏.把无线传感器网络应用到智能家居报警系统中,通过各种传感器实时采集家居的环境信息,以无线的方式将信息传输给家居控制中心,能够弥补有线设备的缺陷,具有价廉、可靠性高、易于校正等优点1.笔者根据无线传感器网络和智能家居的特点,提出了基于无线传感器网络的智能家居报警系统的构成方案,系统设计采用了模块化设计,使其具有很好的移植性和扩展性.1?智能家居报警系统无线传感器网络2-5是由大量传感器节点通过无线通信技术自组织构成的网络,在无线传感器网络系统中,每一个传感器节点都具有无线通信功能,各个测点的传感器单元对此处的参数进行测量,并组成一个无线网络,将测量的数据以无线方式送给监控中心.应用无线传感器网络技术的智能家居报警网络由门磁开关、红外线传感器、火灾烟感传感器、煤气泄露传感器、玻璃破碎报警器等传感器网络节点形成一个无线传感器网络.笔者在报警网络中采用了星型拓扑结构,由一个与计算机相连的无线通信模块作为网络的中心节点,可以跟网络中的任何一个网络节点通信,网络节点将家居环境中的各个参数进行测量、采样,将采集到的数据发往中心节点,并且对中心节点发来的数据、命令进行分析处理,完成相应的操作.智能家居报警网络框图如图 1 所示.该报警系统采用星型拓扑结构,能够很好地扩展组合,容易增加网络节点,满足在家居中网络节点分布的不确定性,可以在房间、隔离处放置网络节点,避免无线干扰和报警区域不确定性的问题,由中心节点对多个网络节点所传递的数据进行综合处理,分析是否发出报警信号.在一定程度上降低报警系统的误报,提高无线报警系统的可靠性.在报警系统网络中,网络节点的主要作用是采集数据,并把数据以无线传输的方式传送给网络中心节点,由中心节点对这些数据进行综合分析处理,以此决定是否给予报警.2 0 0 8 年 3 月第24卷 第 2 期?沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of Shenyang Jianzhu University(Natural Science)?Mar.?2008Vol?24,No?2图 1?智能家居报警系统2?无线报警网络节点设计无线报警网络节点是组成智能家居报警系统的基本单位,是构成智能家居报警系统的基础平台.网络节点需完成信息采集和数据传递的功能,节点中的电源模块还负责节点的驱动,是决定网络生存期的关键因素.在网络节点设计过程中采取了以下设计原则:在元件的选择上,采用常用器件,同时考虑兼容性和通用性;分析节点结构,采用模块化设计,划分各模块的功能.网络节点一般包括无线通信模块、数据处理模块、数据采集模块和电源模块等部分,其结构见图 2.图 2?无线报警网络节点结构图2?1?数据处理单元数据处理单元负责控制整个网络节点,是整个网络节点的计算核心,也是无线报警网络节点的核心部件.网络节点需要使用一个低功耗,功能相对强大的处理器.使网络节点能与无线通信模块进行数据交流,实现数据的采集和处理,对电源节能,管理整个网络节点运行状态及检测等.在网络节点设计中,处理器的选择非常重要.低功耗处理器的选择主要考虑单片机的工作电压,提供的低功耗模式以及减少外围电路等方面.笔者选用了T I 公司的 MSP430 系列单片机6.在工作电压上,MSP430系列单片机的工作电压范围很宽,为 1.8 3.6V,而多数单片机的工作电压多为 5V,且范围较窄;MSP430 系列单片机提供有 5 种低功耗模式,以利于在各种条件下实现低功耗模式;外围器件上,MSP430 系列的很多芯片都集成了12 位A/D 模块和FLASH 存储单元等,降低了外围电路复杂度和系统 的功耗.笔者采用的MSP430F149 处理器是该系列中典型一款处理器,具有很低的功耗,电压在 1?8 3?6 V,1MHz的时钟条件下运行,耗电电流为 0?1 400 mA.RAM 在节电模式耗电为 0?1 mA,等待模式下仅为0?7 mA,采用 16RISC 结构,其丰富的寻址方式,简洁的内核指令,较高的处理速度,大量的寄存器以及片内数据存储器使之具有强大的处理能力,丰富的芯片内外设接口可使整个电路变得非常简化,减少了网络节点的功耗和体积,适应于无线报警网络节点.2?2?数据传输单元数据传输单元负责与其他节点进行无线通信、交换控制消息和收发采集数据,其中无线通信损耗的能量占整个无线报警网络能耗的主要部分,因此该模块的选择事关低功耗设计的全局.无线收发部件采用的调制模式、数据率、发射功率和操作周期等都是影响通信能量消耗的关键因素.选择无线收发芯片时应考虑功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元件数量、芯片成本等因素.笔者采用的 CC2420 1是 IEEE802?15?4标准的低成本,低功耗,单片高度集成的芯片,它工作在2?4 GHz,ISM 频带上,具有 2MChips/s直接扩频序列基带调制和 250kb/s 的有效数据速346?沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 24卷率,低电流消耗;接收 19?7 mA,发射17?4 mA,低电源电压要求.可编程输出功率,独立的 128 字节发射.接收数据缓冲器,电池电量可监控,该芯片具有良好的性能,尤其是它极低的电流消耗,可以满足无线报警网络节点的体积小、功耗小、成本低等特点.2?3?节点设计要点及注意事项无线通信部分是网络节点设计的重点与难点,也是报警系统设计的关键.在网络节点设计过程中遇到的主要问题及解决方法有:CC2420 的载波频率是 2?4 GHz,每 5 MHz 增加一个频道,而晶振的精确度将影响载波的频率,从而影响通信的建立和稳定性.CC2420 要求时钟源的精度在 40!10-6以内.如果使用外部晶振应尽量使用精度高、性能稳定的四脚贴片晶振.CC2420 射频电路工作在 2.400 0 2.483 5 GHz 高频率工作频段,抗干扰设计直接关系到射频性能和整个网络节点的运转情况.在无线通信部分布线时,合理的布局与布线及采用多层板既是布线所必须的,也是降低电磁干扰提高抗干扰能力的有效手段.布线时需要注意以下几点:一是无线通信部分电路没有用做布线的面积均需用铜填充并连接到地,以提供 RF 屏蔽达到有效抗干扰的目的;二是 CC2420芯片底部应接地;为了降低延迟、减少串扰,确保高频信号的传输,要使用多个接地过孔将 CC2420 芯片底部和地层相连;三是尽可能地减少串扰,减少分布参数的影响,器件要紧密地分布在 CC2420 的四周,并使用较小封装.3?系统软件设计在智能家居报警系统中,采用的是网络中心节点轮巡查询和突出事件报告机制.中心节点每隔一定的时间向每一个网络节点发送要数命令,网络节点收到要数命令后,向中心节点回发数据.如果发生紧急事件,网络节点可以主动向中心节点发送报告,由中心节点进行处理并发出相应报警信息.中心节点可以对网络节点的阈值参数进行设置,以满足不同用户的需要.在智能家居报警系统中,每一个网络节点都有一个固定的地址,传送的数据基本都是短消息,信息的格式包括帧头,目的地址,数据大小,数据内容和校验位.网络节点打开电源,初始化,建链后直接进入休眠模式,当中心节点收到网络节点的报警中断请求时,触发中断,激活网络节点,接收报警信息包,处理完毕后继续进入休眠状态,等待有报警中断请求时,再次激活.若有多个网络节点同时向中心节点发送报警中断请求时,中心节点来不及处理而丢掉一些请求,则网络节点发现自己的请求没有得到响应后几秒钟,再次发出请求,直到得到中心节点的响应为止.网络节点采用串行口通信方式.在程序设计中主要采用中断的方法来完成数据的接收和发送,网络节点的程序流程如图 3所示.图 3?网络节点流程图智能家居报警系统的报警信息在传输的过程中易出错,而且由于家居内的干扰源较多,信息的传输易受干扰,为了保证智能家居报警网络可靠运行的关键是报警信息的准确传送,在智能家居报警系统中,节点间相互传递信息就会产生两个危险:一是接收方如何确定收到的信息是否来自正确的发送方;二是发送方如何确定信息到达了正确的接受方,而没有被其他节点接收.根据无线传感器网络的特点,笔者采用许可证技术来保证信息的正确传送 8-9.许可证是一个数据结构,它包括网络节点的信息、权限、等级、密钥等信息,用于确定网络节点的身份信息、操作权限和提供必要的密钥.对于许可证的使用主要有三个部分:许可证生成;许可证解析和使用;许可证的存储和管理.采用许可证技术,智能家居报警系统网络中报警信息传递过程如下:第 24 卷郑君刚等:基于无线传感器网络技术智能家居报警系统设计347?(1)网络节点向中心节点发送信息,并附加本设备信息.(2)中心节点收到信息后,先将信息和网络节点的设备信息存储在一个缓冲区中,然后将网络节点的节点信息与本地存储器中的访问权限表相比较,确定网络节点是否有权向中心节点发送信息.(3)如果网络节点是有权限的发送节点,那么中心节点接收该网络节点发送的信息,并向该网络节点发送 正确接收#的反馈信息.如果该网络节点是非授权的发送节点,则中心节点拒绝接收信息,清空缓冲区.采用许可证技术能够保证报警信息安全、有效地到达中心节点.4?结?语笔者根据无线传感器网络和智能家居的特点,设计了一种基于无线传感器网络的无线报警系统.该无线报警系统可以对整个家居的安全环境进行实时监控.监控的范围包括:室内防盗、火灾报警、煤气泄露、水管破裂等一系列不安全因素.一旦有上述安全事故的发生,该报警系统就会发出相应的报警信息,可以使户主在得到报警信息后,立即采取有效的应急措施,对事故进行紧急处理.通过在实验室搭建了一个小型报警系统进行实验,结果表明:采用基于无线传感器网络的报警系统具有较高的通信效率和较好的稳定可靠性.参考文献:1?员天佑,谢阅.基于 GSM 的远程住宅智能监控系统的设计与实现 J.微计算机信息,2006,22(5):95-96.2?Egan D.The emergence of ZigBee in building au?tomation and industrial control J.Computing&Control Engineering Journal,2005,16(2):14-19.3?Edgar H,Callawy J,Callaway E H.Wireless sensornetwork:Architectures and protocols M .NewYork:Auerbach Publications,2003.4?郑霖,曾志民,万济萍,等.基于 IEEE802.15.4 标准的无线传感器网络 J.传感器技术,2005,24(7):86-88.5?Wang A,Chandrakasan A.Energy-efficient DSPsfor wireless sensor network J.IEEE Signal Process?ing 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ofalarming system,and designed the network node and software of the alarming system.T he license technolo?gy is brought forward,which is used to improve the safety and veracity in communication.It is proved to bereliable and easy to be used by experiments.Key words:wireless sensor network;alarming system;network node;license technology348?沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 24卷
