基于无线传感器网络的家庭安防报警系统设计(1)概要(共10页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上现 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

2、 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

3、 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 块基于无线传感器网络的家庭安防报警系统设计 *黄 布 毅 1, 2, 何 超 前 1, 李 冬 富 1, 石 军 1(1. 郑 州 轻 工 业 学 院 , 河 南 郑 州 ; 2. 河 南 省 科 学 技 术 厅 , 河 南 郑 州 摘 要 :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 。 阐 述 了 系 统 的 功 能 及 组 成 , 介 绍 了 无

4、线 通 讯 协 议 以 及 部 分 软 件 流 程 。采 用 无 线 传 感 器 网 络 技 术 , 使 安 防 传 感 器 节 点 形 成 一 个 无 线 网 络 ; 利 用 双 音 多 频 编 解 码 技 术 实 现 了 拨 号 、 语 音 报 警 及 简 单 的 电 话 远 程 控 制 , 使 其 成 为 操 作 简 便 、 实 时 性 好 的 新 型 报 警 系 统 。关 键 词 :无 线 传 感 器 网 络 电 话 报 警 双 音 多 频 电 话 控 制*河 南 省 杰 出 人 才 创 新 基 金 项 目 :嵌 入 式 家 庭 网 络 中 央 控 制 器 研 究 与 应 用(项 目

5、编 号 :(接 上 页 PLL 锁 相 环 进 行 倍 频 作 为 模 糊 控 制 器 逻 辑 推 理 的 输 入 时 钟 , 控 制 系 统 的 Min 模 块 需 要 6个 时 钟 周 期 才 能 完 成 逻 辑 推 理 , 即 推 理 速 度 能 达 到 30MHz , 同 时 各 项 控 制 性 能 指 标 也 能 达 到 设 计 要 求 。 由 于 本 文 设 计 的 模 糊 控 制 器 芯 片 离 实 际 应 用 还 有 一 定 的 距 离 , 在 实 时 工 况 下 的 各 项 控 制 性 能 指 标 也 有 待 测 试 验 证 , 本 文 作 者 还 将 做 进 一 步 的 研

6、 究 。参 考 文 献1PARRIS C P, HAGGARD R L. An architecture for a high speed fuzzy logic inference engine in FPGAs J. System Theory,1997.Proceedings of the Twenty-Ninth Southeastern Symposium, on9-11March 1997:179-182. 2HUNG D L. Design and rapid prototyping a high per-formance hardware fuzzy controller wi

7、th adaptabilityJ. Industrial Technology, 1994. Proceedings of the IEEE International Conference on5-9Dec.1994:263-267. 3MELGAREJO M A, ANTONIO G R, CARLOS A. Pefia-Reyes. Pro-Two:a hardware based platform for real time type-2fuzzy inference J. FUZZ-IEEE 2004:977-982. 4GAONA A, OLEA D, MELGAREJO M. D

8、istributed arith-metic in the design of high speed hardware fuzzy infer-ence systemsJ.Fuzzy Information Processing Society, 22nd International Conference of the North American 24-26 July 2003:116-120.5朱 伟 兴 , 唐 骏 , 何 仁 . 自 适 应 阶 梯 模 糊 控 制 在 电 涡 流 缓 速 器 中 的 应 用 J. 江 苏 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 , 2006, 27(2

9、:126-129. (收 稿 日 期 :2006-08-24!74电子技术应用 2007年第 1期 欢迎网上投稿 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 1, 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

10、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 (Dual Tone Multi Frequency 信 号 的 影 响 。振 铃 检 测 模 块 2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

11、 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电 阻 以 实 现 自 动 摘 挂 机 3。 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

12、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

13、 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

14、 , 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 4。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 ,

15、 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

16、 , 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

17、通 过 SPI 总 线 配 置 PTR8000的 内 部 寄 存 器 和 数 据 收 发 5。 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

18、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

19、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 ARM92410处理器、 64MB

20、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

21、无 线 传 输 模 块 传 感 器 AD/DA应 用 程 序存 储 器CPU数据传输模块 数 据 处 理 模 块电 源 模 块图 2无 线 网 络 化 传 感 器 结 构 简 图数 据 采 集 模 块75电子技术应用 2007年第 1期 本 刊 邮 箱 :etancse . com . cn电子技术应用 2007年第 1期欢迎网上投稿 表 1通 信 协 议 的 帧 格 式前 导 字 符帧 长 度帧 类 型帧 编 号地 址数 据校 验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 ,

22、 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

23、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

24、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

25、 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

26、 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

27、 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

28、 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 。 参 考 文 献1温 文 玉 , 李 敏 , 黄 廷 磊 . 音 频 设 备 UDA 1341驱 动 技 术 J.桂 林 电

29、 子 工 业 学 院 学 报 , 2005, 10.2严 丽 平 , 袁 可 风 . 基 于 PSTN 的 电 话 远 程 控 制 器 的 研 究J. 华 东 交 通 大 学 学 报 , 2005,1.3陆 桂 明 , 韩 红 玲 . 一 种 多 功 能 电 话 自 动 报 警 系 统 J.华 北 水 利 水 电 学 院 学 报 , 2005,3.4任 丰 原 , 黄 海 宁 , 林 闯 . 无 线 传 感 器 网 络 J. 软 件 学 报 ,2003,7.5金 保 华 , 张 勇 , 崔 光 照 . 基 于 nRF905的 无 线 数 据 多 点跳 传 通 信 系 统 J. 仪 表 技 术 与 传 感 器 , 2004,9.(收 稿 日 期 :2006-08-13Measurement Control Technology and Instruments76专心-专注-专业