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多機(jī)無線通信的室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)

2019-04-28 12:24張恒董俊何舒平
現(xiàn)代電子技術(shù) 2019年24期
關(guān)鍵詞:無線傳感器環(huán)境參數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張恒 董俊 何舒平

摘要:針對于越來越復(fù)雜的建筑室內(nèi)環(huán)境的安全問題,設(shè)計(jì)一種由多個(gè)設(shè)備通過WiFi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交流的室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)。整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括從機(jī)系統(tǒng)和主機(jī)系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)。從機(jī)系統(tǒng)包括多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的從機(jī)設(shè)備,從機(jī)設(shè)備配置火災(zāi)煙霧檢測、溫濕度檢測、光照檢測等多種檢測傳感器,主要負(fù)責(zé)環(huán)境檢測、環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳的功能,并且從機(jī)設(shè)備可以外接加濕器、應(yīng)急燈光等外設(shè)以實(shí)現(xiàn)環(huán)境改善或者提供應(yīng)急照明等功能。主機(jī)系統(tǒng)包含一個(gè)主機(jī)設(shè)備,主要負(fù)責(zé)接收從機(jī)系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù),根據(jù)從機(jī)設(shè)備所在位置的環(huán)境參數(shù)做出處理和警報(bào)。最后通過多次長時(shí)間連續(xù)測試,證明了所提系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞:室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng);無線傳感器;多機(jī)通信;系統(tǒng)設(shè)計(jì);環(huán)境參數(shù);電路測試

中圖分類號:TN931+.3-34;TP277

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X( 2019) 24-0067-04

0 引言

隨著社會的發(fā)展,建筑的種類越來越繁雜。建筑根據(jù)不同的用途主要可以分為工業(yè)建筑和民用建筑。根據(jù)使用者的不同要求,室內(nèi)裝修所使用的材料種類也是各不相同,面對越來越復(fù)雜的建筑內(nèi)部狀況,室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測問題急需解決。

通過市場考察發(fā)現(xiàn)目前市場上常見的室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)主要分為兩大種:一種是小范圍內(nèi)使用的獨(dú)立的監(jiān)測記錄儀,這種記錄儀單個(gè)使用,功能相對單一;另一種由多個(gè)監(jiān)測設(shè)備組成,這種系統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)備大部分是通過布線匯集到顯示設(shè)備,一般可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警。多個(gè)監(jiān)測設(shè)備組成的監(jiān)測系統(tǒng)比較適合用于面積較大或者格局較為復(fù)雜的建筑內(nèi),但是需要大量布線,不僅增加了成本,提高了安裝難度[1],并且在遠(yuǎn)距離的有線數(shù)據(jù)傳輸中,信號衰減的問題較為嚴(yán)重,出現(xiàn)傳輸錯誤的幾率也大大提升,設(shè)備的可靠性也就大打折扣。

因此,本文設(shè)計(jì)了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過WiFi建立無線局域網(wǎng)絡(luò),主從設(shè)備間通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃訹2]。無需大量布線,減小了安裝難度和安裝成本,同時(shí)在從機(jī)設(shè)備上配備有相應(yīng)的外設(shè),可以對惡劣環(huán)境加以改善。

1 設(shè)計(jì)方案

該設(shè)計(jì)整體由主機(jī)系統(tǒng)和從機(jī)系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成,如圖1所示,主機(jī)系統(tǒng)和從機(jī)系統(tǒng)通過WiFi進(jìn)行通信。主機(jī)系統(tǒng)配置成AP模式,主要負(fù)責(zé)接收處理從機(jī)系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù),發(fā)送控制命令;從機(jī)系統(tǒng)配置為client模式,主要將檢測結(jié)果實(shí)時(shí)發(fā)送給主機(jī),并根據(jù)主機(jī)的控制命令做出相應(yīng)的處理。

系統(tǒng)分工明確,主機(jī)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析、處理和顯示,從機(jī)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)檢測和執(zhí)行主機(jī)命令。從分工方式可以看出主機(jī)系統(tǒng)硬件電路相對簡單,以高性能MCU、顯示電路和無線通信電路為主要構(gòu)成;從機(jī)系統(tǒng)硬件電路相對復(fù)雜,包括多種環(huán)境檢測傳感器,多種外設(shè)接口。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)

主機(jī)設(shè)備主要結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要包括MCU主控芯片、GSM電路、WiFi電路、聲光報(bào)警電路、SD卡電路、E2PROM電路、LCD觸控電路等部分構(gòu)成。

主機(jī)設(shè)備主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收和處理,因此主機(jī)設(shè)備主控芯片需要很高的數(shù)據(jù)處理能力,這里選擇意法半導(dǎo)體(ST)公司出品基于Cortex - M3內(nèi)核的單片機(jī)STM32F103RCT6,該款單片機(jī)性能強(qiáng)悍,數(shù)據(jù)處理能力優(yōu)異,同時(shí)價(jià)格低廉,功耗相對較低[3]。

本設(shè)計(jì)選用SIM800A實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程GSM短信報(bào)警,該款模塊功耗低,穩(wěn)定性強(qiáng),功能豐富,可以實(shí)現(xiàn)語音、SMS和數(shù)據(jù)信息的傳輸[4]。單片機(jī)通過UART與GSM和WiFi數(shù)據(jù)交換[5],波特率9 600 b/s。采用3.2寸TFT液晶彩屏進(jìn)行人機(jī)交互,支持觸控操作,可以通過觸屏直接控制各個(gè)從機(jī)的外設(shè)開關(guān)。

2.2 從機(jī)設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)從機(jī)系統(tǒng)包含多個(gè)從機(jī)設(shè)備,分別放置于不同的地方,功能相同,都是負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測環(huán)境數(shù)據(jù)和執(zhí)行主機(jī)命令,所以各個(gè)從機(jī)設(shè)備電路相同,其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

由于在系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理工作主要在主機(jī)中實(shí)現(xiàn),每個(gè)從機(jī)設(shè)備只需要完成自己的功能且僅需與主機(jī)一個(gè)設(shè)備通信,所以從機(jī)設(shè)備對數(shù)據(jù)處理能力的要求要遠(yuǎn)小于主機(jī)。但是由于從機(jī)設(shè)備配備有多種環(huán)境檢測傳感器,并且需要接人多種外設(shè),因此需要一款接口豐富的單片機(jī)?;谝陨戏治?,從機(jī)設(shè)備的主控芯片選擇宏晶科技出品的STC12C5A60S2單片機(jī),這款單片機(jī)是新一代增強(qiáng)型8051單片機(jī),相較于傳統(tǒng)8051單片機(jī),其運(yùn)算速度更快,接口豐富,包括2路PWM和8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換[6-7],可以有效地驅(qū)動多種傳感器和外設(shè)。從機(jī)設(shè)備的WiFi電路部分和主機(jī)設(shè)備一樣通過UART串口通信和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,波特率為9 600 b/s。

從圖3中可以看到,該系統(tǒng)包含多種環(huán)境檢測傳感器,包括聲音檢測傳感器、光照檢測傳感器、煙霧檢測傳感器和溫濕度檢測傳感器。其中,聲音檢測傳感器電路可以根據(jù)咪頭接收到的不同音量產(chǎn)生不同的電壓信號,經(jīng)過放大濾波后將該信號作為輸入信號接人393比較器。當(dāng)該電壓大于閾值時(shí)比較器電路向單片機(jī)輸出高電平信號,否則輸出低電平信號。通過該電路可以將模擬信號轉(zhuǎn)化成單片機(jī)可以直接處理的數(shù)字信號,并且閾值可以通過電位器直接調(diào)節(jié)。光照檢測電路本文選擇光敏電阻接上拉10 kΩ分壓電阻,公式如下:式中:VG為光敏電阻分壓值;vcc為5V電壓;Re為光敏電阻阻值;R為分壓電阻10 kΩ。光敏電阻阻值隨著光照強(qiáng)度的變化而變化,光敏電阻分壓VG也隨著光照強(qiáng)度而變化,因此可以根據(jù)VG的大小來計(jì)算光照強(qiáng)度。煙霧檢測傳感器主要負(fù)責(zé)檢測火災(zāi)煙霧,在檢測到火災(zāi)煙霧時(shí)主機(jī)設(shè)備和從機(jī)設(shè)備均開啟聲光報(bào)警器提醒用戶出現(xiàn)火災(zāi),及時(shí)處理。煙霧檢測傳感器電路和光照檢測電路原理相似,這里不做贅述。溫濕度檢測傳感器選擇DHT11溫濕度傳感器,該傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件,并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接,反應(yīng)速度快,抗干擾能力強(qiáng),性能穩(wěn)定,并且輸出數(shù)字信號,主控單片機(jī)可以直接處理。

從機(jī)系統(tǒng)包含多個(gè)從機(jī),為了在建立網(wǎng)絡(luò)時(shí)設(shè)備不至于混亂,給每個(gè)設(shè)備配置了一個(gè)4位編碼開關(guān),實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制編碼。每一位編碼開關(guān)高電平編碼為1,低電平為0,每臺設(shè)備的設(shè)備號與編碼轉(zhuǎn)換公式如下:

Num= 23 N4+ 22 N3+ 21 N2+ 20 N1

(2)式中:Num為十進(jìn)制設(shè)備號;N1,N2,N3,N4為編碼開關(guān)第1-4位開關(guān)的編碼,為1或0。

在外接設(shè)備上首先通過MOSFET驅(qū)動電路接人家庭燈帶提供照明,通過PWM來調(diào)節(jié)燈的燈光強(qiáng)度.實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)節(jié)需要極高的開關(guān)速度,而MOSFET只要通過改變柵源電壓就可以實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)動作[8]。從機(jī)設(shè)備外設(shè)接口需要驅(qū)動大功率燈帶、加濕器等用電器,因此采用直流12 V電源,而單片機(jī)控制系統(tǒng)工作電壓為直流5V,這里采用LM2576芯片設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路[9],見圖4。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 A/D轉(zhuǎn)換

單片機(jī)不能直接處理模擬信號,所以光照強(qiáng)度、溫濕度等模擬量都需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,從機(jī)主控芯片STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)置8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器[10]。該A/D轉(zhuǎn)換器屬于逐次比較型轉(zhuǎn)換器,將輸入電壓依次和內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行比較,經(jīng)過逐次比較,數(shù)字量逐漸逼近模擬量值。公式如下:

3.2 CRC校驗(yàn)

本設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)的過程中存在大量的數(shù)據(jù)傳輸,在傳輸?shù)倪^程中可能會產(chǎn)生傳輸錯誤,為了增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?,必須采取一定的校?yàn)措施。

本文采用了可靠程度較高的CRC校驗(yàn),在傳輸過程中數(shù)據(jù)是以(N,K)碼的形式傳遞,在接收端接收到數(shù)據(jù)后,用接收到的數(shù)據(jù)對生成碼做模2除法,如果余數(shù)為0,則說明數(shù)據(jù)傳遞沒有出錯,數(shù)據(jù)保留并處理,如果余數(shù)不為0,則說明數(shù)據(jù)出錯,舍棄數(shù)據(jù)。

校驗(yàn)碼生成過程如下:

1)選擇合適的R+1位二進(jìn)制生成碼(首位和末位必須為1);

2)將信息碼左移R位得到新的數(shù)據(jù)碼;

3)用步驟2)新的數(shù)據(jù)碼對步驟1)中的R+1位生成碼做模2除法,得到R位余數(shù);

4)將步驟3)得到的R位余數(shù)附到步驟2)得到新數(shù)據(jù)碼的右R位得到新的數(shù)據(jù),即(N,K)碼。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 部分電路的測試

利用示波器對聲音檢測傳感器電路進(jìn)行測試,比較器處理前后信號波形如圖5、圖6所示。

通過圖5、圖6可以看出,聲音信號在處理前是鋸齒狀模擬信號,單片機(jī)不能直接處理,所以利用LM393比較器進(jìn)行信號處理,處理后模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號以便單片機(jī)處理。

4.2 整體功能實(shí)現(xiàn)

如圖7所示,主機(jī)TFT液晶彩屏可以實(shí)時(shí)顯示從機(jī)發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)并顯示,同時(shí)主機(jī)通過觸控或者按鍵控制從機(jī)外設(shè)的開關(guān)。圖7中紅色色塊即為從機(jī)設(shè)備1的繼電器狀態(tài)為關(guān),綠色為端子狀態(tài)為開。從機(jī)設(shè)備的OLED屏幕實(shí)時(shí)顯示傳感器檢測結(jié)果,同時(shí)從機(jī)設(shè)備將檢測結(jié)果實(shí)時(shí)上傳至主機(jī)。

通過示波器的測量和實(shí)物的測試,證明了本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)可以安全高效地完成環(huán)境的檢測和環(huán)境的改善。

5 結(jié)語

本文針對現(xiàn)在室內(nèi)安全監(jiān)測這一熱點(diǎn)問題,設(shè)計(jì)了一種切實(shí)可靠的解決方案,從機(jī)設(shè)備的傳感器實(shí)時(shí)檢測并上傳室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù),主機(jī)設(shè)備對各個(gè)從機(jī)設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,如果遇到危險(xiǎn)情況及時(shí)向遠(yuǎn)程手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信,并且用戶在主機(jī)設(shè)備上可以直接對從機(jī)設(shè)備的各個(gè)外設(shè)進(jìn)行操作,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

注:本文通訊作者為何舒平。

參考文獻(xiàn)

[1]孫玉文.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D],南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2013.

SUN Yuwen. Research and implementation of field environ-ment monitoring system based on wireless sensor networks [D].Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2013.

[2]徐文,基于WiFi與Android的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].成都:西南交通大學(xué),2017.

XU Wen. Design of intelligent home monitoring system basedon WiFi and android [D]. Chengdu: Southwest Jiaotong Univer-sity, 2017.

[3]劉振.基于STM32智能家居的無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].杭州:浙江理工大學(xué),2016.

LIU Zhen. Design and implementation of wireless gateway forsmart home based on STM32[D]. Hangzhou: Zhejiang Sci-Tech University, 2016.

[4]李磊.移動通信GSM中密碼算法安全性研究[D],洛陽:中國人民解放軍信息工程大學(xué),2012.

LI Lei. Research on security of cryptographic algorithm in GSM[D]. Luoyang: PLA Information Engineering University. 2012.

[5]賈建科,基于GPRS和Internet的河流水情實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)研究[J]現(xiàn)代電子技術(shù),2016, 39(6):132-135.

JIA Jianke. Research on river water regimen real-time remotemonitoring system based on GPRS and Internet [J]. Modernelectronics technique, 2016. 39(6): 132-135.

[6]馬磊,楊國華,徐維昌,光伏組件自動清洗機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].白動化與儀表,2018(1):29-33.

MA Lei. YANG Guohua. XU Weichang. Design and imple-mentation of the control system of the PV module automaticcleaning machine [J]. Automation & instrumentation. 2018(1):29-33.

[7]郭全民,馬旋坤,王健.室內(nèi)空氣質(zhì)量測量儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]國外電子測量技術(shù),2015(1):52-55.

GUO Quanmin, MA Xuankun. WANG Jian. Design and imple-mentation of indoor air quality detector [J]. Foreign electronicmeasurement technology, 2015(1):52-55.

[8]夏濤,吳云峰,王勝利,等.基于功率MOSFET的高壓納秒脈沖源研究[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào),2015( 12):1852-1861.

XIA Tao. WU Yunfeng. WANG Shengli, et al.Research onhigh-voltage nanosecond pulse generator based on power MOS-FET[J]. Journal of electronic measurement and instrumenta-tion, 2015(12): 1852-1861.

[9]楊敏,呂霜,歐進(jìn)發(fā),可調(diào)電流比例開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)[J]現(xiàn)代電子技術(shù),2018 .41(14):122-125.

YANG Min, LU Shuang. OU Jinfa.A switching power supplymodule parallel power supply system with adjustable current ra-tios [J]. Modern electronics technique, 2018, 41( 14): 122-125.

[10]黃超,劉婷,謝印慶?;赟TC12C5A60S2多功能通信開發(fā)板設(shè)計(jì)[J]現(xiàn)代電子技術(shù),2014, 37(5):152-155.

HUANG Chao, LIU Ting, XIE Yinqing. Design of multi-func-tional communication development board hased onSTC12C5A60S2 [J]. Modern electronics technique. 2014, 37(5) : 152-155.

作者簡介:張恒(1992-),男,安徽人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榍度胧介_發(fā)。

董?。?994-),男,安徽人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榍度胧介_發(fā)。

何舒平(1983-),男,安徽人,博士,教授,主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)控制科學(xué)與技術(shù)、故障檢測與監(jiān)測等。

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