潘曉貝
(1.河南省高校節(jié)能照明工程技術研究中心,河南 三門峽,472000;2.三門峽職業(yè)技術學院智能制造學院,河南 三門峽,472000)
隨著時代的發(fā)展、科技的進步,人們對家居環(huán)境的安全、舒適度的要求也越來越高,要求能夠實時地對家居環(huán)境的火災煙霧、燃氣泄漏、外人入侵等信息進行監(jiān)測,以便及時進行處理,從而提高家居安全[1]。本文基于ZigBee 無線通信技術實現(xiàn)家居環(huán)境無線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件采用模塊化設計,終端節(jié)點是由各類傳感器和ZigBee 模塊組成,用來監(jiān)控室內(nèi)各項參數(shù);協(xié)調(diào)器節(jié)點由ZigBee 模塊構成,用來處理終端節(jié)點傳來的各種信息,如果有異常信息,報警電路蜂鳴器發(fā)出聲響,實現(xiàn)報警的功能。
ZigBee,也稱紫蜂,是一種近距離、低速率、低功耗的無線通信技術。ZigBee 技術特點如下:
1.1.1 功耗低。ZigBee 模塊設備具有較短的工作時間以及較小的數(shù)據(jù)傳輸,且具有睡眠模式。所以,ZigBee 模塊的功耗低到用兩節(jié)普通干電池就可以工作半年以上。
1.1.2 成本低。ZigBee 技術的協(xié)議是免費的,協(xié)議棧的設計不復雜,再加上它本身造價就比同類技術低,故成就了它的低成本。這對ZigBee 技術來說又是一個較大的優(yōu)勢。
1.1.3 可靠性高。ZigBee 技術使用CSMA/CA 沖突避免機制為通信功能留下專用時間間隔,避免數(shù)據(jù)傳輸和接收期間的沖突。MAC 層使用完全確認的機制,每個數(shù)據(jù)包都要讓接收方確認才能進行下去。這些都從根本上保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
1.1.4 時延短。與藍牙相比,ZigBee 技術的時延短。通信延遲和來自睡眠狀態(tài)的延遲都非常短。正常的搜索設備時延30ms,而藍牙則需要3~10s。睡眠激活延遲為15ms,激活設備后的訪問延遲為15ms。因此ZigBee 在對時延要求比較高的場合下十分適用。
1.1.5 網(wǎng)絡容量大。藍牙最多可以連接7 個設備,而ZigBee 網(wǎng)絡中每個協(xié)調(diào)器可承擔255 個模塊,一個ZigBee 網(wǎng)絡能夠承擔65535 個模塊[2],網(wǎng)絡容量大,組網(wǎng)靈活。
1.1.6 安全性好。ZigBee 提供了三級安全模式。第一級其實是不安全的方式,當數(shù)據(jù)并不需要安全性保障或者說數(shù)據(jù)已經(jīng)具有安全保障時,我們就可以用第一級安全模式來傳輸; 第二級安全級別,設備能使用訪問控制列表(ACL)來防止未經(jīng)授權的器件竊取數(shù)據(jù),并且不在此級別使用數(shù)據(jù)加密;第三級安全級別使用高級加密標準(AES)的對稱密碼,以靈活地確定其安全性。
1.1.7 有效范圍小。ZigBee 有效覆蓋范圍10m—75m 之間,根據(jù)模塊的發(fā)射功率和室內(nèi)構造所決定,基本上可以覆蓋整個家庭[3]。
1.1.8 兼容性好。ZigBee 與有的控制網(wǎng)絡標準無縫集成。網(wǎng)絡由協(xié)調(diào)器自動建立,并且通過使用載波偵聽/沖突檢測(CSMACA)來執(zhí)行信道訪問。為了可靠傳遞,還提供全握手協(xié)議。
ZigBee 協(xié)議棧結構如圖1 所示,由物理層、媒體訪問控制層、網(wǎng)絡層和應用層4 層組成,每一層服務于上一層。我們常說的IEEE802.15.4 通信層其實是由物理層和媒體訪問控制層這兩層組成的。底層控制模塊加射頻收發(fā)器組成物理層(PHY層);媒體訪問控制層(MAC 層)的作用是為高層服務,為其提供訪問物理信道的接口[4]。
圖1 ZigBee 協(xié)議棧結構
ZigBee 網(wǎng)絡有星型、樹狀和網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡拓撲結構,如圖2 所示。星型結構只是簡單的終端和協(xié)調(diào)器之間的互動;樹狀結構是星型加星型或者多個星型連在一起外加一個協(xié)調(diào)器組成;網(wǎng)狀結構最復雜,由樹狀結構加上星型或者其他的樹狀結構組成,但它擁有另外兩種拓撲結構不可比擬的靈活性和抗干擾能力[5]。其中,星型結構適合家居環(huán)境的智能監(jiān)測等小范圍的室內(nèi)應用,故本系統(tǒng)的ZigBee 網(wǎng)絡采用星型結構。
圖2 ZigBee 網(wǎng)絡拓撲結構
協(xié)調(diào)器是ZigBee 網(wǎng)絡的核心[6],如果把整個網(wǎng)絡比作人體來看,終端設備就相當于人的各個功能部位,而協(xié)調(diào)器就相當于人的大腦,它負責接收處理各個部位傳來的信號,然后下達該怎么做的指令。
本文設計的基于ZigBee 的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是在近距離,低成本和低速率的ZigBee 協(xié)議的基礎上,通過煙霧傳感器、氣體傳感器以及人體紅外傳感器和ZigBee 模塊組成終端設備用來檢測數(shù)據(jù),然后把檢測到的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器上進行數(shù)據(jù)處理分析,如果檢測到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常則報警電路發(fā)出報警聲響,從而實現(xiàn)對室內(nèi)參數(shù)的實時監(jiān)控以及報警功能。
該系統(tǒng)的硬件整體框架如圖3 所示。該系統(tǒng)由以下幾部分組成:主控部分,由CC2530 作為核心的ZigBee 模塊作為本系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器統(tǒng)籌全局;監(jiān)控部分,由煙霧傳感器、氣體傳感器、人體紅外傳感器作為系統(tǒng)的探測器監(jiān)控室內(nèi)的各項參數(shù),并把監(jiān)測到的信息傳輸給協(xié)調(diào)器由協(xié)調(diào)器處理各種信息;電源部分,給整個系統(tǒng)供電,保證系統(tǒng)能夠正常運行;報警電路實現(xiàn)異常情況的報警。
圖3 系統(tǒng)整體結構框架
基于ZigBee 的家居環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)主要是為了實現(xiàn)家居環(huán)境中一些事故的監(jiān)控、預防和報警功能。結合ZigBee 的無線傳輸優(yōu)勢和組網(wǎng)方式配合不同功能的傳感器,組成了終端采集節(jié)點。本系統(tǒng)選用德州儀器公司的ZigBee 芯片CC2530 為本系統(tǒng)的主控芯片,這款芯片是一款真正的片上系統(tǒng)芯片,它還擁有多種運行模式,并且各種運行模式之間的轉換時間非常短,這就使得它能很好地適應超低功耗的系統(tǒng)。CC2530 的供電電壓為2~3.6V,該芯片包含多種不同功能的定時器、DMA 控制器、12 位ADC 和12 位DAC 以及通用接口等其他資源。因此將此芯片作為本系統(tǒng)的主控芯片。其電路原理圖如圖4 所示。
圖4 基于CC2530 的無線通信SOC 電路
電源電路主要為系統(tǒng)各模塊供電,由于CC2530 的供電要求為3.3V,而負責信息采集的傳感器的供電要求為5V。因此本系統(tǒng)使用電池供電,然后再使用低壓降穩(wěn)壓器ASM1117-3.3 輸出3.3V 直流電壓。電源電路原理圖如圖5 所示。
圖5 電源電路
CC2530 的復位電路,如圖6 所示。
圖6 CC2530 的復位電路
一般來說,如若發(fā)生火災,就會有煙霧產(chǎn)生,或者家里的燃氣泄漏產(chǎn)生易燃易爆的氣體。因此火災探測模塊的設計需要一款既能檢測到煙霧又能檢測到可燃氣體的傳感器,這樣就能有效的預防火災的發(fā)生。
本系統(tǒng)的火災探測模塊使用了MQ-2 傳感器作為火災探測模塊的探測器來監(jiān)控室內(nèi)煙霧濃度和可燃氣體濃度來判斷是否著火或者有可燃氣體泄露。MQ-2 屬于混合型傳感器既能檢測煙霧又能檢測可燃氣體,并且其靈敏度很高,穩(wěn)定性和抗干擾能力也很強,能滿足本系統(tǒng)的需求。
MQ-2 型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導體氣敏材料,當它監(jiān)控的范圍內(nèi)煙霧濃度超過設定值時,其電導率會變大,電阻降低,輸出信號變大,對可燃氣體的檢測也是如此。利用這個原理來對室內(nèi)的可燃氣體、煙霧的濃度進行實時監(jiān)控實現(xiàn)火災或者可燃氣體泄露報警的功能。
圖7 為煙霧、氣體探測傳感器與CC2530 的接口電路。
圖7 MQ-2 氣體/煙霧傳感器原理圖
該模塊功能為檢測人員入侵,當有人進入到該探測器的探測范圍時就會有高電平輸出信號,而當人員遠離這片區(qū)域時輸出信號就變成了低電平,該模塊使用的人體紅外探測器型號為HC-SR501,該探測器模塊能在監(jiān)測值發(fā)生變化時在極短的時間內(nèi)對該變化產(chǎn)生反應,并且在無人干預的情況下能長時間保持穩(wěn)定的運行以及出現(xiàn)溫差時還能自動校準補償,能解決因各種原因導致的溫度變化引起的檢測距離變化問題,可廣泛應用于各種感應電路中。由于該模塊的感應探頭有兩個長方形的感應窗口,所以當人體從不同的位置經(jīng)過時,紅外光譜到達兩個感應探頭的時間有偏差,其偏差越大感應越靈敏,當人從正面靠近或從上下經(jīng)過紅外模塊時由于紅外光譜到達兩個感應探頭的時間偏差值較小,可能會出現(xiàn)模塊工作不靈敏或者不工作的情況。因此人體紅外模塊在安裝時應注意安裝方向,盡量與人的行動方向平行[7]。圖8 是人體紅外探測模塊與CC2530 的接口電路。
圖8 人體紅外感應器原理圖
該系統(tǒng)報警電路使用蜂鳴器報警,直接把蜂鳴器插到協(xié)調(diào)器的引腳P0_7 口上,如果協(xié)調(diào)器接收到終端節(jié)點傳送過來的報警信息蜂鳴器就會發(fā)出蜂鳴聲,提醒用戶有警報信息,及時處理。
系統(tǒng)軟件開發(fā)使用的是8051C/C++編譯器,系統(tǒng)軟件的開發(fā)平臺是通過TI 的Z-Stack 進行。包括系統(tǒng)各模塊程序在內(nèi)的所有系統(tǒng)程序都是在Z-Stack SampleApp 工程基礎上開發(fā)的[8]。
由于ZigBee 協(xié)議棧已經(jīng)在該軟件開發(fā)平臺實現(xiàn),因此主要針對應用層用戶程序進行節(jié)點程序的開發(fā)。本系統(tǒng)的ZigBee 無線網(wǎng)絡采用星型結構,系統(tǒng)軟件設計主要包括終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點設計和協(xié)調(diào)器節(jié)點設計[9]。終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設計主要是采集家居環(huán)境的信息,如火災煙霧、燃氣泄漏、外人入侵等。協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件設計主要是ZigBee 網(wǎng)絡組建的程序設計。
基于ZigBee 技術設計家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),各類傳感器結合ZigBee 模塊,實現(xiàn)家居環(huán)境中的火災煙霧、燃氣泄漏、外人入侵等信息的實時監(jiān)測,如果有異常信息,蜂鳴器發(fā)出聲響,實現(xiàn)報警的功能,以便及時處理,從而提高家居安全。該系統(tǒng)有組網(wǎng)方便、功耗低、成本低、誤報率低、可擴展性強等優(yōu)點[10-11],具有較強的實用價值和很好的市場應用前景。