CN1949814B - 基于无线传感器网络的家用保安和环境监测报警系统 - Google Patents

基于无线传感器网络的家用保安和环境监测报警系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于家用保安、环境监测无线报警系统领域,其特征是,至少包含一台监测主机、一个基站、一个GSM/GPRS调制解调器,以及若干智能节点。该智能节点用于检测室内温度、湿度、火警,煤气泄漏、以及非法侵入。该智能节点由传感器板、微控制器单元、射频通信模块和电源模块组成,该基站和智能节点按sMAC、IEEE802.15.4和ZigBee三种协议中的任一种进行通信,并由基站把智能节点的采样数据传送到监测主机。该监测主机设有监测应用软件,具有布防和撤防开关按钮,对基站进行控制,还具有手机号码键入和修改功能以及通过手机短信向用户报警的功能。

Description

基于无线传感器网络的家用保安和环境监测报警系统
技术领域
[0001] 本发明属于基于无线传感器网络的监测系统,尤其是家用保安和环境监测报警系统。
背景技术
[0002] 微电子技术、传感器技术和网络通信技术的飞速发展和日益成熟,使得制造大量 体积小、功耗低,同时具有感知能力、计算能力和通信能力等多种功能于一身的智能微传感 器成为可能。这些新一代智能传感器节点(简称智能节点)可以感知周围的环境,并对数 据进行一定的处理,同时可以通过无线通信模块进行相互通信。无线传感器网络就是由大 量智能节点协同组织起来所构成的网络。它是由多学科高度交叉的新兴热点研究领域,被 认为是21世纪最重要的技术之一。
[0003] 无线传感器网络以数据为中心,鲁棒性强,网络具有自动配置、自动识别节点、自 动管理和高度协作的特点。由于大量节点信息的存在,所收集的信息更加准确、更加可靠。 网络能够适应拓扑结构频繁变化,部署简单,成本较低。因而可以被广泛地应用在军事、环 境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、抗灾抢险等领域。
[0004] 目前,基于无线传感器网络的户外环境监测项目和专利产品已经出现,美国加州 大学伯克利分校Intel实验室和大西洋学院联合在大鸭岛(Great Duck Island)上部署 了一个多层次的无线传感器网络系统,用来监测岛上海燕的生活习性。基于无线传感器网 络的ALERT系统,通过传感器监测降雨量、河水水位和土壤水分,实现山洪的爆发预测和报 警。美国 DARPA 启动了 SensIT(Sensor Information Technology)计划,将多种类型的传 感器、可重编程的通用处理器和无线通信技术组合起来,建立一个廉价的无处不在的无线 传感器网络,用于监测光学、声学、震动、磁场、湿度、污染、毒物等信息,用于军事。在我国, 中科院计算技术研究所研发了井下传感网络技术型煤矿无线综合监控系统,该系统利用了 无线传感器网络特有的自组织、数据式多跳路由、低成本等特点。中国专利报道了一个基 于无线传感器网络的井下定位系统、装置和方法的专利(专利号=200510071144. 7),基于 无线传感器网络实现矿井井下环境监测和人员定位。近几年,家用安防、环境监测报警系统 虽然得到了迅速发展,但是整体而言存在很大的不足。一是在环境信息的获取上,当前大多 数系统监测的信息较为单一,如有些系统仅仅收集、处理红外信息,用于人员非法侵入报警 或收集单一的超声波破碎信息进行报警等等,功能单一,不能达到对家居环境的整体监测; 二是传输方式大多采用有线传输,部署安装较为复杂,移动性和可扩展性差,目前也有基于 无线通信的安防报警系统出现,但是所采用的技术较为落后,价格偏高;三是准确性、可靠 性有待于提高,一旦部分节点出现故障,系统易于瘫痪,鲁棒性差。将无线传感器网络应用 于保安、环境监测报警系统中,利用无线传感器网络自组织、高可靠和高度协作的特点,无 论是在信息采集的多样性,获取信息的准确性、可靠性、实时性,系统的鲁棒性、廉价性等方 面,与以往的系统相比都会有很大的改进。
[0005] 无线传感器网络是我国“十一五”期间的一项重要研究课题。国内目前对无线传感器网络的研究才刚刚起步,尚没有基于无线传感器网络的家用保安和环境监测报警系统。 发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种具有信息采集多样性,获取信息准确性、可靠性、实时 性,具有系统鲁棒性、廉价性特征的基于无线传感器网络的家用保安和环境监测报警系统。 本发明的特征在于,
[0007] 基于无线传感器网络的家用保安和环境监测报警系统,其特征在于,含有:多种无 线网络传感器智能节点、基站、GSM/GPRS调制解调器及监测主机,其中:
[0008] 多种无线传感器网络智能节点包括温/湿度、烟雾、红外和可燃气体四种类型,智 能节点数量的选取可以进行定制。每个智能节点由传感器板、嵌入式无线模块和电源模块 组成,第一微控制器内有嵌入式采样程序。智能节点间以及智能节点和基站间进行双向通 信,通信协议支持sMAC、IEEE 802. 15. 4和ZigBee三种中的任何一种。各智能节点向基站 返回的数据包格式含有:协议类型、源地址、目的地址、传感器类型、数据长度和可变长度数 据负载等字节,其中,传感器类型的定义字节包括所述四种无线传感器。
[0009] 基站由微处理器单元、射频和天线单元组成的通信单元以及串口 /USB 口转换单 元组成,第二微控制器内有嵌入式程序与监测主机和智能节点通信。而微处理器单元中的 处理器和通信单元间通过SPI接口相连,该通信单元通过无线方式接收来自所述各智能节 点的传感器信息,并经过该微处理器单元处理后通过USB接口把所述传感器数据包转发给 智能节点。
[0010] GSM/GPRS调制解调器用于所述监测主机与用户的短信交互。
[0011] 监测主机向基站发送控制指令和采集指令,采集并解析基站返回的各传感器数据 进行监测。
[0012] 其中如上所述的基站采用Polling方式工作,采集指令帧格式包括四个字节,数 据包含有以下数据项:协议类型、基站地址、传感器地址和任务。其中,传感器地址字节含有 OlH-FHl范围的地址,并依据所述四种传感器进行了地址划分。所述任务至少包括返回负载 长度为0的数据包,表示该传感器已经开始工作。
[0013] 其中如上所述的智能节点和基站组成无线传感器网络,其拓扑结构为星型网络, 基站为星型网络的中心节点,定义实现了网络协议,基站以轮询模式查询、接收并处理智能 节点所采样的传感器数据
[0014]
[0015]调器。
[0016]
[0017]
[0018] [0019]
另外,本发明公开了一种使用监测主机进行监测的方法,该方法包括以下步骤: 步骤(1):先打开USB并转串口,打开GSM/GPRS调制解调器串口,初始化该调制解
步骤⑵ 步骤⑶ 步骤⑷ 步骤(5)
打开布防开关,进入监控状态。 向基站发送控制指令。 定期循环向基站发送采集指令。
采集并解析基站返回的各传感器数据,与报警阈值进行比较,采用中文 短信PDU格式,通过GSM/GPRS调制解调器向用户发送中文短信,其中,基站发送来的数据帧 格式包括以下数据项:传感器类型、设备号、数据长度和数据负载。 [0020] 步骤(6):系统运行状态显示。[0021] 步骤(7):任务结束,进入⑶循环执行。
[0022] 在步骤(1)中还可以包括“通过按键输入和修改手机号码并存储到FLASH存储器 中”的步骤。
[0023] 在步骤(5)中还可以包括“统计出错信息,并存储至FLASH存储器中”的步骤。
[0024] 目前,本发明作为环境监测单元可以应用于家用保安机器人产品中。ARM 9监测主 机、基站和GSM/GPRS调制解调器安装于保安机器人本体,智能节点布设在家庭环境中,普 通型机器人配有一个红外节点、两个温湿度节点、一个煤气节点和一个烟雾节点,用于监测 家庭温度、湿度、煤气泄漏、烟雾火灾和非法人员侵入。豪华型机器人配有两个红外节点、四 个温湿度节点、一个煤气节点和两个烟雾节点,市场前景看好。同时,本发明更可以作为独 立的系统应用于家庭保安和环境监测。
[0025] 通过家用保安机器人产品测试和现场实验,结果表明本系统运行稳定,无线 通信在2. 4GHz免特许频段支持最高250Kb/s传输速率,空旷环境传输距离可达IOOm 左右,在50m范围内,可穿透两座家居水泥墙结构,发射功率输出为OdB,接收灵敏度 为-87〜_92dBm,无线通信具有全信道自适应动态切换功能,误码率低,抗直接干扰和多径 干扰能力强。温湿度智能节点支持湿度监测范围为0-100% RH,精度为-3. 5至3. 5% RH, 温度支持监测范围为-40摄氏度到120摄氏度,精度为-0. 5至0. 5。红外智能节点选覆盖 范围为14m*14m、46,*46,,具有抗RFI、EMI、ESD干扰和防雷功能。烟雾智能节点支持烟雾 探测范围为lOOppm-lOOOOppm,灵敏度> 5。煤气智能节点支持甲烷、一氧化碳探测范围为 lOOppm-lOOOOppm,灵敏度彡 5。
[0026] 如上所述,基于无线传感器网络的家用保安和环境监测报警系统由多种无线传感 器网络智能节点、基站和监测主机等组成,充分利用无线传感器网络的自组织性、鲁棒性等 优点,通过无线传感器智能节点对温/湿度、烟雾、红外和煤气信息进行查询采集,以及监 测主机的系统控制、数据融合与智能数据处理,能够向用户提供准确、可靠、实时、综合的安 防报警信息。系统布设方便,价格低廉,移动性强,更适用于家用保安、智能家居环境监测目 的。基于无线传感器网络的家用保安和环境监测报警系统改进了当前大多数监测系统的监 测信息较为单一、部署安装较为复杂、鲁棒性差的不足,与以往的系统相比,在信息采集的 多样性,获取信息的准确性、可靠性、实时性,系统的鲁棒性、廉价性等方面,都有很大的改 进。
附图说明
[0027] 图1表示本发明基于无线传感器网络的家用保安和环境监测报警系统的框图。
[0028] 图2表示本发明基于无线传感器网络的家用保安和环境监测报警系统的网络协 议定义。
[0029] 图3表示本发明的运行于ARM 9主机的监测软件总体结构图。
[0030] 图4表示本发明的运行于ARM 9主机的系统初始化子程序流程图。
[0031] 图5表示本发明的运行于ARM 9主机的手机号码修改子程序流程图。
[0032] 图6表示本发明的运行于ARM 9主机的监控子程序流程图。
[0033] 图7表示本发明的运行于ARM 9主机的手机短信发送子程序流程图。
[0034] 图8表示本发明的温/湿度传感器节点的接口框图。[0035] 图9表示本发明的温/湿度传感器节点的软件框图。
[0036] 图10表示本发明的通信基站的构成单元连接框图。
[0037] 本发明的基于无线传感器网络的家用保安和环境监测报警系统,适用于家用保 安、智能家居环境监测目的。由多种无线传感器网络智能节点、基站和监测主机等组成。智 能节点检测室内温度、湿度、火警,以及非法侵入,并通过无线、多跳方式经基站将信息传送 至监测主机;监测主机进行系统控制、数据融合和智能信息处理,通过手机短信发送报警信 息。其特征在于,报警系统由监测主机、基站、GSM/GPRS调制解调器(Modem)与智能节点组 成,其中智能节点由传感器板、嵌入式无线模块和电源模块组成。系统至少包含一台监测主 机、一个基站、一个GSM/GPRS调制解调器,以及若干智能节点。智能节点传感器类型包括温 /湿度、烟雾、红外和煤气等,数量和类型的选取可依据具体应用定制,报警信息以手机短信 形式发送到预先设定的多个手机号码中,接收报警短信的手机号码的个数可以任意设定, 并支持通过按键或串口对手机号码进行修改。系统中的智能节点和基站组成星型拓扑结构 的无线传感器网络,同时定义实现了网络协议。系统软件包括ARM 9主机监控程序、智能节 点程序和基站程序。软件中实现了无线信道性能评估优化算法、节能算法,以减少无线信道 误码率和智能节点的能量消耗。
[0038] 还有,本发明的特征在于,监测主机为ARM 9嵌入式主机,运行Linux操作系统和 C程序编写的监测应用软件。ARM 9主机具有布防与撤防开关按钮,对警戒进行控制。ARM 9主机还具有手机号码键入与修改功能。
[0039] 还有,本发明的特征在于,基站通过USB 口和ARM 9主机相连,基站包括支持 ZigBee协议的无线通信单元和具有64Kb存储能力的8位微控制器单元,可以和无线传感器 智能节点进行双向通信,并完成数据包转发。
[0040] 还有,本发明的特征在于,智能节点包括温/湿度、烟雾、红外和可燃气体4种类 型,具体数量和类型的选取可依据应用定制。智能节点由传感器板、嵌入式无线模块和电源 模块组成,可以获取环境信息,并进行简单的智能处理。智能节点间以及智能节点和基站间 可以进行双向通信。通信协议支持sMAC、IEEE 802. 15. 4和ZigBee Stack三种。
[0041] 还有,本发明的特征在于,系统中的智能节点和基站组成无线传感器网络,其拓扑 结构为星型网络,基站为星型网络的中心节点。基站以轮询模式查询、接收并处理智能节点 所采样的传感器数据。本发明同时定义实现了网络协议,以完成数据的转发和维持网络拓 扑。
[0042] 还有,本发明的特征在于,包含运行于ARM 9主机的监测软件、基站中的软件、各 类型无线传感器网络智能节点中的软件以及实现无线传感器网络数据转发的网络协议。软 件中实现了无线信道性能评估优化算法、节能算法,以减少无线信道误码率和智能节点的 能量消耗。
具体实施方式
[0043] 以下,根据图1-图10说明本发明实施例的基于无线传感器网络的家用保安和环 境监测报警系统。
[0044] 图1表示本发明的第一实施例的基于无线传感器网络的系统框图。报警系统由监 测主机(ARM MainBoard)、基站(Base Station)、GSM/GPR调制解调器(Modem)与智能节点(Intelligent Node)组成,其中智能节点由传感器板(SensorBoard)、第一微控制器单元 (MCU)与射频(RF)通信模块组成。系统至少包含一台监测主机、一个基站、一个GSM/GPRS Modem,以及若干智能节点。智能节点传感器类型包括温/湿度、烟雾、红外和煤气等,数量 和类型的选取可依据具体应用定制。
[0045] 监测主机为报警系统的信息处理模块,通过USB接口与基站通信。主机接收基站 转发的多传感器信息,并进行监控、报警等处理;或发出指令控制智能节点休眠与周期采 样;并通过GSM/GPRS Modem模块与用户短信交互。用户手机终端可据此发送定制的短信报 警信息。本发明的监测主机的具体指标为:CPU为Samsung ARM9 TDMI结构芯片,工作频率 66MHz, 2MB BIOS NOR Flash, 8MB内存,主从USB接口和两个串口 ;运行Linux操作系统。
[0046] 基站由8位微处理器单元、通信单元和USB接口单元组成,通过无线方式接收来自 智能节点的传感信息,并通过USB接口将数据包转发给监测主机,或将监测主机的指令通 过基站发送给智能节点。基站与主机通过USB接口直接相连。
[0047] 无线传感器网络智能节点由嵌入式无线模块、传感器板和电源模块组成。嵌入式 无线模块集成了 Freescale HCS08微控制器和MC13193射频芯片,具有8通道10位A/D 模拟量输入和8路数字量输入接口。传感器板包括各种类型的传感器和电平转换电路单 元。本发明的无线传感器家用保安和环境监测报警系统支持温/湿度、红外、烟雾和煤气四 种类型的传感器,负责感应环境信息,将之转换成电平信号输出。其中,温/湿度传感器选 用Sensirion SHT10,湿度支持范围为0-100% RH,精度为-3. 5至3. 5% RH,温度支持范围 为-40摄氏度到120摄氏度,精度为-0. 5至0. 5。烟雾与煤气传感器选用MQ-2,检测类型 为可燃气体与烟雾,探测范围为100-10000ppm,灵敏度> 5。红外探测器选用Electronics Line 3000的EL-55,覆盖范围:14m*14m,46,*46,,具有抗RFI、EMI、ESD干扰和防雷功能。 电源模块负责智能节点的能量供应,除温/湿度智能节点为7. 2V锂电池供电外,其它的均 为适配器直流供电。GSM/GPRS Modem为支持中文短信收发的通用GSM/GPRS调制解调器,通 过串口与监测主机相连,支持中国移动和中国联通两大运营商的短信服务。
[0048] 图2表示本发明基于无线传感器网络的家用保安和环境监测报警系统的协议定 义。ARM主板采用定时循环采样方式,通过基站的数据包转发,每隔30秒向烟雾传感器和 温/湿度传感器发出采样指令。基站采用polling方式工作,采集指令帧格式包括两个字 节有效数据,第一字节表示设备编号,第二字节表示采集指令。传感器设备编号定义如图2 中表1所示。基站发出的采样指令数据包定义如图2中表2与表3所示。
[0049] 系统的内部节拍时钟统一确定为10ms。因此,30秒的采样周期相当于3000个节 拍时钟。节拍时钟大于数据包的生存时间。
[0050] 红外探测器若检测到任何入侵,将随时以优先权,向基站发送“请求连续确认”信 号(总数小于100个节拍)。此时,其他采样请求指令周期被相应顺延。
[0051] 对温/湿度和烟雾传感器,任务0x01执行获取数据返回;任务0x02返回负载长度 为0的数据包,表示该传感器已经工作。对红外传感器,任务0x01开始工作;任务0x02返 回负载长度为0的数据包,表示该传感器已经工作。
[0052] 无线传感器网络智能节点向基站返回的数据包格式如图2中表4与表5所示。任 何采样指令在发出后10个节拍内未收到有效的传感器数据,则再次发送采样指令。采样指 令最多可发送三次。[0053] 基站每次收到来自传感器的数据包后,不作任何改变,直接向ARM主板进行数据 包转发,数据帧格式如图2中表6、表7所示。
[0054] 数字式温/湿度传感器在返回传感器数据后,立即进入深度休眠状态,并被定时 “提前” 1个节拍唤醒。烟雾传感器和红外探测器,不进行任何休眠与唤醒操作。
[0055] 图3表示本发明的运行于ARM 9主机的监测软件总体结构图。ARM监测主机主要 完成无线传感器网络的系统控制、数据融合和数据处理功能。主要包括以下基本功能:
[0056] (1)向基站发送控制指令;
[0057] (2)采集基站传来的数据;
[0058] (3)解析基站传来的数据;
[0059] (4)根据解析结果,发送相应的中文短信息给用户;
[0060] (5)通过按键输入和修改手机号码,并存储到FLASH存储器中;
[0061] (6)统计出错信息存储到FLASH存储器中;
[0062] (7)系统运行状态通过LED显示。
[0063] 依据图3所示,软件总体结构包括如下三个子模块:
[0064] (1)基本系统初始化,包括GSM/GPRS Modem串口,USB转串口,按键,LED的初始 化;
[0065] (2)手机电话号码键入与修改循环,每修改一个手机电话号码都要存储到FLASH 中;
[0066] (3)监控程序循环,在每个监控循环完成后,可以查看用户是否中途解除布防。
[0067] 图4表示本发明的运行于ARM 9主机的系统初始化子程序流程图。模块程序开始 运行后,首先会从FLASH数据区域中读取上一次运行结束后保存下来的一些基本信息,并 通过用户监视串口显示。接着调用systemlnitO函数进入基本系统初始化。systemlnitO 返回TRUE表示基本系统初始化成功,程序会显示该成功信息。若返回FALSE,表示出现了严 重错误(比如USB基站没有插入),系统不能满足要求,程序显示失败信息,并直接退出运 行。
[0068] 图5表示本发明的运行于ARM 9主机的手机号码修改子程序流程图。本发明的监 测主机可以预设3个手机号码,作为报警中文短信发送的对象,并且支持用户依据ARM 9主 机上的两个按键进行修改。利用这两个按键,系统具有如下三个功能:
[0069] (1)这两个键作为上电后用户进入手机号码修改程序还是进入监控程序选择键。 如果用户上电后按了右键,就直接进入监控程序;否则如果按了左键,就进入手机号码修改 程序;修改完一个手机号码后仍然回到选择判断环节。
[0070] (2)如果用户选择进入按键修改手机号码:每次进入号码修改程序都要先选择修 改那一个手机号码,然后才修改备选中的号码。左键为数字键;右键为指令键。数字1-9与 左键按下的次数相同,数字0由右键表示;每按一个数字,按右键确认,直到输够11个号码 为止。
[0071] (3) 一旦用户进了监控程序,还可以利用按键由用户选择中途退出监控状态,以及 恢复进入监控状态。如果用户在监控状态下按了左键表示希望在这次监控循环后解除布 控,就将全局变量userCancelIedMonitorMode设为TRUE,下一个监控循环之前就会检查这 个变量,从而达到中途解除布控的目的。在解除布控的情况下,如果用户按了右键,就会将这个全局变量设为FALSE,并将全局变量UserReEnteredMonitorMode设为TRUE,从而重新 进入监控循环。
[0072] 图6表示本发明的运行于ARM 9主机的监控子程序流程图。监测主机通过对无线 传感器网络智能节点的采样、数据包的解析和运算处理,实现对紧急情况的报警。
[0073] 图7表示本发明的运行于ARM 9主机的手机短信发送子程序流程图。本发明的监 测主机和GSM/GPRS Modem相连,支持中、英文报警信息的发送。中文短信的发送,需要使用 PDU格式。用PDU模式收发短消息可以使用三种编码,即7-bit编码、8-bit编码和UCS2编 码。7-bit编码用于发送普通的ASCII字符;8-bit编码通常用于发送数据消息,如图片或 铃声等;UCS2编码用于发送Unicode字符。本发明在实现中文短消息的发送中,选择使用 UCS2编码,即中文Unicode码,对发送的报警短信进行定制。
[0074] 本发明的运行在无线传感器网络智能节点中的软件,基于Simple MAC协议实现。 Simp 1 eMAC是一个轻量级的介质访问控制协议,支持点到点和星型网络拓扑结构。Simp 1 e MAC协议采用周期性侦听/睡眠的低占空比工作方式,控制无线传感器网络智能节点来降 低能量的消耗,同时支持信号发射能量的调节、能量探测、链路质量指示以及空闲信道评 估,以做到低功耗的需求,通过流量自适应的侦听机制,减少消息在网络中的传输延迟,具 有信道复用功能。Simple MAC由于简单,对硬件的处理和存储能力要求较低,能运行在当前 主流的8位单片机上,该协议具有冗余循环校验功能,具有一定的数据帧校验和完整性检 查机制,物理层的采用DSSS (直接序列扩频)技术,具有较强抗定频干扰、抗衰落、抗多径干 扰能力。因选用的温/湿度、红外、烟雾和煤气四种类型的传感器不同,在与MCU的接口方 式,以及算法上均有所不同。
[0075] 温/湿度传感器选用Sensirion SHT10,该传感器是一款高度集成的温/湿度传感 器芯片,提供全标定的数字输出。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙 材料制成的测温元件,并在同一芯片上,与14位的A/D转换器,以及串行接口电路实现无缝 连接。该产品具有两线制的串行接口与内部的电压调整,具有微小的体积和极低的功耗。
[0076] 图8表示本发明的温/湿度传感器节点的接口框图。SHTlO温/湿度传感器,通过 两线数字接口与MCU的数字IO接口相连,SCK为用于微处理器与SHTxx之间的通讯同步。 由于接口包含了完全静态逻辑,因而不存在最小SCK频率。DATA为串行数据接口,接口用 于温/湿度数据的读取。DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态,并仅在SCK时钟上升沿有 效。数据传输期间,在SCK时钟高电平时,DATA必须保持稳定。GNU和VDD为接地、电源接 口,支持2. 4〜5. 5V供电。温/湿度传感器支持寄存器控制的程序设计,通过对不同方向 寄存器和数字寄存器的打开、关闭,来实现对温/湿度传感器的数值,其中用一组“启动传 输”时序,来表示数据传输的初始化。它包括:当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平,紧 接着SCK变为低电平,随后是在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。发布一组测量命令 (‘00000101,表示相对湿度RH,‘00000011,表示温度T)后,控制器要等待测量结束。数 字信号的整个传输过程由8bit校验来确保。SHTlO的某些高级功能可以通过状态寄存器实 现。
[0077] 图9表示本发明的温/湿度传感器节点的软件框图。程序一方面要对硬件物理层 进行初始化控制,同时要对数据链路层的帧结构进行封装与解析。要完成自组织的网络,还 要实现一定的网络协议,最上层为接收的远程指令数据和要处理的传感器感应数据,工作在应用层。其操作流程如下:
[0078] (I)MCU 初始化;
[0079] (2)射频模块初始化;
[0080] (3)网络协议初始化;
[0081] (4)设置时钟频率;
[0082] (5)调整默认发射功率;
[0083] (6)切换MCU时钟到射频时钟;
[0084] (7)对无线信道进行评估;
[0085] (8)使能中断;
[0086] (9)进入低功耗模式;
[0087] (10)开始侦听网络中的数据;
[0088] (11)判断是否是基站在请求数据并执行获取温/湿度值指令;
[0089] (12)判断是否是基站在点名,获取节点状态并执行指令;
[0090] (13)发送数据包;
[0091] (13)清空缓存和发送数据包中的数据;
[0092] (14)进入睡眠状态;
[0093] (15)进入(10)继续侦听无线传感器网络数据;
[0094] 其中,步骤(3),包括设定网络协议的类型、节点ID、基站类型、传感器类型、收发 数据包的长度等。步骤(7)包括对16个信道状态依次进行评估,找出空闲或高质量的信道, 以便进行高效的数据传输。
[0095] 无线传感器红外节点,通过开关量信号与MCU通信。当红外探头感应到有人存在, 就会输出高电平,监测范围内无人的情况下,输出低电平。输出管脚与MCU的数字IO相连, 通过读取IO管脚的寄存器值,来捕获红外信号。智能红外节点中的程序,在系统初始化、信 道评估和网络协议的定义上和温/湿度节点相同,不同的是MCU处理的是开关量信号。
[0096] 烟雾和煤气传感器节点输出模拟量信号。对于不同浓度的烟雾、甲烷和一氧化碳 气体,输出不同的电压值。输出管脚与MCU的ADC(模数转换)接口相连。智能烟雾和煤气 传感器节点中的程序,在系统初始化、信道评估和网络协议的定义上和温/湿度节点相同, 不同的是在获取传感器数据值时,通过一定的采样频率和模数转换,得到具体的数值,进而 计算出烟雾、甲烷和一氧化碳气体的浓度值。
[0097] 图10表示本发明的通信基站的构成单元连接框图。无线传感器网络通信基站主 要由8位第二微控制器单元、射频单元、串口 /USB 口转换单元组成。另外还包括天线单元 和BDM接口单元。其中,8微处理器采用Freescale公司的MC9S08GT60芯片,射频单元的核 心芯片为Freescale的MC13193芯片,串口 /USB 口转换单元核心芯片型号为PL2303。该 发明通过USB接口与监测主机相连。其中8位第二微控制器单元和射频单元由SPI接口 (Serial Peripheral Interface)连接。SPI接口是近年来新发展的一种高速同步串行通讯 接口。通讯分为主控方(Master)和从方(Slave)。整个通讯由主方控制,包括SPISTE-SPI Strob、SPICLK-Clock、SIMO (Slave Input/Master Out)、SOMI (Slave Output/Master In) 等通信信号。8位第二微控制器单元和串口/USB 口转换单元,通过RXD (Received data)、 TXD(Transmit Data)接口相连。BDM接口单元连接到8位第二微控制器芯片的BDM管脚。BDM接口与Multilink设备相连,结合配套开发软件,可以实现对第二微控制器单元应用程 序的擦写。收发天线单元直接与射频单元相连
[0098] 如上所述,基于无线传感器网络的家用保安和环境监测报警系统由多种无线传感 器网络智能传感器节点、基站和监测主机等组成,充分利用无线传感器网络的优点,通过无 线传感器智能节点对温/湿度、烟雾、红外和煤气信息进行查询采集,以及监测主机的系统 控制、数据融合与智能数据处理,能够向用户提供准确、可靠、实时、综合的安防报警信息。 系统布设方便,价格低廉,移动性强,改进了当前大多数监测系统的监测信息较为单一、部 署安装较为复杂、鲁棒性差的不足,在信息采集的多样性,获取信息的准确性、可靠性、实时 性等方面,都有很大的改进,更适用于家用保安、智能家居环境检测目的。

Claims (4)

1.基于无线传感器网络的家用保安和环境监测报警系统,其特征在于,含有:多种无 线网络传感器智能节点、基站、GSM/GPRS调制解调器及监测主机,其中:多种无线传感器网络智能节点包括温/湿度、烟雾、红外和可燃气体四种类型,智能 节点数量的选取可以进行定制;每个智能节点由传感器板、含第一微控制器单元与射频通 信单元的嵌入式无线模块和电源模块组成,智能节点中的第一微控制器内有嵌入式采样程 序;智能节点间以及智能节点和基站间进行双向通信,通信协议支持sMAC、IEEE 802. 15. 4 和ZigBee三种中的任何一种;各智能节点向基站返回的数据包格式含有:协议类型、源地 址、目的地址、传感器类型、数据长度和可变长度数据负载等字节,其中,传感器类型的定义 字节包括所述四种无线传感器;基站由第二微控制器单元、含射频单元和天线单元的通信 单元以及串口 /USB 口转换单元组成,基站中的第二微控制器内有嵌入式程序与监测主机 和智能节点通信;而第二微控制器单元中的处理器和通信单元间通过SPI接口相连,该通 信单元通过无线方式接收来自所述各智能节点的传感器信息,并经过第二微控制器单元处 理后通过USB接口把所述传感器数据包转发给监测主机;GSM/GPRS调制解调器用于所述监 测主机与用户的短信交互;监测主机向基站发送控制指令和采集指令,采集并解析基站返 回的各传感器数据进行监测;其中基站采用Polling方式工作,采集指令帧格式包括四个 字节,数据包含有以下数据项:协议类型、基站地址、传感器地址和任务;其中,传感器地址 字节含有OlH-FFH范围的地址,并依据所述四种传感器进行了地址划分;所述任务至少包 括返回负载长度为0的数据包,表示该传感器已经开始工作。
2.如权利要求1所述的基于无线传感器网络的家用保安和环境监测报警系统,其中智 能节点和基站组成无线传感器网络,其拓扑结构为星型网络,基站为星型网络的中心节点, 定义实现了网络协议,基站以轮询模式查询、接收并处理智能节点所采样的传感器数据。
3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的家用保安和环境监测报警系统,其特 征在于,所述的四种传感器智能节点程序和基站程序中,实现了无线信道性能评估优化算 法、节能算法,以减少无线信道误码率和智能节点的能量消耗。
4.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的家用保安和环境监测报警系统,其特 征在于,使用监测主机进行监测包括:步骤(1):先打开USB并转串口,打开GSM/GPRS调制解调器串口,初始化该调制解调器;步骤(2):打开布防开关,进入监控状态;步骤(3):向基站发送控制指令;步骤(4):定期循环向基站发送采集指令;步骤(5):采集并解析基站返回的各传感器数据,与报警阈值进行比较,采用中文短信 PDU格式,通过GSM/GPRS调制解调器向用户发送中文短信,其中,基站发送来的数据帧格式 包括以下数据项:传感器类型、设备号、数据长度和数据负载;步骤(6):系统运行状态显示;步骤(7):任务结束,进入(3)循环执行。
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