基于6LoWPAN的智能小區(qū)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仝 迪，陳 果，郭江來

（西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500）

隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)小區(qū)的概念已從最初滿足簡單的居住到注重住宅的人性化需求，如安全、舒適、快捷、方便的智能小區(qū)，其中安全性是首要目標(biāo)。采用門衛(wèi)值勤、人工夜巡、樓宇對(duì)講系統(tǒng)等傳統(tǒng)手段進(jìn)行小區(qū)安保管理已經(jīng)難以滿足住戶的要求，為了實(shí)現(xiàn)小區(qū)的安防監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、公共設(shè)備管理等，在小區(qū)領(lǐng)域內(nèi)引進(jìn)智能化手段可更好地保障居民生活的安全與方便[1-2]。

1 智能小區(qū)管理系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì)

智能小區(qū)管理系統(tǒng)主要針對(duì)小區(qū)內(nèi)溫度、濕度、可燃?xì)怏w、火焰等周圍環(huán)境因素及防盜進(jìn)行有效的監(jiān)測。本系統(tǒng)采用TI的CC430F6137芯片作為核心處理器，該芯片在微控制器內(nèi)核、外圍設(shè)備、軟件和它的射頻接收發(fā)射器之間提供了一個(gè)極高的集成性，使得該片上系統(tǒng)的解決方案變得容易實(shí)現(xiàn)，且其性能易于優(yōu)化。系統(tǒng)硬件方案主要包括傳感器接口電路、RFID射頻模塊、電源管理電路、門禁系統(tǒng)模塊、串口電路、時(shí)鐘電路等，可以實(shí)現(xiàn)小區(qū)環(huán)境信息的感知及防盜功能。其系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 智能小區(qū)管理系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 Hardware block diagram of the intelligent community management system

2 管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源管理電路設(shè)計(jì)

電源管理模塊主要是為主控芯片和其他外圍模塊中的器件提供它們各自所需的工作電壓，讓它們能穩(wěn)定的工作。該電源模塊使用的是AMS1117芯片，該芯片能將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓[3]。圖2為電源管理模塊的原理圖。

圖2 電源管理模塊原理圖Fig.2 The diagram of the power management module

2.2 傳感器接口設(shè)計(jì)

1）為獲取環(huán)境溫度與相對(duì)濕度值，本系統(tǒng)選用DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器[4-5]，其溫度值的檢測范圍為 0～+50℃，濕度值的檢測范圍是 20%～90%RH（Relative Humidity，相對(duì)濕度），它的應(yīng)用電路如圖3所示。

圖3 DHT11典型應(yīng)用電路Fig.3 Typical application circuit of DHT11

2）為了探測空氣中的可燃?xì)怏w，本系統(tǒng)選用寬范圍可燃?xì)怏w傳感器MQ-2，它具有壽命長、成本低和安裝簡單等特點(diǎn)[6]，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)甲烷、丙烷、液化氣等多種可燃?xì)怏w準(zhǔn)確測量。其接口電路如圖4所示。

3）檢測是否起火并報(bào)警是智能小區(qū)管理中所需要的應(yīng)用。本系統(tǒng)利用紅外傳感器構(gòu)成火焰探測器，它能將火焰的亮度轉(zhuǎn)化為高低變化的電平信號(hào)。其外圍接口電路如圖5所示。

圖4 MQ-2接口電路Fig.4 The interface circuit of MQ-2

圖5 火焰探測器接口電路Fig.5 The interface circuit of flame detector

2.3 無線收發(fā)模塊電路設(shè)計(jì)

CC430F6137內(nèi)部集成了CC1101無線收發(fā)模塊，本設(shè)計(jì)中的RF頻率為889.99 MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為38.384 kbps，信道間隔為101.563 kHz，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，依據(jù)發(fā)送范圍來設(shè)置功率的大小，達(dá)到降低功耗的目的。其無線收發(fā)電路圖如圖6所示。

圖6 無線收發(fā)電路Fig.6 The circuit of wireless transmission

2.4 門禁系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

小區(qū)門禁系統(tǒng)主要包括：射頻卡、讀卡器、電子門鎖、門禁控制器、nRF905無線收發(fā)模塊、主控制器等。其硬件框圖如圖7所示。

圖7 門禁系統(tǒng)硬件框圖Fig.7 Hardware block diagram of the access control system

36 LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

智能小區(qū)應(yīng)用平臺(tái)中6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是完成6LoWPAN協(xié)議適配層的主要功能，即報(bào)文分片和重組、報(bào)頭壓縮和地址自動(dòng)配置[7]；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎米詈唵蔚男切徒Y(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)6LoWPAN內(nèi)部節(jié)點(diǎn)與外部IPv6網(wǎng)絡(luò)的UDP報(bào)文傳輸。

3.1 路由節(jié)點(diǎn)

路由節(jié)點(diǎn)作為中介，負(fù)責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，也可以在此加入傳感器將其看作一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收來自傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，本文采用了CC430F6137作為控制中心，配以適當(dāng)?shù)耐鈬娐芳纯晒ぷ?，功耗極低。

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

網(wǎng)關(guān)的主要作用是協(xié)議轉(zhuǎn)換。采用CC430F6137的串口與上位機(jī)進(jìn)行連接。由于網(wǎng)關(guān)沒有連接傳感器，只需要組織管理網(wǎng)絡(luò)和收集傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信息，或是接收PC的命令進(jìn)行無線數(shù)據(jù)采集。傳感器節(jié)點(diǎn)在對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，與路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)共同組建SimpliciTI網(wǎng)絡(luò)，通過無線方式把檢測到的數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)，并在CC430F6137中完成對(duì)6LoWPAN數(shù)據(jù)的解包，然后再將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。

3.3 6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)包括路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。路由節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)和命令的轉(zhuǎn)發(fā)，其程序流程圖如圖8所示。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過串口與上位機(jī)進(jìn)行連接，其流程圖如圖9所示。

圖8 路由節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig.8 Flow chart of routing node

圖9 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig.9 Flow chart of gateway node

4 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)了一種基于CC430F6137的智能小區(qū)管理系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要是由無線傳感器節(jié)點(diǎn)和其他外圍模塊組成，系統(tǒng)采用CC430F6137內(nèi)部集成的RF收發(fā)模塊并利用6LoWPAN協(xié)議控制各節(jié)點(diǎn)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)。因此，該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于智能小區(qū)的控制和管理。

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