基于無線網絡的智能家居安防系統

李子云

(東南大學吳健雄學院，南京210096)

1 引言

隨著社會經濟的快速發展，人們的生活水平提高到一個新的層次，對生活環境的要求越來越高。正在興起的基于物聯網技術的智能家居使人們逐漸邁入以數字化和網絡化為平臺的智能化社會［1-2］。安防系統是智能家居中的一個重要組成部分［3］。目前它正朝著前端一體化、視頻數字化、監控網絡化、系統集成化的方向發展。

利用 GPRS 技術［4］、嵌入式技術［5-6］及無線網絡技術［7-8］、傳感器技術［9］、數字視頻［10］技術等，設計并實現了一種基于無線網絡技術的智能家居安防系統。利用無線網絡技術布點方便的優勢，覆蓋用戶住宅，節點由無線模塊、環境監測傳感器及外圍器件組成。由主控節點進行控制，在發現警情后拍攝現場，并將圖像信息及警情信息發送至主控節點。主控節點利用GPRS模塊遠程通知用戶手機。同時，用戶可以通過手機或互聯網遠程控制系統對所屬節點進行相應控制。實踐表明，該智能家居系統具有成本低、功耗低、布點方便等特點，有很強的推廣價值和廣闊的市場前景。

2 系統設計

基于CC1101的無線物聯網智能家居安防控制系統由主控節點及分節點構成的無線網絡所組成，如圖1所示。

系統由主控節點及各分節點構成的無線網絡組成。主控節點主要完成對分節點的控制及人機交互功能，由GPRS模塊、ARM主控模塊、按鍵模塊、彩屏模塊、SD卡模塊、CC1101無線模塊等組成。分節點主要完成對發生警情的現場進行監控功能，根據需要配備門磁傳感器、煤氣探測器、紅外傳感器等設備，感知警情的發生，再控制攝像頭模塊對現場拍攝，由CC1101模塊完成圖像數據的傳輸。主控節點收到數據后由GPRS模塊將圖片發送至用戶手機對現場進行確認。系統預留了Internet接口，使得用戶可以通過網絡對系統進行控制。系統預留了智能家居控制接口，使系統可以實現智能家居功能。

圖1 無線物聯網智能家居安防系統

3 系統硬件設計

由于系統需要處理數字圖像及相關無線通訊等大量的數據，因此，系統選取由意法半導體公司生產的基于32位處理器芯片STM32F103XX增強型。該系列內最大具有256KB FLASH及48KB RAM，片上集成 D/A、PWM、CAN、USB、SPI等接口。

為了完成無線網絡內大量數據的傳輸，系統采用TI公司的高性能低功耗CC1101無線通信芯片，其最大傳輸數率達500kbps，靈敏度達到-110dBm。CC1101與微處理器間僅需6條接口線，SCLK，SO，SI，CSN組成 SPI接口與處理器通信，GDO0與GDO2主要完成FIFO狀態信號輸出，與處理器IO連接采用中斷方式獲得CC1101狀態信息，電路如圖2所示。

圖2 CC1101模塊電路圖

為了實現方便的人機交互功能，系統配置了2.8寸TFT彩屏模塊及小鍵盤，2.8寸TFT彩色液晶屏采用ILI9325驅動，支持320×240分辨率，同時內置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位數據接口，使用控制器的 IO口模擬16位數據總線與ILI9325通信。為有效去除鍵盤抖動，高效利用芯片資源而采用ZLG7290A模塊，可連接多達64鍵的鍵盤接口，具有雙擊互鎖、去抖處理等功能。I2C串行通信協議，與控制器接口線僅需4條，支持中斷輸出。GPRS功能采用華為公司生產的高性能高穩定工業級GPRS模塊GTM900，它支持標準的AT命令及增強的AT命令，通過UART接口與外部CPU通信，主要能實現數據無線發送和接收、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，為防止意外情況突然斷電而為系統設計備用電池模塊，備用電池通過二極管連接STM32的VBAT引腳，有效防止電池反充。為將每日監控的數據存儲，供日后備份，系統設計SD卡模塊，使用STM32自帶SPI接口實現控制SD卡讀寫，最大讀寫速度達到2M/S，使用CLK控制時鐘信號，MOSI與MISO引腳控制數據傳輸，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 系統軟件設計

為實現無線網絡通信功能，本系統采用狀態機機制控制無線網絡中的節點運行狀態。無線網絡中的節點狀態分為休眠狀態、等待狀態、運行狀態。節點進入休眠狀態后依靠現場各傳感器信號激活，進入運行狀態對現場監控。并進入數據傳輸狀態將監控狀況發送給主控節點，而主控節點如果處于“繁忙”狀態時，將會使無線節點處于等待狀態，處于等待狀態的無線節點會由于主控節點的主動調用而處于運行狀態，狀態轉換如圖4所示。

主控節點平時處于空閑狀態，每隔一段時間將進入自檢狀態，向監控的子節點發送問詢指令。子節點收到指令將向主控節點應答以確保子節點仍處于監控狀態，否則將向用戶發出警報信息告知監控區域出現盲點。由于用戶按下鍵盤、手機通信、子節點出現警情等事件，主控節點將處于運行狀態。多個事件同時請求時，將事件分為不同優先級，優先處理高優先級事件，將其他事件屏蔽。分節點訪問主控節點而無應答時，開啟載波檢測功能，載波存在表明主控節點在與其他節點通信，則隔一段時間后再次請求通信。

圖4 無線網絡分節點狀態轉換圖

5 結束語

設計了一種基于無線網絡的智能家居安防控制系統。利用無線網絡容易布點的優勢代替有線安防系統對區域進行監控，由資源豐富的STM32系列單片機對無線節點控制，因而利于監控參數后期擴展。利用主控節點對分節點進行控制，為此設計了彩屏、GPRS、鍵盤等與用戶交互的工具，使系統操作簡單方便。實踐表明系統低成本，性能穩定，易于擴展，有廣闊的市場前景。

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