李子云

(東南大學(xué)吳健雄學(xué)院，南京210096)

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平提高到一個(gè)新的層次，對(duì)生活環(huán)境的要求越來(lái)越高。正在興起的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居使人們逐漸邁入以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化為平臺(tái)的智能化社會(huì)［1-2］。安防系統(tǒng)是智能家居中的一個(gè)重要組成部分［3］。目前它正朝著前端一體化、視頻數(shù)字化、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)集成化的方向發(fā)展。

利用 GPRS 技術(shù)［4］、嵌入式技術(shù)［5-6］及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［7-8］、傳感器技術(shù)［9］、數(shù)字視頻［10］技術(shù)等，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)。利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)布點(diǎn)方便的優(yōu)勢(shì)，覆蓋用戶(hù)住宅，節(jié)點(diǎn)由無(wú)線(xiàn)模塊、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器及外圍器件組成。由主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，在發(fā)現(xiàn)警情后拍攝現(xiàn)場(chǎng)，并將圖像信息及警情信息發(fā)送至主控節(jié)點(diǎn)。主控節(jié)點(diǎn)利用GPRS模塊遠(yuǎn)程通知用戶(hù)手機(jī)。同時(shí)，用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)或互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對(duì)所屬節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)控制。實(shí)踐表明，該智能家居系統(tǒng)具有成本低、功耗低、布點(diǎn)方便等特點(diǎn)，有很強(qiáng)的推廣價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于CC1101的無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能家居安防控制系統(tǒng)由主控節(jié)點(diǎn)及分節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)所組成，如圖1所示。

系統(tǒng)由主控節(jié)點(diǎn)及各分節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組成。主控節(jié)點(diǎn)主要完成對(duì)分節(jié)點(diǎn)的控制及人機(jī)交互功能，由GPRS模塊、ARM主控模塊、按鍵模塊、彩屏模塊、SD卡模塊、CC1101無(wú)線(xiàn)模塊等組成。分節(jié)點(diǎn)主要完成對(duì)發(fā)生警情的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控功能，根據(jù)需要配備門(mén)磁傳感器、煤氣探測(cè)器、紅外傳感器等設(shè)備，感知警情的發(fā)生，再控制攝像頭模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)拍攝，由CC1101模塊完成圖像數(shù)據(jù)的傳輸。主控節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后由GPRS模塊將圖片發(fā)送至用戶(hù)手機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行確認(rèn)。系統(tǒng)預(yù)留了Internet接口，使得用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。系統(tǒng)預(yù)留了智能家居控制接口，使系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)智能家居功能。

圖1 無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能家居安防系統(tǒng)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)需要處理數(shù)字圖像及相關(guān)無(wú)線(xiàn)通訊等大量的數(shù)據(jù)，因此，系統(tǒng)選取由意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于32位處理器芯片STM32F103XX增強(qiáng)型。該系列內(nèi)最大具有256KB FLASH及48KB RAM，片上集成 D/A、PWM、CAN、USB、SPI等接口。

為了完成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)大量數(shù)據(jù)的傳輸，系統(tǒng)采用TI公司的高性能低功耗CC1101無(wú)線(xiàn)通信芯片，其最大傳輸數(shù)率達(dá)500kbps，靈敏度達(dá)到-110dBm。CC1101與微處理器間僅需6條接口線(xiàn)，SCLK，SO，SI，CSN組成 SPI接口與處理器通信，GDO0與GDO2主要完成FIFO狀態(tài)信號(hào)輸出，與處理器IO連接采用中斷方式獲得CC1101狀態(tài)信息，電路如圖2所示。

圖2 CC1101模塊電路圖

為了實(shí)現(xiàn)方便的人機(jī)交互功能，系統(tǒng)配置了2.8寸TFT彩屏模塊及小鍵盤(pán)，2.8寸TFT彩色液晶屏采用ILI9325驅(qū)動(dòng)，支持320×240分辨率，同時(shí)內(nèi)置173KB的RAM，電源為2.8V-3.3V，背光電源最高3.2V，可與控制器直接連接，兼容8/16位數(shù)據(jù)接口，使用控制器的 IO口模擬16位數(shù)據(jù)總線(xiàn)與ILI9325通信。為有效去除鍵盤(pán)抖動(dòng)，高效利用芯片資源而采用ZLG7290A模塊，可連接多達(dá)64鍵的鍵盤(pán)接口，具有雙擊互鎖、去抖處理等功能。I2C串行通信協(xié)議，與控制器接口線(xiàn)僅需4條，支持中斷輸出。GPRS功能采用華為公司生產(chǎn)的高性能高穩(wěn)定工業(yè)級(jí)GPRS模塊GTM900，它支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令及增強(qiáng)的AT命令，通過(guò)UART接口與外部CPU通信，主要能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)發(fā)送和接收、基帶處理、音頻處理等功能，電路如圖3所示。

圖3 GPRS模塊電路

同時(shí)，為防止意外情況突然斷電而為系統(tǒng)設(shè)計(jì)備用電池模塊，備用電池通過(guò)二極管連接STM32的VBAT引腳，有效防止電池反充。為將每日監(jiān)控的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，供日后備份，系統(tǒng)設(shè)計(jì)SD卡模塊，使用STM32自帶SPI接口實(shí)現(xiàn)控制SD卡讀寫(xiě)，最大讀寫(xiě)速度達(dá)到2M/S，使用CLK控制時(shí)鐘信號(hào)，MOSI與MISO引腳控制數(shù)據(jù)傳輸，CS引腳控制SD卡使能，各引腳連接20K上拉電阻完成SD卡控制功能。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能，本系統(tǒng)采用狀態(tài)機(jī)機(jī)制控制無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)分為休眠狀態(tài)、等待狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)后依靠現(xiàn)場(chǎng)各傳感器信號(hào)激活，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。并進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)將監(jiān)控狀況發(fā)送給主控節(jié)點(diǎn)，而主控節(jié)點(diǎn)如果處于“繁忙”狀態(tài)時(shí)，將會(huì)使無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)處于等待狀態(tài)，處于等待狀態(tài)的無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)會(huì)由于主控節(jié)點(diǎn)的主動(dòng)調(diào)用而處于運(yùn)行狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示。

主控節(jié)點(diǎn)平時(shí)處于空閑狀態(tài)，每隔一段時(shí)間將進(jìn)入自檢狀態(tài)，向監(jiān)控的子節(jié)點(diǎn)發(fā)送問(wèn)詢(xún)指令。子節(jié)點(diǎn)收到指令將向主控節(jié)點(diǎn)應(yīng)答以確保子節(jié)點(diǎn)仍處于監(jiān)控狀態(tài)，否則將向用戶(hù)發(fā)出警報(bào)信息告知監(jiān)控區(qū)域出現(xiàn)盲點(diǎn)。由于用戶(hù)按下鍵盤(pán)、手機(jī)通信、子節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)警情等事件，主控節(jié)點(diǎn)將處于運(yùn)行狀態(tài)。多個(gè)事件同時(shí)請(qǐng)求時(shí)，將事件分為不同優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先處理高優(yōu)先級(jí)事件，將其他事件屏蔽。分節(jié)點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)主控節(jié)點(diǎn)而無(wú)應(yīng)答時(shí)，開(kāi)啟載波檢測(cè)功能，載波存在表明主控節(jié)點(diǎn)在與其他節(jié)點(diǎn)通信，則隔一段時(shí)間后再次請(qǐng)求通信。

圖4 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能家居安防控制系統(tǒng)。利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容易布點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)代替有線(xiàn)安防系統(tǒng)對(duì)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，由資源豐富的STM32系列單片機(jī)對(duì)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)控制，因而利于監(jiān)控參數(shù)后期擴(kuò)展。利用主控節(jié)點(diǎn)對(duì)分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，為此設(shè)計(jì)了彩屏、GPRS、鍵盤(pán)等與用戶(hù)交互的工具，使系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單方便。實(shí)踐表明系統(tǒng)低成本，性能穩(wěn)定，易于擴(kuò)展，有廣闊的市場(chǎng)前景。

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