基于ARM9的家庭安防报警系统设计

2012-07-20高鹏飞许晓平杨茗超

微处理机 2012年2期

高鹏飞，许晓平，朱娟，杨茗超

(1.昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明 650500;2.昆明理工大学电力工程学院，昆明 650500)

1 引言

随着生活水平的日益提高，舒适、温馨的居住环境已不是购房人的唯一选择，大家更关心生活环境是否具有安全感。因此新型的家庭安防报警系统不仅是对个人生命安全的保障，更是促进社会安定和谐的重要力量。

针对现代家庭安防的要求和当前市场上类似产品的不足，提出了以ZigBee 和ARM9 技术为核心的嵌入式智能家庭安防报警系统。这种报警系统主要通过安装在前端的传感器(如温度、烟雾、煤气等传感器)，将采集信息通过ZigBee 无线网络发送到监控端，当发生异常情况时，监控端就会立即启动报警装置，将警情及时告知用户，以便情况得到及时的处理，从而防止和减少人员伤亡及财产损失。系统的特点在于使用ZigBee 无线网络将传感器采集的信号快速、准确的传输至监控端，不仅省去了布线的麻烦、节约了成本，还扩大了监控的范围。

2 ZigBee 网络概述

近年来在无线个域网WPAN 技术领域中，各种标准技术在竞相发展，而这些不同技术标准的产品之间既相互竞争又相互促进，ZigBee 正是在这种无线技术蓬勃发展的环境中应运而生的。与其他的通信技术不同，它不追求高速率、远距离，主要针对特定的智能家庭、智能建筑、工业自动化以及医疗等某些特定的控制领域，锁定只以几十kbps的速率，在几米至几十米的距离内实现无线组网通信的功能。在这样的指标环境下，再确定出其他技术要求——低功耗、低复杂度、低价格，从而诞生出一种新型的无线通信技术——ZigBee。

形象化的描述ZigBee:它是一种简单的信号传输装置，其核心是多信道无线通信装置和微控制器，它们都被集成在一两块半导体芯片上，封装在如小指甲盖大小的塑料制品里。使用ZigBee 技术实现的产品，一般采用廉价的8 位微处理器，将无线射频收发模块集成在一块芯片上，外围接上阻容和晶振等器件，再外接一些A/D、D/A、I/O 接口及控制电路，即组成了拥有各种智能控制节点、无线传感器网络节点的核心控制模块。当然，只有这些硬件电路是远远不够的，还需要在芯片上加载符合实际需要的无线通信软件和控制程序，才能组成完整的功能控制模块，为此，现在也把这类带有ZigBee 协议栈及无线收发模块的单片机称为“无线单片机”。ZigBee 技术并不是完全独立的、全新的标准，它的物理层、MAC 层和链路层采用了IEEE802.15.4(无线个人域网)的协议标准，并在此基础上进行了完善和扩展。

ZigBee是一种低速率无线个域网技术，它与其他无线通信技术不断追求高速率、远距离不同，ZigBee主要以低速率、近距离而著称，其目的就是为了大幅降低无线终端的成本及功耗。因此，那些低速率、小范围、少成本、低功耗的系统首先应该考虑的就是ZigBee 无线网络，因为它采用的数据传输方式为间接传输，即由功能简单的设备节点发起数据传输，只要设备不要求，它就处于休眠状态，从而使整个通信网络的功耗大大降低。

3 系统方案设计

家庭安防报警系统的结构如图1 所示。由家庭安防报警系统的网关和ZigBee 无线网络组成，从而实现家庭安防报警系统的功能。设计采用ARM9微处理器芯片作为控制器，对家庭安防报警系统进行管理控制，充当家庭安防报警系统网关的功能。用户使用移动电话，通过GPRS 网络实现对家庭安防报警系统的远程控制。

图1 基于ARM9 和ZigBee 技术的家庭安防报警系统结构

4 硬件设计

所要实现的主要功能:通过前端的探测器(门窗磁、各种红外探测器、烟感探测器、煤气泄漏探测器等)采集信号并通过无线传输将信号传输给协调器，协调器将信号传给报警主机进行监控，若有险情发生，立即驱动报警装置。

主要由五个模块构成，它们分别是传感器模块、信号采集发送模块、信号接收模块、信号显示模块和报警模块，其中前面三项称之为信号的无线传输部分，而后两项称为信号的处理部分，系统结构图如图2 所示。

图2 家庭安防报警系统硬件结构

传感器模块按它的布局和功能来分，可将它分为3个部分:防盗、防火灾以及煤气泄露检测装置。因为要消除误报，所以在防盗方面采用多种传感器共同监测的方法，即将振动传感器、门磁窗传感器和热释电红外传感器相结合，通过各种因素共同判定是否有人非法侵入;而防火部分采用温度及烟雾传感器相结合，如果数据显示有大量烟雾产生，并伴随室内温度升高则判定有火灾隐患;煤气泄露部分采用一种能检测到空气中煤气含量的传感器MQ－6，当数据一旦显示煤气含量超标，则判断有煤气泄露的警情。

无线通信部分采用TI 公司的CC2430 协议栈模块，这款符合ZigBee 技术的2.4GHz 射频系统芯片，适用于各种ZigBee 无线网络节点，可以将它作为设备终端、路由器节点或者协调器来使用。

中央处理模块采用天嵌公司生产的TQ2440 开发板，它的核心芯片是Samsung S3C2440，它是三星公司推出的一款功能强大，功耗极低的ARM9 嵌入式CPU，应用范围非常广泛。而TQ2440 开发板是天嵌公司基于三星公司的S3C2440 电路优化设计而来，目前已应用于工业控制、仪器仪表、医疗器械、安全监控等行业。主要利用其串口接收数据，然后显示在液晶屏上，若有警情则立刻驱动报警装置。

5 软件设计

主要设计整个系统的底层软件，完成对设备的驱动。对于ARM9 模块，主要对串口驱动进行了编写，然后用QT 设计人机交互界面，将界面的应用函数与底层驱动相调用以实现通信。

对于ZigBee 无线网络的通信，采用星形拓扑结构网络，设立一个网络协调器与多个设备节点，每个设备节点上安装各种需要测量的传感器(主要为温度、振动、烟雾、煤气等)，负责采集数据，通过标识符区别每个传感器，设备节点采集到的信息通过无线网络发送给网络协调器。成功组网后，设备节点进入休眠状态;网络协调器定时发送采集命令，设备节点接收到命令后从休眠状态醒来，开始采集室内环境参数并将信息通过无线网络传给网络协调器，由协调器将数据通过串口发送给监控中心。倘若要扩大监控面积，需在网络中增加路由器节点，网络协调器负责与各部分路由节点通信，可通过管理所有路由节点来实现小区的网络化控制。采用IAR Embedded Workbench 编译软件设计通信程序，首先实现协调器与单个节点的通信，程序流程设计如图3 所示。