多功能家庭安全无线监控系统.pdf

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1、电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation总第 47 卷第 530 期2010 年第 02 期Vol.47 No.530Feb.20100引言人们对居家的概念已从最初满足简单的居住到注重对住宅的人性化需求，其中安全性是首要目标。传统的家庭安监系统1通常通过有线方式连接传感器、处理器、报警器，监控对象单一，当需要监控多个对象时，布线复杂困难，不便扩展。伴随着数字化和网络化的进程，传统的家庭安全监控与报警系统逐步向无线化、网络化方向发展。但目前国内典型家庭安全无线监控系统2-5监控功能仍然较单一，集成综合性能差，缺乏对防火、防盗、防燃气泄露等安全信息的统

2、一监控。针对现有安全监控系统存在的诸多不足，提出一种集防盗、防火、防燃气泄漏、紧急呼救等功能于一体的家庭安全无线监控系统，研究系统功能及其组成结构，应用无线通信等技术设计系统网络节点，实时采集防火、防盗、防燃气泄露和紧急呼救等各类信息，通过设定不同工作模式，实现家庭安全监控和报警。1家庭安全无线监控系统组成现代家居对家庭安全监控提出的功能要求主要包括：（1）全方位的安全监控，能够对家庭火灾、燃气泄露、室内防盗等进行监控；（2）灵活的工作模式，能够设置白天、夜晚和外出等多种工作模式；（3）电源管理，能够自动检测各节点电池工作情况，当低于一定值时发出报警信息，提醒用户更换电池，同时通过人机交互，用

3、户也能够通过手动方式查询当前节点电池的电量信息。为此，设计了集多种功能于一体的家庭安全无线监控系统，如图 1 所示，中心节点，各传感器节点、中转节点、PC 机、用户手机等组成家庭安全无线监控系统。中心节点和传感器节点是整个系统的核心，利用无线单片机作为控制器，通过短距离无线通信方式实现中心节点和各传感器节点间的数据交互，中心节点多功能家庭安全无线监控系统*张锋，周毅华，张西良，原瑾，丁凯(江苏大学 机械工程学院,江苏 镇江 212013)摘要：应用基于短距离无线通信技术的无线收发芯片 NRF9E5 设计了集防盗、防火、防燃气泄露和紧急呼救等功能于一体的多功能家庭安全无线监控系统。系统运行稳定可

4、靠、便于扩展，能有效避免多路报警数据包的碰撞问题。通过设定白天、夜晚和外出三种工作模式，实现家庭安全监控和报警，且能够以短信方式将报警信息通知用户以便及时采取措施。关键词：无线监控；无线通信；家庭安全；中心节点；传感器节点中图分类号：TP277;TN919文献标识码：B文章编号：1001-1390（2010）02-0026-05Multifunctional Home Security Wireless Monitor SystemZHANGFeng,ZHOUYi-hua,ZHANGXi-liang,YUANJin,DINGKai(School ofmechanical engineering

5、,JiangSu University,Zhenjiang212013,Jiangsu，China)Abstract:A multifunctional home security wireless monitor0ing system,with the function of anti-theft,fire prevention,anti-gas leak and emergency calling for help etc.,is designed by applying the transceiver chip NRF9E5 based onshort-range wireless co

6、mmunication technology.The system runs stable and is easy to be extended,which can avoid datapackets collision of multiple alarms.Day mode,night mode and out mode can be set to realize the home securitymonitoring and alarm.In order to take measures in time,text messages with the alarm information ca

7、n be sent to user smobile phone.Key words:wireless monitor,wireless communication,home security,center node,wireless node*国家科技支撑计划资助项目（2006BAD11A10）；江苏省大学生实践创新训练计划资助项目（20088303）；江苏声大学大学生科研课题资助项目（07B058）26-电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation总第 47 卷第 530 期2010 年第 02 期Vol.47 No.530Feb.2010带有 GP

8、RS 无线通信模块，通过移动 GPRS 网络将报警信息传送至用户手机，同时系统可以通过串口将各类信息上传 PC机。传感器节点包括防盗、防火灾、防燃气泄漏和紧急呼救四种节点。在房屋结构复杂、部分节点远离中心节点而引起的传感器节点和中心节点通信可靠性降低的情况下，需在系统中部署中转节点增强系统可靠性。中心节点、传感器节点、中转节点组成框图如图 2 所示。中心节点由 NRF9E5 无线通信模块，电源模块，LCD 显示器，键盘，GPRS 模块，报警和指示电路组成，具有模式设定，安全监控以及信息发送等功能。传感器节点由传感器及其检测电路、NRF9E5 无线通信模块，电源模块组成。传感器节点是家庭环境信息

9、获取的前端，一旦发生险情，通过无线收发芯片将信息发送至中心节点。系统中的中转节点由 NRF9E5 无线通信模块、指示电路和电源模块组成，具备本地传感器信息融合和数据转发功能。2系统硬件设计2.1NRF9E5无线收发芯片无线片上系统 SOC 的出现，为开发无线通信系统提供了新的选择，同时也使无线通信系统的设计工作更加简化，更容易开发。综合考虑成本、体积、能耗、通信距离、发送速率等多方面因素以及设计要求，选用 Nordic 公司的NRF9E5 芯片。该无线收发芯片对高频模拟和数字电路进行了大量集成，外围电路简单，只需少量元器件就可以构成一个工作在 433MHz 和 868930MHz 的ISM频道

10、无线通信电路，实现 10dB 的无线发射功率，工作距离可以达几百米，数据传输速率可以达到100kb/s，完全符合家庭安全监控的覆盖范围和无线传感器网络中的数据传送速率要求。同时 NRF9E5 具有体积小，功耗低的特点，适合作为本设计节点的主控芯片。2.2中心节点外围电路设计NRF9E5 GPIO 资源有限，为充分利用端口资源，选用分辨率为 12864 的 OLED 液晶显示模块通过SPI 方式同 NRF9E5 相连，如图 3(a)所示，MOSI 和SCK 分别为 OLED 数据和时钟输入，P0.4P0.6 作为OLED控制线。为避免传统线选法设计键盘占用 GPIO 资源多，本设计采用 AD 转

11、换方式实现按键识别，如图 3(b)所示，每一个按键按下时对应一个 AD 转换数字量，通过对这些数字量范围的判断识别相应的按键。GPRS模块采用北京博锐智业 SIMCOM300，模块通过 RS232 通信单元与中心节点的 NRF9E5 无线通信模块进行串口通信。2.3传感器检测电路设计传感器节点使用的传感器包括离子烟雾传感器、振动传感器、红外传感器以及燃气传感器6-9。离子烟雾传感器感应空气中烟雾含量，火灾发生时产生的烟雾使离子烟雾传感器内外电离室离子电流发生变化从而产生电压差，通过对该电压差的检测对进行火灾27-电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentati

12、on总第 47 卷第 530 期2010 年第 02 期Vol.47 No.530Feb.20103系统软件设计软件设计包括节点软件设计及上位机监控管理软件设计。3.1节点程序设计中心节点工作流程如图 5(a)所示，包括无线单片机各软硬件资源初始化、显示器驱动、键盘查询处理、短距离无线通信收发处理、GPRS 通信处理、节点剩余电量定时查询处理和报警信息分析处理等。其中，指令输入方式包括键盘输入、GPRS 模块发送短信输入和个人计算机有线通信输入。短距离无线通信处理包括接受传感器节点信息和发送传感器节点工作参数、指令。报警信息分析处理对接收到的传感器节点发来的数据进行分析和判断，输出相应的报警信

13、息。作为通信协议的重要组成部分，中心节点与其它各节点通信数据数据格式如图 6 所示。前导码由硬件判断，传感器的输出经驱动电路和电平转换后的信号输入 NRF9E5 输入端，如图 4(a)。防燃气泄露节点所使用的催化燃烧式气敏元件具有响应速度快、重复性好，工作稳定可靠的特点，可以检测多种可燃气体，如天然气、液化气、煤气、烷类等。图 4(b)为其接口电路，当有燃气泄露时，催化气敏元件的输出发生变化，输出信号经调理后与设定值进行比较，当气体浓度高于设定值时，输入 NRF9E5 电平信号发生跳变。振动和红外传感器用于联合判断盗窃行为，接口电路如图 4（c）所示。U1，U2，U3 为光电耦合器。当NRF9

14、E5 P0.7 输出高电平时，红外传感器接通电源，当无人在其检测范围内活动时，其输出信号为低电平，光电耦合器 U2 不导通，振动传感器同样没有接通电源，处于不工作状态，此时 NRF9E5 P0.6 输入仍然为高电平；当有人在红外传感器检测范围内活动时，红外传感器输出信号为高电平，光电耦合器 U2导通使振动传感器供电进入工作状态。当没有暴力入侵的行为时，振动传感器输出信号为高电平，此时光电耦合器 U3 不导通，NRF9E5 P0.6 输入仍然为高电平，但当有暴力入侵的行为时，振动传感器输出低电平，导致光电耦合器 U3 导通，此时 NRF9E5 P0.6 口输入将变为低电平。采用红外人体感应模块和

15、振动传感器联合判断处理既可以排除雷声、鞭炮声等较大振动造成的对振动传感器的干扰，又能够解决人员在其范围内的合理活动所造成的对红外的干扰。紧急呼救节点接口电路如图 4（d）所示，当NRF9E5 检测到有按键按下时，该节点向中心节点发送紧急呼救信号，当中心节点响应请求时通过 GPRS模块以短信形式向指定用户发送紧急呼救。28-电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation总第 47 卷第 530 期2010 年第 02 期Vol.47 No.530Feb.2010自动加上；地址项为要发送的 3240 位地址码，数据头到数据尾部分为有效载荷，最大 32 字节。

16、CRC 校验和由内置 CRC 检错硬件电路自动加上，可设为 0位、8 位或 16 位。为避免多个节点同时报警引起数据碰撞，中心节点同传感器节点之间采用 CSMA（载波监听）通信技术。CSMA无线通信方式比 FDMA（频分多址）、TDMA（时分多址）能更好地利用资源。这种通信方式在发送数据之前能对当前大气中相同频率载波进行检测，当检测到空间资源未被占用时发送数据。从而在提高空间资源的利用效率的同时也提高了通信的可靠性。4 种传感器节点在程序设计上，工作流程基本一致，如图 5(b)所示，包括软硬件低功耗运行初始化、与中心节点定时无线通信收发处理、剩余电量定时查询处理和各种信息分析及报警处理等。对于

17、家居结构复杂的区域，需增加中转节点改善通信状况。中转节点工作在指定组网模式，主要实现复杂区域传感器节点-中心节点间的数据转发。当中转节点接收到指定区域传感器节点报警信息时，对报警信息进行分析处理后发送至中心节点；当收到同类型传感器报警信息时，则对信息进行融合处理后发送至中心节点，从而减少发送数据长度，降低发送功耗。3.2GPRS模块功能程序设计NRF9E5 通过 RS232 通信单元对 GPRS 模块写AT指令使 GPRS模块登录 GPRS网络，实现 GPRS网络无线数据传输和管理。设置 GPRS发送 TEXT格式短信指令为 AT+CMGF=1。发送 SMS 的 AT 指令为AT+CMGS=”

18、xxxx”，xxxx为用户的手机号码，当发送完该条 AT指令后 GPRS模块会回复“”，等待输入短信内 容。短 信 内 容 输 入 的 结 束 符 为 ASCII 码 26（CTRL+Z），报警短信内容有四种：分别为可燃气体泄漏、防盗报警，火灾报警和紧急呼救报警。3.3上位机监控管理软件设计上位机监控管理软件采用 Borland C+编程语言实现，主要完成以下功能：（1）通过 RS232 串口与中心节点进行通信;（2）实时状态显示;（3）历史数据的存储。在编程过程中采用 Win32API 函数调用实现串口通信，并利用 Borland C+Builder 的数据库管理功能29-电测与仪表Elec

19、trical Measurement&Instrumentation总第 47 卷第 530 期2010 年第 02 期Vol.47 No.530Feb.2010对上传的历史数据进行管理，即以数据库的格式保存所有上传的历史数据。在程序实现过程中为使界面操作不受数据采集影响，采用了多线程技术手段完成界面主线程和数据采集后台辅助线程。4系统试验为验证所研制家庭安全无线监控系统的可靠性和快速响应性，测试了系统的丢包率和时间响应性两个技术指标。测试结果见表 1 和表 2，在无障碍 100 米以内系统未出现数据丢包；在 30 米障碍条件下，未加中转节点时，穿过 1 堵普通墙体的丢包率为 0，穿过 2 堵

20、普通墙体的丢包率为 1%，而当加中转节点时穿过 1 堵和 2堵普通墙体的丢包率为 0，穿过 3 堵墙体的丢包率为1%，能充分满足普通和较复杂家居环境的通信需要。系统时间响应性技术指标分为两部分，传感器时间技术指标和数据传送时间技术指标。经测试，所有节点报警信息的传送时间均小于 1s。传感器时间技术指标见表 3，从有险情发生到中心节点响应时间均在 10s 以内，系统具有很好的实时性。满足家庭安全报警时间要求。5结束语所研制的家庭安全无线监控系统，功能齐全，工作模式和报警方式多样，可以通过 GPRS 网络向用户发送报警短信，为用户提供了一个人性化的人机交互界面，操作简单，通过布置多种传感器节点组成

21、家庭安全无线监控系统对家庭安全全方位监控，解决了目前家庭安全监控系统中普遍存在的单一性、灵活性和移动性差的不足，避免由于布防、撤防给用户带来的不必要的操作麻烦。同时系统稳定可靠，实时性强，具有良好的扩展性，只需对该系统中传感器类型进行调整，便可使该系统的应用扩展到诸如宾馆，展厅等室内环境，具有很好的实用价值。参 考 文 献1 罗笑南,林煜斌.一种家庭安全监控系统P.中国:ZL200610123263.7,2007-04-18.2周兵,杜润秋,李波.家庭安全监控的实时异常检测与分类算法J.北京航空航天大学学报,2003,29(9):825-828.3王涛,李艳萍.智能小区家庭安全系统的设计与实现

22、J.电测与仪表,2005,(3):6-9.4王久鹏，尚春阳.ZigBee 和 GPRS技术在无线监控系统中的应用J.电讯技术，2008,48(4):99-102.5侯俊,吴成东,袁中甲等.基于 ZigBee 的智能家居安全监控系统研究J.机电工程,2009,26(1):67-70.6 WenJie Tian,Yu Geng.Environment Monitoring System of HouseholdSecurityRobot Based on Wireless Mesh Network C,NSWCTC 2009,April26,2009:176-180.7 Ivan Martinov

23、ic,Nicos Gollan,Jens B.Schmit.Fire walling WirelessSensor Networks:SecuritybyWireless C,Local Computer Networks,2008,LCN2008.33rd IEEE Conference on 14-17 Oct.2008:770-777.8 Zhu Xiangjun,Ying Shaodong,Ling Le.Multimedia sensor Networksdesign for smart home surveillanceC.CCDC 2008,on 2-4 July 2008:431-435.9金发庆.传感器技术与应用M，北京：机械工业出版社,2004：8-10.作者简介:张锋(1983-)，男，江苏江阴人，硕士，从事无线传感器网络、嵌入式系统的研究与应用。Email:zf_周毅华(1987-)，男，江西南昌人，大学本科，测控技术与仪器专业。张西良(1964-)，男，江苏丹阳人，教授,博士，从事无线传感器网络检测与控制的研究。原瑾 1986-），女，山西晋城人，硕士,研究方向：无线传感器网络。丁凯(1987-)，男，江苏盐城人，大学本科，测控技术与仪器专业。收稿日期：2009-09-09（常会敏 编发）30-