多機(jī)無線通信的室內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張恒 董俊 何舒平

摘要：針對(duì)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(cè)系統(tǒng)。整個(gè)監(jiān)測(cè)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(cè)、溫濕度檢測(cè)、光照檢測(cè)等多種檢測(cè)傳感器，主要負(fù)責(zé)環(huán)境檢測(cè)、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(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)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(cè)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(cè)試

中圖分類號(hào)：TN931+.3-34;TP277

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X（ 2019） 24-0067-04

0 引言

隨著社會(huì)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(duì)越來越復(fù)雜的建筑內(nèi)部狀況，室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)問題急需解決。

通過市場(chǎng)考察發(fā)現(xiàn)目前市場(chǎng)上常見的室內(nèi)監(jiān)測(cè)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(cè)記錄儀，這種記錄儀單個(gè)使用，功能相對(duì)單一;另一種由多個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備組成，這種系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)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(cè)設(shè)備組成的監(jiān)測(cè)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(hào)衰減的問題較為嚴(yán)重，出現(xiàn)傳輸錯(cuò)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)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(duì)簡(jiǎn)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(duì)復(fù)雜，包括多種環(huán)境檢測(cè)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(duì)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(cè)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(duì)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(cè)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(dòng)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(cè)傳感器，包括聲音檢測(cè)傳感器、光照檢測(cè)傳感器、煙霧檢測(cè)傳感器和溫濕度檢測(cè)傳感器。其中，聲音檢測(cè)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(hào)，經(jīng)過放大濾波后將該信號(hào)作為輸入信號(hào)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(hào)，否則輸出低電平信號(hào)。通過該電路可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成單片機(jī)可以直接處理的數(shù)字信號(hào)，并且閾值可以通過電位器直接調(diào)節(jié)。光照檢測(cè)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(cè)傳感器主要負(fù)責(zé)檢測(cè)火災(zāi)煙霧，在檢測(cè)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(cè)傳感器電路和光照檢測(cè)電路原理相似，這里不做贅述。溫濕度檢測(cè)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(cè)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(hào)，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(tái)設(shè)備的設(shè)備號(hào)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(hào);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(dòng)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(dòng)作[8]。從機(jī)設(shè)備外設(shè)接口需要驅(qū)動(dòng)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(hào)，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(huì)產(chǎn)生傳輸錯(cuò)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(duì)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(cuò)，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(cuò)，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(duì)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(cè)試

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

通過圖5、圖6可以看出，聲音信號(hào)在處理前是鋸齒狀模擬信號(hào)，單片機(jī)不能直接處理，所以利用LM393比較器進(jìn)行信號(hào)處理，處理后模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)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(cè)結(jié)果，同時(shí)從機(jī)設(shè)備將檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)上傳至主機(jī)。

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

5 結(jié)語

本文針對(duì)現(xiàn)在室內(nèi)安全監(jiān)測(cè)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(cè)并上傳室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，主機(jī)設(shè)備對(duì)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(duì)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。

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作者簡(jiǎn)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(cè)與監(jiān)測(cè)等。