多傳感器數據融合技術在家庭安防系統中的應用

摘 要： 為了實現家庭環境量和防盜報警的智能化控制，提出一種多傳感器數據融合技術在家庭安防系統的應用技術，該系統以CC2530單片機架構無線通信網絡，利用激光、煙霧、一氧化碳、溫度、濕度、光照等傳感器技術，將數據采集后，通過ZigBee無線路由器將數據發出，與主控制器一側的ZigBee協調器將傳感器的數據接收，通過觸摸屏實時的顯示家里的環境量，參數若越限，實時報警。測試結果表明，該系統能夠達到家庭安防系統的控制要求，運行穩定，可靠，具備實用性和推廣價值。

關鍵詞： K60； 觸摸屏； 環境量數據； ZigBee無線通信

中圖分類號： TN926?34； TN273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）12?0032?05

Abstract： In order to realize the intelligent control of home environment and anti?theft alarm， a multi?sensor data fusion technology applied to home security system is proposed. In the system， the CC2530 microcontroller is used to build the wireless communication network， and the sensor technologies of laser， smoke， CO， temperature， humidity and illumination are used to collect the data. After that the sensor data is send through the ZigBee wireless router， and received by ZigBee coordinator at the master controller side. The home environment data is displayed in real time through the touch screen. The system will alarm in real time when the parameter value is higher than the limit. The test results show this system can satisfy the control requirement of the home security system. The system has the advantages of stable running and reliability. It has a certain practicability and generalization value.

Keywords： K60； touch screen； environment data； ZigBee wireless communication

0 引 言

無線傳感器網絡在現代科技中被認為是影響人類未來生活的十大科技之一，它綜合了傳感器技術，通信技術，計算機技術，分布式信息處理技術等，由大量的微型傳感器節點組成，并且通過無線通信方式形成一個自組織的智能網絡系統，能夠實時感知、采集和監測區域內的各種環境。本文介紹的家庭智能安防系統，能集防盜報警、溫度、濕度、光照、一氧化碳、煙霧檢測于一體，并能根據要求實現自動控制。經常報道說某地某小區發生煤氣爆炸、火災等，說明日常的家居中還是存在著安全隱患，因此設計一套包含諸多功能的智能家庭安防系統，具有一定的現實意義。

1 系統的硬件架構

本文介紹的智能家庭安防系統，該系統由CC2530單片機[1]架構分布式無線通信網絡，每個終端采用一片CC2530芯片，結合溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器、一氧化碳傳感器、激光入侵檢測報警器構成一個智能終端，其將檢測數據存儲起來并封裝成一個數據包，通過其自身的無線電發送數據。可以按照需要每個終端裝配一個OLED顯示屏，用于查看采集的數據。在集中控制的主控電路部分，也利用CC2530構建一個ZigBee協調器，協調器將傳感器數據接收過來后，通過串口與計算機或K60[2]單片機通信，將采集后的各終端數據顯示在電腦上或者與K60接口的觸摸屏上。同時對各項數據進行分析，與設定的閾值進行比較，按照比較結果再控制相關外圍電路。系統的組成框圖如圖1所示。

CC2530是美國德州儀器公司的新一代ZigBee無線射頻芯片，用于構建低成本、短時延、低功耗、可靠的無線通信系統，而無線收發器選用具有高性能的2.4 GHz的直接序列擴頻收發器。芯片內部包括8 KB RAM 和最多高達256 KB的閃存，CC2530F256 結合了德州儀器的業界領先的黃金單元ZigBee 協議棧（Z?StackTM），它提供了一個強大和完整的ZigBee 解決方案。CC2530單片機使用的8051 CPU內核是一個單周期的8051兼容內核，使得國內熟悉51單片機的研發人員容易上手開發。CC2530 具有不同的運行模式，使得它適應超低功耗要求的系統。

圖2是激光防盜報警電路，它主要利用了CC2530的8通道A/D轉換器，CC2530的ADC支持7～12位的分辨率，分別在30 kHz或4 kHz的帶寬。它包括一個模擬多路轉換器，具有多達8 個各自可配置的通道；輸入可以選擇單端或差分模式。參考電壓可以是內部電壓、AVDD5（供電電壓） 或是一個單端或差分外部信號。ADC 還有一個溫度傳感輸入通道。轉換結果通過DMA寫入存儲器。從圖2中可知，光敏電阻與上拉電阻構成激光接收通道矩陣，光敏電阻的一端CH0～CH7與單片機CC2530的P0口相連，供A/D轉換用，轉換結果通過OLED顯示器顯示出來，并通過無線電將該節點的報警信息發射出去。

圖3是多傳感器模塊與CC2530的接口電路。整個系統包含多個傳感器，這些傳感器的數據采集通過一片CC2530就能控制，因此可以充分利用CC2530單片機的片內資源，構建低成本的通信網絡。從圖3中可知，溫度的采集采用DS18B20，該芯片采用1?wire通信方式，只需一根tempIO線就能實現通信；溫濕度傳感器采用了SHT11，濕度的精度達到±1.5% RH，溫度的精度達到±0.4 ℃；煙霧傳感器采用了MQ?2，它對不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值，通過硬件的分壓技術和A/D轉換實現數據采集；氣體傳感器采用了ZYMQ?7，接口電路同煙霧傳感器；光照傳感器采用了PNA4603H模塊，它采用了具有光電探測功能的雙極性電路，波長特性接近人類視覺靈敏度，具有良好的輸出電壓線性度；人體紅外熱釋電傳感器采用Grove ? PIR Motion Sensor，當有人走入它的探測范圍時，PIR運動探測傳感器就會在它的SIG腳上輸出一個HIGH信號，利用該信號開啟激光防盜報警器，激光防盜報警器的控制電路平時處于休眠狀態，因此利用紅外熱釋電傳感器進行激發喚醒有利于降低功耗。

作為一個運行較穩定的系統，可靠的時鐘是非常關鍵的，在安防這一領域更是這樣，因為經常需要巡檢系統和記錄報警時間，一旦時鐘系統發生故障，或者被非法修改，將導致整個系統的功能錯亂。DS1302[3]時鐘芯片能夠滿足上述要求，它時鐘精確、工作穩定、掉電后數據不會丟失。供電電源利用穩壓芯片LM7805和LM117分別產生5 V和3.3 V電壓，用于給各個傳感器、路由器和主控板供電。GPRS模塊（ATK?SIM900A[4]）和攝像頭模塊（OV7670[5]）用于當環境量超限和入侵者侵入時提供遠程的彩信報警，即一旦發生警情，遠端的用戶或者110可以直接獲知家里的情況。繼電器模塊實現電氣隔離，同時也能滿足某些模塊的低功耗要求。語音提示模塊采用了ISD1700芯片，它具有較好的音質和斷電存儲，能夠直接播放真實的語音信息。

上述介紹的傳感器電路，它們負責數據的采集，發送并實現智能控制。由于篇幅限制，K60主控制器電路、攝像頭控制電路、GPRS控制電路的原理圖本文并未給出，讀者可以參閱相關的文獻。

2 系統的軟件設計

系統的開發環境采用IAR Embedded Workbench IDE， 代碼采用C語言編寫，思路是先設計各個終端采集數據的功能模塊，調試通過后，在主程序中對所有采集的數據進行封裝，并通過ZigBee芯片將數據輸出。在主控板中，先設計并調試好各個顯示數據的界面，串行口的監控程序，觸摸屏的人機交互程序，調試通過后，以供主程序中調用。采用上述模塊化的編程思想，簡化了開發難度，代碼也便于調試和系統集成。

由于每個節點利用一塊單片機實現，因此在代碼中采用統一的封裝形式。每個節點的數據包可以使用一個結構體來實現，其中包含了數據包的頭、尾，此外還包含該節點的設備類型、節點的網絡地址、父節點網絡地址以及所采集到的傳感器數據，數據包的格式定義如下（以采集溫度為例）。

系統用到了很多傳感器芯片，比如溫度采集芯片DS18B20，采用1?Wire 通信制式，因此在編程時需要用I/O口模擬相關時序；溫濕度傳感器SHT11采用I2C接口，也需要用I/O口模擬SCK，DATA兩路信號；煙霧傳感器、一氧化碳傳感器利用了敏感元件對不同濃度的氣體靈敏度的不同，而導致電阻的不同，采用分壓的方式得到電壓，再通過CC2530的A/D口部分進行轉換得到對應的數據；芯片工作的當前溫度及芯片的供電電壓是否穩定也是通過A/D口自帶的溫度傳感器和設置參考電壓（供電電壓AVDD5）采樣得到，這些需要通過編程實現，并將得到的數據填充在數據包的傳感器數據部分。

主控制器MK60N512VMD100用于監視串口的工作狀態，并將數據處理后送到觸摸屏上顯示，除此之外，DS1302為系統的正常工作提供基準時鐘。觸摸顯示屏除用于顯示系統時間外，還用于顯示溫度、濕度、亮度、一氧化碳和煙霧的濃度各個參數的上下限值等。設置完成后，按照要求顯示各路傳感器的數據，并能夠在各個界面中方便切換。

圖4為主程序設計流程圖。系統上電后，先關閉所有中斷，關閉開門狗，復制中斷向量表到RAM，開啟I/O口的工作時鐘，初始化系統時鐘和鎖相環，初始化串口2的波特率，初始化要用的I/O口，觸摸屏控制初始化，觸摸屏界面設置初始化，人機交互初始化，系統界面初始化，DS1302的顯示初始化，各個環境量的閾值初始化，開始測量界面的初始化。

初始化完成后，ZigBee協調器接收由各個ZigBee路由器發送過來的傳感器數據，并按照要求顯示在相應的位置上，接收的傳感器數據還要與對應的閾值進行比較，按照比較結果可實現聲光報警或GPRS報警，直流電機也做相應的控制運動，具體的流程圖參見圖5。

圖6是協調器工作程序流程圖，協調器首先初始化CC2530；隨后初始化協議棧并打開中斷，之后程序開始創建網絡，如果網絡創建成功可在OLED顯示屏上顯示父節點的網絡地址，網絡號及頻道號。一系列的初始化后進入空閑狀態，檢測空中是否有傳感器數據，如果有信號則判斷是節點加入信號還是數據信號并做相應處理，如果是節點加入請求就為其分配網絡號，如果是數據信息則進行拆包處理并送計算機串口顯示或送K60串口，通過觸摸屏顯示數據。

圖7是終端節點（ROU或END）的工作流程圖，終端節點首先初始化CC2530芯片，之后初始化協議棧，并發送加入網絡信號，等待主機響應并給自己分配地址。如果加入網絡成功則狀態指示燈亮，之后進入數據采集程序，開始采集傳感器數據并通過無線電發射出去。

圖8是CC2530模/數轉換流程圖，它主要用于采集光敏電阻的光照電壓，同時也用于采集芯片本身的供電電壓和溫度，在AD轉換流程圖中需要配置相關寄存器，在這里配置使能了ADCCFG，以使CC2530的P0口工作在ADC模式，配置ADCCON3=0x8X， 選擇AVDD5引腳上的電壓作為參考電壓，64位的抽取率，X代表AIN0～AIN7中的任一通道。接著設置ADCCON1啟動A/D轉換，最后將處理后的數據存放在定義好的數組里面，供主程序進行閾值判斷。

時鐘模塊讀寫程序：作為智能家庭安防應用系統的重要組成部分，采用DS1302產生實時時鐘。首先要定義星期、年月日、時分秒等變量，接著通過向DS1302的0x8E地址寫入0x00，進行去寫保護功能，然后根據需要設置變量的初始值，接著再向DS1302的0x8E地址寫入0x80進行寫保護，最后程序就可以在初值的基礎上讀出相應的年月日、時分秒、星期等信息。

溫濕度采集的讀寫程序：首先SHT11初始化，并啟動發送，收到主機發送的信號后，延時一段時間，利用傳感器分別產生相對濕度、溫度信號；然后經過放大， A/D模數轉換、校準和糾錯，再通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數據送至微控器，利用微控器完成非線性補償和溫度補償，最后發送到主機。

3 系統調試

K60主機開機后，出現系統設置對話框，人工檢測和定時檢測對話框。在觸摸屏上點擊系統設置對話框，設置系統時間，環境量的溫度、濕度、光照等情況的極限參數，設置完成后，按返回鍵退出系統設置。按人工檢測對話框，系統將最近檢測到的5路數據分別顯示在液晶屏上。按定時檢查對話框，系統每隔1 s將最新的數據顯示在液晶屏上。作為實驗，光敏電阻與上拉電阻構成激光接收通道矩陣是放在窗戶上的，當人靠近窗戶時，紅外熱釋電傳感器響應觸發激光通道的電源，8路激光器投射出8路激光線到窗臺的8個光敏電阻上，遮擋其中的某路光線，OLED立即顯示E?EE，表示有入侵者從窗戶進入，并伴有蜂鳴器報警。各個房間的環境量通過ZigBee技術傳送到與主控模塊，初始設置環境濕度>60% RH和溫度>30 ℃時報警，同時發送信息到手機終端，提示溫濕度超限，并伴有語音提示。實驗證明，當溫度超過30 ℃或者濕度>60% RH時，直流電機帶動窗戶玻璃實現自動關閉。當外界光線太亮時，直流電機帶動窗簾自行關閉。系統的部分測試結果如圖9所示，從串口數據可以看出，終端包括了2個END和一個ROU，協調器啟動后建立無線網絡，并分配網絡地址，如END7EE9，END004E，ROU69D0，接著是按照數據結構顯示傳感器數據，如節點END004E的芯片溫度為22 ℃，供電電壓3.2 V，所處環境溫度為24 ℃，一氧化碳含量對應的電阻值為30 Ω等。

4 結 論

多傳感器數據融合技術在家庭安防的應用系統，它利用CC2530構建的ZigBee 路由器和協調器，結合激光、溫度、濕度、光照、煙霧、一氧化碳傳感器能夠實現系統的目標，實踐數據證明，數據終端通過觸摸屏能夠實時地顯示系統各類環境量，如參數越限，實時報警。激光防盜報警窗能夠對非法入侵者及時進行聲光報警，手機能夠及時收到報警信息。實踐證明，該系統工作運行穩定，工作可靠，并在美國匹茲堡國際發明展上斬獲發明者杯特別獎，已應用到現實的智能家居中。

參考文獻

[1] 王小強，歐陽駿，黃寧淋，等.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M].北京：化學工業出版社，2012.

[2] 友聯電子.Kinetis K60核心板套件用戶手冊V2.0[EB/OL].[2012?08?17]. http：//www.freescaleic.org/module/forum/thread?456356?1?1.html.

[3] 李雪峰.簡易環境測試儀[J].微型機與應用，2014，33（9）：85?88.

[4] 友聯電子.ATK?SIM900A模塊使用說明（F4版）_AN1411A[EB/OL].[2015?05?16].http：// www.doc88.com/p?5327789227597.html.

[5] 深圳博霖電子.OV7670 software application note[EB/OL].[2006?05?07].http：//wenku.baidu.com /view/aab1f11cc281e53a5802

ffe4.html

[6] Freescale. KL04 sub?family reference manual [EB/OL]. [2012?11?03]. http：//pdf1.alldatasheetcn.com/datasheet?pdf/view/519872/FREESCALE/MKL04Z16VLC4.html.

[7] Texas Instruments.CC2530datasheet[EB/OL]. [2010?05?03].http：//www.ti.com.cn/Product/cn/cc2530#technicaldocuments.