專利名稱：基于無線傳感器網(wǎng)絡的家用保安、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于基于無線傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)測系統(tǒng)，尤其是家用保安、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)。
背景技術：
微電子技術、傳感器技術和網(wǎng)絡通信技術的飛速發(fā)展和日益成熟，使得制造大量體積小、功耗低，同時具有感知能力、計算能力和通信能力等多種功能于一身的智能微傳感器成為可能。這些新一代智能傳感器節(jié)點(簡稱智能節(jié)點)可以感知周圍的環(huán)境，并對數(shù)據(jù)進行一定的處理，同時可以通過無線通信模塊進行相互通信。無線傳感器網(wǎng)絡就是由大量智能節(jié)點協(xié)同組織起來所構成的網(wǎng)絡。它是由多學科高度交叉的新興熱點研究領域，被認為是21世紀最重要的技術之一。
無線傳感器網(wǎng)絡以數(shù)據(jù)為中心，魯棒性強，網(wǎng)絡具有自動配置、自動識別節(jié)點、自動管理和高度協(xié)作的特點。由于大量節(jié)點信息的存在，所收集的信息更加準確、更加可靠。網(wǎng)絡能夠適應拓撲結(jié)構頻繁變化，部署簡單，成本較低。因而可以被廣泛地應用在軍事、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、抗災搶險等領域。
目前，基于無線傳感器網(wǎng)絡的戶外環(huán)境監(jiān)測項目和專利產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)，美國加州大學伯克利分校Intel實驗室和大西洋學院聯(lián)合在大鴨島(Great Duck Island)上部署了一個多層次的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，用來監(jiān)測島上海燕的生活習性?；跓o線傳感器網(wǎng)絡的ALERT系統(tǒng)，通過傳感器監(jiān)測降雨量、河水水位和土壤水分，實現(xiàn)山洪的爆發(fā)預測和報警。美國DARPA啟動了SensIT(Sensor Information Technology)計劃，將多種類型的傳感器、可重編程的通用處理器和無線通信技術組合起來，建立一個廉價的無處不在的無線傳感器網(wǎng)絡，用于監(jiān)測光學、聲學、震動、磁場、濕度、污染、毒物等信息，用于軍事。在我國，中科院計算技術研究所研發(fā)了井下傳感網(wǎng)絡技術型煤礦無線綜合監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用了無線傳感器網(wǎng)絡特有的自組織、數(shù)據(jù)式多跳路由、低成本等特點。中國專利報道了一個基于無線傳感器網(wǎng)絡的井下定位系統(tǒng)、裝置和方法的專利(專利號200510071144.7)，基于無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)礦井井下環(huán)境監(jiān)測和人員定位。近幾年，家用安防、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)雖然得到了迅速發(fā)展，但是整體而言存在很大的不足。一是在環(huán)境信息的獲取上，當前大多數(shù)系統(tǒng)監(jiān)測的信息較為單一，如有些系統(tǒng)僅僅收集、處理紅外信息，用于人員非法侵入報警或收集單一的超聲波破碎信息進行報警等等，功能單一，不能達到對家居環(huán)境的整體監(jiān)測；二是傳輸方式大多采用有線傳輸，部署安裝較為復雜，移動性和可擴展性差，目前也有基于無線通信的安防報警系統(tǒng)出現(xiàn)，但是所采用的技術較為落后，價格偏高；三是準確性、可靠性有待于提高，一旦部分節(jié)點出現(xiàn)故障，系統(tǒng)易于癱瘓，魯棒性差。將無線傳感器網(wǎng)絡應用于保安、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)中，利用無線傳感器網(wǎng)絡自組織、高可靠和高度協(xié)作的特點，無論是在信息采集的多樣性，獲取信息的準確性、可靠性、實時性，系統(tǒng)的魯棒性、廉價性等方面，與以往的系統(tǒng)相比都會有很大的改進。
無線傳感器網(wǎng)絡是我國“十一五”期間的一項重要研究課題。國內(nèi)目前對無線傳感器網(wǎng)絡的研究才剛剛起步，尚沒有基于無線傳感器網(wǎng)絡的家用保安、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有信息采集多樣性，獲取信息準確性、可靠性、實時性，具有系統(tǒng)魯棒性、廉價性特征的基于無線傳感器網(wǎng)絡的家用保安、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)。本發(fā)明的特征在于，基于無線傳感器網(wǎng)絡的家用保安、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)，其特征在于，含有多種無線網(wǎng)絡傳感器智能節(jié)點、基站、GSM/GPRS調(diào)制解調(diào)器及監(jiān)測主機，其中多種無線傳感器網(wǎng)絡智能節(jié)點包括溫/濕度、煙霧、紅外和可燃氣體四種類型，智能節(jié)點數(shù)量的選取可以進行定制。每個智能節(jié)點由傳感器板、嵌入式無線模塊和電源模塊組成，微控制器內(nèi)有嵌入式采樣程序。智能節(jié)點間以及智能節(jié)點和基站間進行雙向通信，通信協(xié)議支持sMAC、IEEE 802.15.4和ZigBee三種中的任何一種。各智能節(jié)點向基站返回的數(shù)據(jù)包格式含有協(xié)議類型、源地址、目的地址、傳感器類型、數(shù)據(jù)長度和可變長度數(shù)據(jù)負載等字節(jié)，其中，傳感器類型的定義字節(jié)包括所述四種無線傳感器。
基站由微處理器單元、射頻和天線單元組成的通信單元以及串口/USB口轉(zhuǎn)換單元組成，微控制器內(nèi)有嵌入式程序與監(jiān)測主機和智能節(jié)點通信。而該處理器和通信單元間通過SPI接口相連，該通信單元通過無線方式接收來自所述來自各智能節(jié)點的傳感器信息，并經(jīng)過該微處理器單元處理后通過USB接口把所述傳感器數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給智能節(jié)點。
GSM/GPRS調(diào)制解調(diào)器用于所述監(jiān)控主機與用戶的短信交互。
監(jiān)測主機向基站發(fā)送控制指令和采集指令，采集并解析基站返回的各傳感器數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。
其中如上所述的基站采用Polling方式工作，采集指令幀格式包括四個字節(jié)，數(shù)據(jù)包含有以下數(shù)據(jù)項協(xié)議類型、基站地址、傳感器地址和任務。其中，傳感器地址字節(jié)含有01H-FFH范圍的地址，并依據(jù)所述四種傳感器進行了地址劃分。所述任務至少包括返回負載長度為0的數(shù)據(jù)包，表示該傳感器已經(jīng)開始工作。
其中如上所述的智能節(jié)點和基站組成無線傳感器網(wǎng)絡，其拓撲結(jié)構為星型網(wǎng)絡，基站為星型網(wǎng)絡的中心節(jié)點，定義實現(xiàn)了網(wǎng)絡協(xié)議，基站以輪詢模式查詢、接收并處理智能節(jié)點所采樣的傳感器數(shù)據(jù)另外，本發(fā)明公開了一種使用監(jiān)測主機進行監(jiān)測的方法，該方法包括以下步驟步驟(1)先打開USB并轉(zhuǎn)串口，打開GSM/GPRS調(diào)制解調(diào)器串口，初始化該調(diào)制解調(diào)器。
步驟(2)打開布防開關，進入監(jiān)控狀態(tài)。
步驟(3)向基站發(fā)送控制指令。
步驟(4)定期循環(huán)向基站發(fā)送采集指令。
步驟(5)采集并解析基站返回的各傳感器數(shù)據(jù)，與報警閾值進行比較，采用中文短信PDU格式，通過GSM/GPRS調(diào)制解調(diào)器向用戶發(fā)送中文短信，其中，基站發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀格式包括以下數(shù)據(jù)項傳感器類型、設備號、數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)負載。
步驟(6)系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示。
步驟(7)任務結(jié)束，進入(3)循環(huán)執(zhí)行。
在步驟(1)中還可以包括“通過按鍵輸入和修改手機號碼并存儲到FLASH存儲器中”的步驟。
在步驟(5)中還可以包括“統(tǒng)計出錯信息，并存儲至FLASH存儲器中”的步驟。
目前，本發(fā)明作為環(huán)境監(jiān)測單元可以應用于家用保安機器人產(chǎn)品中。ARM 9監(jiān)測主機、基站和GSM/GPRS調(diào)制解調(diào)器安裝于保安機器人本體，智能節(jié)點布設在家庭環(huán)境中，普通型機器人配有一個紅外節(jié)點、兩個溫濕度節(jié)點、一個煤氣節(jié)點和一個煙霧節(jié)點，用于監(jiān)測家庭溫度、濕度、煤氣泄漏、煙霧火災和非法人員侵入。豪華型機器人配有兩個紅外節(jié)點、四個溫濕度節(jié)點、一個煤氣節(jié)點和兩個煙霧節(jié)點，市場前景看好。同時，本發(fā)明更可以作為獨立的系統(tǒng)應用于家庭保安和環(huán)境監(jiān)測。
通過家用保安機器人產(chǎn)品測試和現(xiàn)場實驗，結(jié)果表明本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，無線通信在2.4GHz免特許頻段支持最高250Kb/s傳輸速率，空曠環(huán)境傳輸距離可達100m左右，在50m范圍內(nèi)，可穿透兩座家居水泥墻結(jié)構，發(fā)射功率輸出為0dB，接收靈敏度為-87～-92dBm，無線通信具有全信道自適應動態(tài)切換功能，誤碼率低，抗直接干擾和多徑干擾能力強。溫濕度智能節(jié)點支持濕度監(jiān)測范圍為0-100％RH，精度為-3.5至3.5％RH，溫度支持監(jiān)測范圍為-40攝氏度到120攝氏度，精度為-0.5至0.5。紅外智能節(jié)點選覆蓋范圍為14m*14m、46’*46’，具有抗RFI、EMI、ESD干擾和防雷功能。煙霧智能節(jié)點支持煙霧探測范圍為100ppm-10000ppm，靈敏度≥5。煤氣智能節(jié)點支持甲烷、一氧化碳探測范圍為100ppm-10000ppm，靈敏度≥5。
如上所述，基于無線傳感器網(wǎng)絡的家用保安、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)由多種無線傳感器網(wǎng)絡智能節(jié)點、基站和監(jiān)測主機等組成，充分利用無線傳感器網(wǎng)絡的自組織性、魯棒性等優(yōu)點，通過無線傳感器智能節(jié)點對溫/濕度、煙霧、紅外和煤氣信息進行查詢采集，以及監(jiān)測主機的系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)融合與智能數(shù)據(jù)處理，能夠向用戶提供準確、可靠、實時、綜合的安防報警信息。系統(tǒng)布設方便，價格低廉，移動性強，更適用于家用保安、智能家居環(huán)境監(jiān)測目的?；跓o線傳感器網(wǎng)絡的家用保安、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)改進了當前大多數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測信息較為單一、部署安裝較為復雜、魯棒性差的不足，與以往的系統(tǒng)相比，在信息采集的多樣性，獲取信息的準確性、可靠性、實時性，系統(tǒng)的魯棒性、廉價性等方面，都有很大的改進。


圖1表示本發(fā)明基于無線傳感器網(wǎng)絡的家用保安、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)的框圖。
圖2表示本發(fā)明基于無線傳感器網(wǎng)絡的家用保安、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)的網(wǎng)絡協(xié)議定義。
圖3表示本發(fā)明的運行于ARM 9主機的監(jiān)測軟件總體結(jié)構圖。
圖4表示本發(fā)明的運行于ARM 9主機的系統(tǒng)初始化子程序流程圖。
圖5表示本發(fā)明的運行于ARM 9主機的手機號碼修改子程序流程圖。
圖6表示本發(fā)明的運行于ARM 9主機的監(jiān)控子程序流程圖。
圖7表示本發(fā)明的運行于ARM 9主機的手機短信發(fā)送子程序流程圖。
圖8表示本發(fā)明的溫/濕度傳感器節(jié)點的接口框圖。
圖9表示本發(fā)明的溫/濕度傳感器節(jié)點的軟件框圖。
圖10表示本發(fā)明的通信基站的構成單元連接框圖。
本發(fā)明的基于無線傳感器網(wǎng)絡的家用保安、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)，適用于家用保安、智能家居環(huán)境監(jiān)測目的。由多種無線傳感器網(wǎng)絡智能節(jié)點、基站和監(jiān)測主機等組成。智能節(jié)點檢測室內(nèi)溫度、濕度、火警，以及非法侵入，并通過無線、多跳方式經(jīng)基站將信息傳送至監(jiān)測主機；監(jiān)測主機進行系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)融合和智能信息處理，通過手機短信發(fā)送報警信息。其特征在于，報警系統(tǒng)由監(jiān)測主機、基站、GSM/GPRS調(diào)制解調(diào)器(Modem)與智能節(jié)點組成，其中智能節(jié)點由傳感器板、嵌入式無線模塊和電源模塊組成。系統(tǒng)至少包含一臺監(jiān)測主機、一個基站、一個GSM/GPRS調(diào)制解調(diào)器，以及若干智能節(jié)點。智能節(jié)點傳感器類型包括溫/濕度、煙霧、紅外和煤氣等，數(shù)量和類型的選取可依據(jù)具體應用定制，報警信息以手機短信形式發(fā)送到預先設定的多個手機號碼中，接收報警短信的手機號碼的個數(shù)可以任意設定，并支持通過按鍵或串口對手機號碼進行修改。系統(tǒng)中的智能節(jié)點和基站組成星型拓撲結(jié)構的無線傳感器網(wǎng)絡，同時定義實現(xiàn)了網(wǎng)絡協(xié)議。系統(tǒng)軟件包括ARM 9主機監(jiān)控程序、智能節(jié)點程序和基站程序。軟件中實現(xiàn)了無線信道性能評估優(yōu)化算法、節(jié)能算法，以減少無線信道誤碼率和智能節(jié)點的能量消耗。
還有，本發(fā)明的特征在于，監(jiān)測主機為ARM 9嵌入式主機，運行Linux操作系統(tǒng)和C程序編寫的監(jiān)測應用軟件。ARM 9主機具有布防與撤防開關按鈕，對警戒進行控制。ARM 9主機還具有手機號碼鍵入與修改功能。
還有，本發(fā)明的特征在于，基站通過USB口和ARM 9主機相連，基站包括支持ZigBee協(xié)議的無線通信單元和具有64Kb存儲能力的8位微控制器單元，可以和無線傳感器智能節(jié)點進行雙向通信，并完成數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。
還有，本發(fā)明的特征在于，智能節(jié)點包括溫/濕度、煙霧、紅外和可燃氣體4種類型，具體數(shù)量和類型的選取可依據(jù)應用定制。智能節(jié)點由傳感器板、嵌入式無線模塊和電源模塊組成，可以獲取環(huán)境信息，并進行簡單的智能處理。智能節(jié)點間以及智能節(jié)點和基站間可以進行雙向通信。通信協(xié)議支持sMAC、IEEE 802.15.4和ZigBee Stack三種。
還有，本發(fā)明的特征在于，系統(tǒng)中的智能節(jié)點和基站組成無線傳感器網(wǎng)絡，其拓撲結(jié)構為星型網(wǎng)絡，基站為星型網(wǎng)絡的中心節(jié)點?；疽暂喸兡Ｊ讲樵儭⒔邮詹⑻幚碇悄芄?jié)點所采樣的傳感器數(shù)據(jù)。本發(fā)明同時定義實現(xiàn)了網(wǎng)絡協(xié)議，以完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和維持網(wǎng)絡拓撲。
還有，本發(fā)明的特征在于，包含運行于ARM 9主機的監(jiān)測軟件、基站中的軟件、各類型無線傳感器網(wǎng)絡智能節(jié)點中的軟件以及實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡協(xié)議。軟件中實現(xiàn)了無線信道性能評估優(yōu)化算法、節(jié)能算法，以減少無線信道誤碼率和智能節(jié)點的能量消耗。
具體實施例方式
以下，根據(jù)圖1-圖10說明本發(fā)明實施例的基于無線傳感器網(wǎng)絡的家用保安、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)。
圖1表示本發(fā)明的第一實施例的基于無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)框圖。報警系統(tǒng)由監(jiān)測主機(ARM MainBoard)、基站(Base Station)、GSM/GPR調(diào)制解調(diào)器(Modem)與智能節(jié)點(Intelligent Node)組成，其中智能節(jié)點由傳感器板(Sensor Board)、微控制器單元(MCU)與射頻(RF)通信模塊組成。系統(tǒng)至少包含一臺監(jiān)測主機、一個基站、一個GSM/GPRS Modem，以及若干智能節(jié)點。智能節(jié)點傳感器類型包括溫/濕度、煙霧、紅外和煤氣等，數(shù)量和類型的選取可依據(jù)具體應用定制。
監(jiān)測主機為報警系統(tǒng)的信息處理模塊，通過USB接口與基站通信。主機接收基站轉(zhuǎn)發(fā)的多傳感器信息，并進行監(jiān)控、報警等處理；或發(fā)出指令控制智能節(jié)點休眠與周期采樣；并通過GSM/GPRS Modem模塊與用戶短信交互。用戶手機終端可據(jù)此發(fā)送定制的短信報警信息。本發(fā)明的監(jiān)測主機的具體指標為CPU為Samsung ARM9TDMI結(jié)構芯片，工作頻率66MHz，2MB BIOS NOR Flash，8MB內(nèi)存，主從USB接口和兩個串口；運行Linux操作系統(tǒng)。
基站由8位微處理器單元、通信單元和USB接口單元組成，通過無線方式接收來自智能節(jié)點的傳感信息，并通過USB接口將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)測主機，或?qū)⒈O(jiān)測主機的指令通過基站發(fā)送給智能節(jié)點?；九c主機通過USB接口直接相連。
無線傳感器網(wǎng)絡智能節(jié)點由嵌入式無線模塊、傳感器板和電源模塊組成。嵌入式無線模塊集成了Freescale HCSO8微控制器和MC13193射頻芯片，具有8通道10位A/D模擬量輸入和8路數(shù)字量輸入接口。傳感器板包括各種類型的傳感器和電平轉(zhuǎn)換電路單元。本發(fā)明的無線傳感器家用保安、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)支持溫/濕度、紅外、煙霧和煤氣四種類型的傳感器，負責感應環(huán)境信息，將之轉(zhuǎn)換成電平信號輸出。其中，溫/濕度傳感器選用Sensirion SHT10，濕度支持范圍為0-100％RH，精度為-3.5至3.5％RH，溫度支持范圍為-40攝氏度到120攝氏度，精度為-0.5至0.5。煙霧與煤氣傳感器選用MQ-2，檢測類型為可燃氣體與煙霧，探測范圍為100-10000ppm，靈敏度≥5。紅外探測器選用Electronics Line 3000的EL-55，覆蓋范圍14m*14m，46’*46’，具有抗RFI、EMI、ESD干擾和防雷功能。電源模塊負責智能節(jié)點的能量供應，除溫/濕度智能節(jié)點為7.2V鋰電池供電外，其它的均為適配器直流供電。
GSM/GPRS Modem為支持中文短信收發(fā)的通用GSM/GPRS調(diào)制解調(diào)器，通過串口與監(jiān)測主機相連，支持中國移動和中國聯(lián)通兩大運營商的短信服務。
圖2表示本發(fā)明基于無線傳感器網(wǎng)絡的家用保安、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)的協(xié)議定義。ARM主板采用定時循環(huán)采樣方式，通過基站的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，每隔30秒向煙霧傳感器和溫/濕度傳感器發(fā)出采樣指令。基站采用polling方式工作，采集指令幀格式包括兩個字節(jié)有效數(shù)據(jù)，第一字節(jié)表示設備編號，第二字節(jié)表示采集指令。傳感器設備編號定義如圖2中表1所示?；景l(fā)出的采樣指令數(shù)據(jù)包定義如圖2中表2與表3所示。
系統(tǒng)的內(nèi)部節(jié)拍時鐘統(tǒng)一確定為10ms。因此，30秒的采樣周期相當于3000個節(jié)拍時鐘。節(jié)拍時鐘大于數(shù)據(jù)包的生存時間。
紅外探測器若檢測到任何入侵，將隨時以優(yōu)先權，向基站發(fā)送“請求連續(xù)確認”信號(總數(shù)小于100個節(jié)拍)。此時，其他采樣請求指令周期被相應順延。
對溫/濕度和煙霧傳感器，任務0x01執(zhí)行獲取數(shù)據(jù)返回；任務0x02返回負載長度為0的數(shù)據(jù)包，表示該傳感器已經(jīng)工作。對紅外傳感器，任務0x01開始工作；任務0x02返回負載長度為0的數(shù)據(jù)包，表示該傳感器已經(jīng)工作。
無線傳感器網(wǎng)絡智能節(jié)點向基站返回的數(shù)據(jù)包格式如圖2中表4與表5所示。任何采樣指令在發(fā)出后10個節(jié)拍內(nèi)未收到有效的傳感器數(shù)據(jù)，則再次發(fā)送采樣指令。采樣指令最多可發(fā)送三次。
基站每次收到來自傳感器的數(shù)據(jù)包后，不作任何改變，直接向ARM主板進行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)幀格式如圖2中表6、表7所示。
數(shù)字式溫/濕度傳感器在返回傳感器數(shù)據(jù)后，立即進入深度休眠狀態(tài)，并被定時“提前”1個節(jié)拍喚醒。煙霧傳感器和紅外探測器，不進行任何休眠與喚醒操作。
圖3表示本發(fā)明的運行于ARM 9主機的監(jiān)測軟件總體結(jié)構圖。ARM監(jiān)測主機主要完成無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)處理功能。主要包括以下基本功能(1)向基站發(fā)送控制指令；(2)采集基站傳來的數(shù)據(jù)；(3)解析基站傳來的數(shù)據(jù)；(4)根據(jù)解析結(jié)果，發(fā)送相應的中文短信息給用戶；(5)通過按鍵輸入和修改手機號碼，并存儲到FLASH存儲器中；(6)統(tǒng)計出錯信息存儲到FLASH存儲器中；(7)系統(tǒng)運行狀態(tài)通過LED顯示。
依據(jù)圖3所示，軟件總體結(jié)構包括如下三個子模塊(1)基本系統(tǒng)初始化，包括GSM/GPRS Modem串口，USB轉(zhuǎn)串口，按鍵，LED的初始化；(2)手機電話號碼鍵入與修改循環(huán)，每修改一個手機電話號碼都要存儲到FLASH中；(3)監(jiān)控程序循環(huán)，在每個監(jiān)控循環(huán)完成后，可以查看用戶是否中途解除布防。
圖4表示本發(fā)明的運行于ARM 9主機的系統(tǒng)初始化子程序流程圖。模塊程序開始運行后，首先會從FLASH數(shù)據(jù)區(qū)域中讀取上一次運行結(jié)束后保存下來的一些基本信息，并通過用戶監(jiān)視串口顯示。接著調(diào)用systemInit()函數(shù)進入基本系統(tǒng)初始化。systemInit()返回TRUE表示基本系統(tǒng)初始化成功，程序會顯示該成功信息。若返回FALSE，表示出現(xiàn)了嚴重錯誤(比如USB基站沒有插入)，系統(tǒng)不能滿足要求，程序顯示失敗信息，并直接退出運行。
圖5表示本發(fā)明的運行于ARM 9主機的手機號碼修改子程序流程圖。本發(fā)明的監(jiān)控主機可以預設3個手機號碼，作為報警中文短信發(fā)送的對象，并且支持用戶依據(jù)ARM 9主機上的兩個按鍵進行修改。利用這兩個按鍵，系統(tǒng)具有如下三個功能(1)這兩個鍵作為上電后用戶進入手機號碼修改程序還是進入監(jiān)控程序選擇鍵。如果用戶上電后按了右鍵，就直接進入監(jiān)控程序；否則如果按了左鍵，就進入手機號碼修改程序；修改完一個手機號碼后仍然回到選擇判斷環(huán)節(jié)。
(2)如果用戶選擇進入按鍵修改手機號碼每次進入號碼修改程序都要先選擇修改那一個手機號碼，然后才修改備選中的號碼。左鍵為數(shù)字鍵；右鍵為指令鍵。數(shù)字1-9與左鍵按下的次數(shù)相同，數(shù)字0由右鍵表示；每按一個數(shù)字，按右鍵確認，直到輸夠11個號碼為止。
(3)一旦用戶進了監(jiān)控程序，還可以利用按鍵由用戶選擇中途退出監(jiān)控狀態(tài)，以及恢復進入監(jiān)控狀態(tài)。如果用戶在監(jiān)控狀態(tài)下按了左鍵表示希望在這次監(jiān)控循環(huán)后解除布控，就將全局變量userCancelledMonitorMode設為TRUE，下一個監(jiān)控循環(huán)之前就會檢查這個變量，從而達到中途解除布控的目的。在解除布控的情況下，如果用戶按了右鍵，就會將這個全局變量設為FALSE，并將全局變量userReEnteredMonitorMode設為TRUE，從而重新進入監(jiān)控循環(huán)。
圖6表示本發(fā)明的運行于ARM 9主機的監(jiān)控子程序流程圖。監(jiān)控主機通過對無線傳感器網(wǎng)絡智能節(jié)點的采樣、數(shù)據(jù)包的解析和運算處理，實現(xiàn)對緊急情況的報警。
圖7表示本發(fā)明的運行于ARM 9主機的手機短信發(fā)送子程序流程圖。本發(fā)明的監(jiān)控主機和GSM/GPRS Modem相連，支持中、英文報警信息的發(fā)送。中文短信的發(fā)送，需要使用PDU格式。用PDU模式收發(fā)短消息可以使用三種編碼，即7-bit編碼、8-bit編碼和UCS2編碼。7-bit編碼用于發(fā)送普通的ASCII字符；8-bit編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息，如圖片或鈴聲等；UCS2編碼用于發(fā)送Unicode字符。本發(fā)明在實現(xiàn)中文短消息的發(fā)送中，選擇使用UCS2編碼，即中文Unicode碼，對發(fā)送的報警短信進行定制。
本發(fā)明的運行在無線傳感器網(wǎng)絡智能節(jié)點中的軟件，基于Simple MAC協(xié)議實現(xiàn)。SimpleMAC是一個輕量級的介質(zhì)訪問控制協(xié)議，支持點到點和星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構。Simple MAC協(xié)議采用周期性偵聽/睡眠的低占空比工作方式，控制無線傳感器網(wǎng)絡智能節(jié)點來降低能量的消耗，同時支持信號發(fā)射能量的調(diào)節(jié)、能量探測、鏈路質(zhì)量指示以及空閑信道評估，以做到低功耗的需求，通過流量自適應的偵聽機制，減少消息在網(wǎng)絡中的傳輸延遲，具有信道復用功能。Simple MAC由于簡單，對硬件的處理和存儲能力要求較低，能運行在當前主流的8位單片機上，該協(xié)議具有冗余循環(huán)校驗功能，具有一定的數(shù)據(jù)幀校驗和完整性檢查機制，物理層的采用DSSS(直接序列擴頻)技術，具有較強抗定頻干擾、抗衰落、抗多徑干擾能力。因選用的溫/濕度、紅外、煙霧和煤氣四種類型的傳感器不同，在與MCU的接口方式，以及算法上均有所不同。
溫/濕度傳感器選用Sensirion SHT10，該傳感器是一款高度集成的溫/濕度傳感器芯片，提供全標定的數(shù)字輸出。傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉(zhuǎn)換器，以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。該產(chǎn)品具有兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，具有微小的體積和極低的功耗。
圖8表示本發(fā)明的溫/濕度傳感器節(jié)點的接口框圖。SHT10溫/濕度傳感器，通過兩線數(shù)字接口與MCU的數(shù)字IO接口相連，SCK為用于微處理器與SHTxx之間的通訊同步。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小SCK頻率。DATA為串行數(shù)據(jù)接口，接口用于溫/濕度數(shù)據(jù)的讀取。DATA在SCK時鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時鐘高電平時，DATA必須保持穩(wěn)定。GNU和VDD為接地、電源接口，支持2.4～5.5V供電。溫/濕度傳感器支持寄存器控制的程序設計，通過對不同方向寄存器和數(shù)字寄存器的打開、關閉，來實現(xiàn)對溫/濕度傳感器的數(shù)值，其中用一組“啟動傳輸”時序，來表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?。它包括當SCK時鐘高電平時DATA翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著SCK變?yōu)榈碗娖?，隨后是在SCK時鐘高電平時DATA翻轉(zhuǎn)為高電平。發(fā)布一組測量命令(‘00000101’表示相對濕度RH，‘00000011’表示溫度T)后，控制器要等待測量結(jié)束。數(shù)字信號的整個傳輸過程由8bit校驗來確保。SHT10的某些高級功能可以通過狀態(tài)寄存器實現(xiàn)。
圖9表示本發(fā)明的溫/濕度傳感器節(jié)點的軟件框圖。程序一方面要對硬件物理層進行初始化控制，同時要對數(shù)據(jù)鏈路層的幀結(jié)構進行封裝與解析。要完成自組織的網(wǎng)絡，還要實現(xiàn)一定的網(wǎng)絡協(xié)議，最上層為接收的遠程指令數(shù)據(jù)和要處理的傳感器感應數(shù)據(jù)，工作在應用層。其操作流程如下(1)MCU初始化；(2)射頻模塊初始化；(3)網(wǎng)絡協(xié)議初始化；(4)設置時鐘頻率；(5)調(diào)整默認發(fā)射功率；(6)切換MCU時鐘到射頻時鐘；(7)對無線信道進行評估；(8)使能中斷；(9)進入低功耗模式；(10)開始偵聽網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)；(11)判斷是否是基站在請求數(shù)據(jù)并執(zhí)行獲取溫/濕度值指令；(12)判斷是否是基站在點名，獲取節(jié)點狀態(tài)并執(zhí)行指令；(13)發(fā)送數(shù)據(jù)包；(13)清空緩存和發(fā)送數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)；(14)進入睡眠狀態(tài)；(15)進入(10)繼續(xù)偵聽無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)；其中，步驟(3)，包括設定網(wǎng)絡協(xié)議的類型、節(jié)點ID、基站類型、傳感器類型、收發(fā)數(shù)據(jù)包的長度等。步驟(7)包括對16個信道狀態(tài)依次進行評估，找出空閑或高質(zhì)量的信道，以便進行高效的數(shù)據(jù)傳輸。
無線傳感器紅外節(jié)點，通過開關量信號與MCU通信。當紅外探頭感應到有人存在，就會輸出高電平，監(jiān)測范圍內(nèi)無人的情況下，輸出低電平。輸出管腳與MCU的數(shù)字IO相連，通過讀取IO管腳的寄存器值，來捕獲紅外信號。智能紅外節(jié)點中的程序，在系統(tǒng)初始化、信道評估和網(wǎng)絡協(xié)議的定義上和溫/濕度節(jié)點相同，不同的是MCU處理的是開關量信號。
煙霧和煤氣傳感器節(jié)點輸出模擬量信號。對于不同濃度的煙霧、甲烷和一氧化碳氣體，輸出不同的電壓值。輸出管腳與MCU的ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換)接口相連。智能煙霧和煤氣傳感器節(jié)點中的程序，在系統(tǒng)初始化、信道評估和網(wǎng)絡協(xié)議的定義上和溫/濕度節(jié)點相同，不同的是在獲取傳感器數(shù)據(jù)值時，通過一定的采樣頻率和模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到具體的數(shù)值，進而計算出煙霧、甲烷和一氧化碳氣體的濃度值。
圖10表示本發(fā)明的通信基站的構成單元連接框圖。無線傳感器網(wǎng)絡通信基站主要由8位微控制器單元、射頻單元、串口/USB口轉(zhuǎn)換單元組成。另外還包括天線單元和BDM接口單元。其中，8微處理器采用Freescale公司的MC9S08GT60芯片，射頻單元的核心芯片為Freescale的MC13193芯片，串口/USB口轉(zhuǎn)換單元核心芯片型號為PL2303。該發(fā)明通過USB接口與監(jiān)控主機相連。其中8位微控制器單元和射頻單元由SPI接口(Serial Peripheral Interface)連接。SPI接口是近年來新發(fā)展的一種高速同步串行通訊接口。通訊分為主控方(Master)和從方(Slave)。整個通訊由主方控制，包括SPISTE-SPI Strob、SPICLK-Clock、SIMO(Slave Input/Master Out)、SOMI(SlaveOutput/Master In)等通信信號。8位微控制器單元和串口/USB口轉(zhuǎn)換單元，通過RXD(Received data)、TXD(Transmit Data)接口相連。BDM接口單元連接到8位微控制器芯片的BDM管腳。BDM接口與Multilink設備相連，結(jié)合配套開發(fā)軟件，可以實現(xiàn)對微控制器單元應用程序的擦寫。收發(fā)天線單元直接與射頻單元相連如上所述，基于無線傳感器網(wǎng)絡的家用保安、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)由多種無線傳感器網(wǎng)絡智能傳感器節(jié)點、基站和監(jiān)測主機等組成，充分利用無線傳感器網(wǎng)絡的優(yōu)點，通過無線傳感器智能節(jié)點對溫/濕度、煙霧、紅外和煤氣信息進行查詢采集，以及監(jiān)測主機的系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)融合與智能數(shù)據(jù)處理，能夠向用戶提供準確、可靠、實時、綜合的安防報警信息。系統(tǒng)布設方便，價格低廉，移動性強，改進了當前大多數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測信息較為單一、部署安裝較為復雜、魯棒性差的不足，在信息采集的多樣性，獲取信息的準確性、可靠性、實時性等方面，都有很大的改進，更適用于家用保安、智能家居環(huán)境檢測目的。
權利要求
1.基于無線傳感器網(wǎng)絡的家用保安、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)，其特征在于，含有多種無線網(wǎng)絡傳感器智能節(jié)點、基站、GSM/GPRS調(diào)制解調(diào)器及檢測主機，其中多種無線傳感器網(wǎng)絡智能節(jié)點包括溫/濕度、煙霧、紅外和可燃氣體四種類型，智能節(jié)點數(shù)量的選取可以進行定制。每個智能節(jié)點由傳感器板、嵌入式無線模塊和電源模塊組成，微控制器內(nèi)有嵌入式采樣程序。智能節(jié)點間以及智能節(jié)點和基站間進行雙向通信，通信協(xié)議支持sMAC、IEEE 802.15.4和ZigBee三種中的任何一種。各智能節(jié)點向基站返回的數(shù)據(jù)包格式含有協(xié)議類型、源地址、目的地址、傳感器類型、數(shù)據(jù)長度和可變長度數(shù)據(jù)負載等字節(jié)，其中，傳感器類型的定義字節(jié)包括所述四種無線傳感器?；居晌⑻幚砥鲉卧?、射頻和天線單元組成的通信單元以及串口/USB口轉(zhuǎn)換單元組成，微控制器內(nèi)有嵌入式程序與監(jiān)測主機和智能節(jié)點通信。而該處理器和通信單元間通過SPI接口相連，該通信單元通過無線方式接收來自所述來自各智能節(jié)點的傳感器信息，并經(jīng)過該微處理器單元處理后通過USB接口把所述傳感器數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給智能節(jié)點。GSM/GPRS調(diào)制解調(diào)器用于所述監(jiān)控主機與用戶的短信交互。監(jiān)測主機向基站發(fā)送控制指令和采集指令，采集并解析基站返回的各傳感器數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。
2.如權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡的家用保安、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)，其中基站采用Polling方式工作，采集指令幀格式包括四個字節(jié)，數(shù)據(jù)包含有以下數(shù)據(jù)項協(xié)議類型、基站地址、傳感器地址和任務。其中，傳感器地址字節(jié)含有01H-FFH范圍的地址，并依據(jù)所述四種傳感器進行了地址劃分。所述任務至少包括返回負載長度為0的數(shù)據(jù)包，表示該傳感器已經(jīng)開始工作。
3.如權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡的家用保安、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)，其中智能節(jié)點和基站組成無線傳感器網(wǎng)絡，其拓撲結(jié)構為星型網(wǎng)絡，基站為星型網(wǎng)絡的中心節(jié)點，定義實現(xiàn)了網(wǎng)絡協(xié)議，基站以輪詢模式查詢、接收并處理智能節(jié)點所采樣的傳感器數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡的家用保安、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)，其特征在于，所述的紅外傳感器發(fā)給基站的數(shù)據(jù)中還含有緊急數(shù)據(jù)項，并具有通信優(yōu)先權。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡的家用保安、環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)，其特征在于，所述的四種傳感器智能節(jié)點程序和基站程序中，實現(xiàn)了無線信道性能評估優(yōu)化算法、節(jié)能算法，以減少無線信道誤碼率和智能節(jié)點的能量消耗。
6.一種使用監(jiān)測主機進行監(jiān)測的方法，該方法包括以下步驟步驟(1)先打開USB并轉(zhuǎn)串口，打開GSM/GPRS調(diào)制解調(diào)器串口，初始化該調(diào)制解調(diào)器。步驟(2)打開布防開關，進入監(jiān)控狀態(tài)。步驟(3)向基站發(fā)送控制指令。步驟(4)定期循環(huán)向基站發(fā)送采集指令。步驟(5)采集并解析基站返回的各傳感器數(shù)據(jù)，與報警閾值進行比較，采用中文短信PDU格式，通過GSM/GPRS調(diào)制解調(diào)器向用戶發(fā)送中文短信，其中，基站發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀格式包括以下數(shù)據(jù)項傳感器類型、設備號、數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)負載。步驟(6)系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示。步驟(7)任務結(jié)束，進入(3)循環(huán)執(zhí)行。
7.根據(jù)權利要求6所述的使用監(jiān)測主機進行監(jiān)測的方法，其特征在于，在步驟(1)中還包括“通過按鍵輸入和修改手機號碼并存儲到FLASH存儲器中”的步驟。
8.根據(jù)權利要求6所述的使用監(jiān)測主機進行監(jiān)測的方法，其特征在于，在步驟(5)中還包括“統(tǒng)計出錯信息，并存儲至FLASH存儲器中”的步驟。
全文摘要
本發(fā)明屬于家用保安、環(huán)境監(jiān)測無線報警系統(tǒng)領域，其特征是，至少包含一臺監(jiān)測主機、一個基站、一個GSM/GPRS調(diào)制解調(diào)器，以及若干智能節(jié)點。該智能節(jié)點用于檢測室內(nèi)溫度、濕度、火警，煤氣泄漏、以及非法侵入。該智能節(jié)點由傳感器板、微控制器單元、射頻通信模塊和電源模塊組成，該基站和智能節(jié)點按sMAC、IEEE 802.15.4和ZigBee三種協(xié)議中的任一種進行通信，并由基站把智能節(jié)點的采樣數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測主機。該監(jiān)測主機設有監(jiān)測應用軟件，具有布防和撤防開關按鈕，對基站進行控制，還具有手機號碼鍵入和修改功能以及通過手機短信向用戶報警的功能。
文檔編號H04L12/16GK1949814SQ20061011462
公開日2007年4月18日 申請日期2006年11月20日 優(yōu)先權日2006年11月20日
發(fā)明者鄧志東, 裴忠民 申請人:清華大學