基于单片机的智能家居无线报警系统设计

引言

随着电子信息技术和计算机网络技术的发展，实现家居信息化、网络化是当前智能家居系统发展的新趋势。报警系统作为智能家居系统的一个重要组成部分，其性能的好坏直接关系到整个智能家居系统的优劣。把无线网络技术应用到家居报警系统中，通过各种传感器实时采集家居的环境信息，通过无线的方式将信息传输给家居控制中心， 能够弥补有线设备的缺陷， 具有价廉、可靠性高、等优点。笔者根据无线网络技术和智能家居的特点，设计了一种基于无线网络技术的家居无线报警系统。该无线报警系统可以对整个家居的安全环境进行实时监控。监控的范围包括室内防盗、火灾报警、煤气泄露、水管破裂等一系列不安全因素。一旦有上述安全事故的发生，该报警系统就会发出相应的报警信息，可以使户主在得到报警信息后，立即采取有效的应急措施，对事故进行紧急处理。

系统结构

本报警网络采用了星型拓扑结构，由中心节点和无线报警网络节点组成。中心节点是一个与计算机相连的无线通信模块，可以和网络中的任何一个网络节点通信。无线报警网络节点是组成智能家居报警系统的基本单位，是构成智能家居报警系统的基础平台。它由微处理器(AT89C2051)、无线通信模块(nRF2401)、环境监测传感器(门磁开关、红外线传感器、火灾烟感传感器、煤气泄露传感器、玻璃破碎报警器等)和一些外围器件构成，负责家居环境的监测和报警信息的传递。

智能家居报警网络框图如图1所示。

图1 智能家居报警系统

采用这种星型拓扑结构能够很好地扩展组合，容易增加网络节点，满足在家居中网络节点分布的不确定性，可在房间、隔离处放置一个节点，避免无线干扰和报警区域不确定性的问题，由中心节点对多个网络节点所传递的数据进行综合处理，分析是否发出报警信号。在一定程度上降低报警系统的误报，提高无线报警系统的可靠性。在报警系统网络中，网络节点的主要功能是采集数据，并把数据以无线传输的方式传送给网络中心节点，由中心节点对这些数据进行综合分析处理，以此决定是否给予报警。

无线报警网络节点硬件设计

无线报警网络节点主要由微处理器AT89C2051、nRF2401无线通信芯片、外围设备和开关量输入接口的传感器构成。微处理器AT89C2051是整个网络节点硬件系统的核心控制部件，负责接收传感器触发的开关量报警信号，发送nRF2401通信命令，控制信息的传输。Nordic公司的单片射频收发芯片nRF2401是实现无线数据传输的关键器件。nRF2401工作于2.4~2.5GHzISM频段,芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块,输出功率和通信频道可通过程序配置，芯片功耗非常低,以-5dBm的功率发射时,工作电流只有10.5mA,接收时工作电流只有18mA,多种低功率工作模式,节能设计更方便。网络节点采用nRF2401进行数据传输，来实现报警信息的无线传输。网络节点通过连接的传感器感知外部环境异常变化。例如， 安装在门窗位置的红外接近开关可以用来监测盗窃者的非法入侵; 安装在天花板上的烟雾报警器可以监测到室内出现的突发火灾; 安装在地板上的水浸传感器， 可以感知到因水管爆裂、窗户进雨， 屋顶渗漏等因素引起的室内进水事件; 安装在厨房的煤气报警开关可以用来监测有无煤气泄漏。这些安全监测传感器， 均为开关量输入器件， 可以提供全方位的安全监测保障。网络节点的电路原理图如图2所示。

图2 网络节点电路原理图