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基于传感网技术的家庭安防系统
摘要
如今的社会经济发展迅速，人们的生活节奏不停加快，追求越来越好的生活品质成为人们关注的首要问题之一。
为了达到人们对家庭生活安全性，便捷性以及舒适性的邀请，各种各样的智能家庭安防产品流入人们的家庭。
而传感网技术的提出，也使得智能家庭安防系统被人们所理解与接收，智能家庭安防系统也进入了传感网时代。
本文所研究的家庭安防系统就是基于传感网技术。
本文主要通过STM32F103C8T6嵌入式微控制器对各种传感器收集来的信号通过数据的处理,将处理好的数据由GSM系统发送到客户的手机终端上。
另外此系统中还使用了无线射频技术，无线射频技术的使用使得系统的阅读速度更快，并且不受坏境的影响，使用寿命长，具有防冲突功能；另外整个系统还运用了语音识别技术，WT588D20SS语音芯片是WT588D系列单片机，其是集语音电路以及单片机于一体的可编程语音芯片，其音质好功能多范围广的特点是广大设计者所应用的重要原因。
采用稳压器，滤波电路，语音功率放大器大大提高了系统的稳定性，实时性，可靠性。
关键词：
传感网技术；智能家庭安防系统；STM32F103C8T6；GSM；无线射频
Abstract
Today'srapidsociol-economicdevelopment,peoplestoptoacceleratethepaceoflife,thepursuitofmoreandbetterqualityoflifetobecomeoneofthetopissuesofconcern.Inordertosatisfypeople'sdesireforfamilylife,safety,convenienceandcomfortofthegrowingnumberofsmarthomesecurityproductsintopeople'shomes.Theproposedsensornetworktechnology,butalsomakestheintelligenthomesecuritysystemsareunderstoodandreception,intelligenthomesecuritysystemsintothesensornetworkera.Studiedinthispaperisbasedonhomesecuritysystemssensornetworktechnology.ThroughSTM32F103C8T6embeddedmicro-controllerforsensorsignalacquisitionfordataprocessing,theprocesseddataissenttothecustomer'smobilephoneterminalviaGSMsystem.Additionallythissystemalsousesradiofrequencytechnology,theuseofradiofrequencytechnologyenablesthesystemtoreadfaster,andisnotaffectedbyabadenvironment,longlife,withanti-collisionfunction;addition,thissystemalsousesavoicerecognitiontechnology,WT588D20SSvoicechipisWT588Dseriesmicro-controller,issetinonevoicecircuitandmicro-controllerprogrammablevoicechip,thesoundqualityisgoodwiderangeofmultifunctionalcharacteristicsareimportantreasonsforthemajorityofdesignersapplications.Adoptregulator,filtercircuit,voiceamplifiergreatlyimprovedsystemstability,timeliness,andreliability.
Keywords:
sensornetworktechnology;intelligenthomesecuritysystem;STM32F103C8T6;GSM;radiofrequency
第一章绪论
1.1课题研究的意义与背景
随着科学技术的进步，高科技的智能家庭安防系统设备已经渐渐步入了我们的生活，如今的人们追求的生活质量要求也越来越高。
如今的社会，虽然人们通过高科技使得自己的生活质量一步又一步的提高，但因此也带来了不可忽视的安全问题。
例如家里的各种电器可能引发火灾；厨房的煤气可能引发中毒与爆炸；各种电线可能引发触电，而且如今的社会盗窃事件频繁发生，这严重影响了人们的生命财产安全。
家居里的人们需要的是一个安定、安宁、方便的生活空间，所以智能的家庭安防系统的研究与开发显得更具有与众不同的意义。
到目前为止，人们对对于家庭安防系统并没有一个明确的定义。
为了更好的展开此文，在这里先对家庭安防系统做一个概述。
家庭安防系统也可以称为智能家居，家庭安防系统就是以人们日常生活的居住所为平台，以传感器技术、自动化技术、网络通信技术、声频音频技术及安防防范技术的智能化系统，实现居所内部以及居所与住户之间的实时通信。
在产品的鉴定方面一般包括了家庭的照明控制系统、中央处理系统以及智能化的家庭安防系统，其中最为重要的系统就是智能化的家庭安防系统。
基于传感网技术的家庭安防系统具有智能化、安全、舒服、方便、环保的特征，所以对于满足人们各方面的生活需求、改善人们的生活质量，创建一个方便、安全、舒适、环保的生活空间具有深远的意义。
无线通讯技术、嵌入式控制技术、传感器技术的快速发展，促进了无线传感器网络（WSN）的产生。
无线传感网凭借其价格低、功率低、稳定性好和分布式广的优点，通过在家庭居室广泛的布置传感器节点使其可以高效而稳定地感知周围的环境参数，并且可以使用网络技术来改变这些参数，该技术是信息感知领域的一场重大变革，被誉为是改变未来世界的十大技术之一。
无线传感网技术的出现给家庭安防系统提供了一个很好的技术支持，让人们可以更好地生活在安全、舒适、环保的空间里。
基于传感网技术的家庭安防系统产品具有巨大的市场潜力。
1.2家庭安防的国内外发展现状
家庭安防最早在美国使用，美国在十九世纪末期开创了世界上最先进的楼宇自动化。
随后家庭安防系统在世界各地出现，其中的代表国家有德国、日本、中国。
二零零一年九月十一号，美国遭受了空前的恐怖袭击，全世界对安防更是加强建设，安防的建设也促进了家庭安防系统的发展，从而也带动了很多从事安防企业的发展，比如说美国的Honeywell公司。
虽然家庭安防最早出现在美国，但是在韩国显得尤为普及，这应该与韩国的政策以及韩国的电子行业的发展密不可分。
由于家庭安防能够很好的限制犯罪事件，能够促进社会的稳定，所以韩国加大对这些行业的扶持力度，这也促进了三星等一些知名品牌的崛起。
在中国，城市大多建造的是商品房，所以家庭安防产品大多以居所为主。
这与国外形成鲜明的对比，国外大多是别墅或者是那些独立的院子，所以国外的更加关注信息网络的通讯应用。
虽然与国外相比，我国的家庭安防起步相对比较晚，很多产品都是引进该行业的领头羊，但在我国开展了平安城市、奥运会等大型活动后，这促进了我国安防的发展，我国的家庭安防进入了前所未有的发展期。
在我国，家庭安防还是主要面对的是一些普通居民，这是我国发展的主流方向，其中设计的主流产品应该是火灾报警系统、防盗系统等方面。
现在国内发展比较好的当属厦门青年网络，其推出了小门瞳安防实现了家庭安防的一系列功能。
就从当前来看，我国的家庭安防发展还处于上升期，其市场远远没有打开，还需要进一步的研究、探索、创新，相信不久的将来家家户户都可以用上家庭安防系统。
1.3无线传感网的介绍
传感网技术的家庭安防系统采取了无线组网的办法，其优点是降低了成本、减少布线、系统灵活性强。
无线传感网（WSN）是这几年才刚刚发展起来的新技术。
网络的组成一般有探测节点、路由节点、汇聚节点、家庭网关。
节点之间按一定的拓扑结构组网，实现信息的采集处理和无线传递。
探测节点的任务就是运用传感器采集有关信息，通过处理之后将数据采用无线的方式传到下一个节点，然后都传送给汇聚节点。
汇聚节点的任务就是收集探测节点的信息，然后对某些探测节点进行调度，传送一些特殊的指令给探测节点。
汇聚节点将这些数据处理之后发送给用户。
无线传感网的三要素：
探测节点、汇聚节点、观察人员。
它的基本结构图示意如图1-1所示。
图1-1无线传感网的结构示意图
无线传感网的应用非常广泛，可以用于农业、渔业、国防、军事、医疗等各行各业。
但是由于其还是一个新新行业，还有许多需要我们去研究与探索，所以现在还算是初始阶段。
为了使该技术能够更好地运用的人们的日常生活中，我们的科学家还需要更多研究与探索。
该技术横跨了多个领域，具有广泛的前景，已成为当前研究的热点。
1.4论文的主要研究内容及章节安排
由于当今社会对家庭安防系统的急切需求，而且现在市场上的家庭安防产品报错率高、功耗大以及不符合人们的生活习性，本文设计了一种基于传感网技术的家庭安防系统。
该系统包括现在家庭安防系统所具备的各项基本功能，具体如图1-2所示。
执行机构
图1-2家庭安防的基本功能图
在硬件方面，系统采用了2层式结构;底层是探测节点。
探测节点根据不同的探测量会带有各种传感器，比如红外热释传感器对应的的就是红外感应节点。
顶层是基站节点，基站节点做的就是收集探测节点采集的数据，然后进行一定的分析与处理之后，发送到GSM模块。
GSM模块的作用就是将家庭安防网络和人们的手机联系起来，人们可以通过手机去了解家里的情况，比如家里着火，光电式烟雾报警器就会报警，如果有人偷偷进入室内，语音报警系统就会报警。
本文的结构安排如图1-3所示。
第一章绪论
第2章系统的组成
第3章系统的软件设计
第4章界面的设计
第5章总结和展望
图1-3论文章节安排框图
第一章为绪论，主要介绍了课题研究的背景和意义、家庭安防的国内外发展状况、无线传感网的介绍、论文主要研究内容和章节介绍。
第2章为系统的组成，主要介绍了系统的主体结构、系统的功能、各模块传感器选型、GSM模块。
第3章为系统的软件设计，主要介绍了射频模块的驱动程序、无线通信协议设计。
第4章、第五章分别介绍了界面的设计、总结和展望。
第2章系统的组成
2.1系统的总体结构
科技不断进步、社会不断发展，人们的生活质量不断提高，家庭安防系统也随之进入人们的视线。
本文设计的是一种基于传感网技术的家庭安防系统，它充分发挥了传感网技术稳定性高、成本低、安全性高、环保、功耗低的技术特点，组建了一种无需布线的家庭安防系统。
此系统采用了可靠性高、扩展性强的树形拓扑结构。
系统还使用了GSM网络对家庭安防网络进行扩展，只要是网络所覆盖的地方，都可以通过数据传送到用户的手机上。
家庭安防系统的整体框架图如图2-1所示。
图2-1家庭安防系统的整体框架图
对于一个家庭安防系统来说，它的主要作用就是对一些突发的事故进行处理和报警，让用户可以及时的进行处理和解决。
针对此问题，本文设计的家庭安防系统主要组成部分包括探测节点、汇聚节点、用户终端。
由图2-1我们可以看出，处于网络最底端的是探测节点。
探测节点将感应到的某些信号传送给汇聚节点，汇聚节点将数据进行处理，然后传送给用户，用户可以对这些突发的事件及时的进行解决和处理。
2.2系统的功能
本系统主要实现了目前市场上比较主流的家庭安防系统所具有的一些基本功能，其包括：
无线门磁系统、无线智能防盗系统、火灾报警系统、语音识别系统以及远程监控系统等。
（1）无线门磁系统
该系统使用的是宏泰HT-G01无线门磁。
HT-G01无线门磁由无线发射器和磁块两个部分组成。
其工作原理是：
门磁就是接近开关的一种。
可以是光电的，也可以是永磁的，光电的成本高。
永磁的原理就好像继电器的原理一样，当门磁相对应时，因永磁体相互吸引报警器的开关处于断开位置，当门磁分开时，报警器的开关因无磁体吸引受内部弹簧的拉力影响，使开关闭合，报警器工作，产生报警。
门磁的安装方法一般将无线发射器和磁块分别安装在门框和门上（通常在门的上沿及上框），但要注意无线发射器和磁块相互对准、相互平行，间距不大于15毫米。
其主要功能包括①用于探测门、窗等被非法，无线传输报警信号；②智能化程度高，稳定可靠，抗干扰能力强；③体积小巧，安装简单，可与多款主机配合使用。
（2）无线智能防盗系统
该系统使用的是宏泰HT-8080-6红外无线被动入侵探测器。
无线被动红外入侵探测器，由专用红外传感信号处理芯片、双元热释电传感器、菲涅尔透镜、数字编码发射电路等先进的一体化设计技术，稳定可靠，抗干扰能力强。
用于室内探测入侵者的人体红外热幅射，并将入侵信号通过无线传输的方式发射给报警主机报警。
如果有人入室盗窃，系统会及时将信息发送给用户。
（3）火灾报警系统
该系统使用的是深博视S200P光电式烟雾报警器。
光电烟雾报警器内有一个光学迷宫，安装有红外对管，无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光，当烟尘进入光学迷宫时，通过折射、反射，接收管接收到红外光，智能报警电路判断是否超过阈值，如果超过发出警报。
（4）语音识别系统
该系统主要使用了WT588D-20SS语音芯片。
WT588D语音芯片是一款功能强大的可重复擦除烧写的语音单片机芯片。
WT588D让语音芯片不再为控制方式而寻找合适的外围单片机电路，高度集成的单片机技术足于取代复杂的外围控制电路。
配套WT588DVoiceChip上位机操作软件可随意更换WT588D语音单片机芯片的任何一种控制模式，把信息下载到SPI-Flash上即可。
软件操作方式简洁易懂，撮合了语音组合技术，大大减少了语音编辑的时间。
完全支持在线下载，即便是WT588D通电的情况下，一样可以通过下载器给关联的SPI-Flash下载信息，给WT588D单片机语音芯片电路复位一下，就能更新到刚下载进来的控制模式。
（5）远程监控系统
在整个家庭安防系统中，所以探测点探测到的信号都会经过处理显示在PC机的人机界面上，用户可以通过互联网随时随地查询这些数据。
如果是出现某些报警，如火灾报警等，系统会通过GSM模块以短信息的方式发送给用户，以便让用户及时解决和处理。
2.3硬件结构设计
整个硬件系统的设计主要是针对传感网的传感器节点设计，其中包括了无线门磁节点、无线智能防盗节点、火灾报警节点、语音识别节点、GSM节点。
系统的硬件结构图如图2-2所示。
图2-2系统的硬件结构图
各传感器节点的主体是差不多的，基本上都包含传感器模块、存储模块、电源模块、数据处理模块、模数转换模块、无线射频模块等，想要实现你所需要的功能，只要连接上相应的传感器即可，如图2-3所示。
图2-3传感器节点的结构图
2.3.1数据处理模块
处理器模块是一个系统的灵魂与大脑，选择一个合适、高质量的对于整个网络显得尤为重要。
在本设计中，处理器模块主要有STM32F103C8T6和其相应的外围电路组成。
STM32F103C8T6处理器属于32位嵌入式微处理器，传输速度72MHz，程序存储容量为64KB，是一个数据处理能力强的小系统。
图2-4是其电路图。
图2-4数据处理模块电路图
2.3.2语音识别、存储器模块
这里把语音识别和存储器模块放在一起来介绍，语音识别想必大家对此都比较熟悉了，很多电脑、手机都把语音识别技术当做卖点，可见语音识别技术的重要性。
我们这里使用的是WT588D-20SS芯片。
而存储器模块就是存储数据的一个模块，它用来防止单片机存储的数据丢失。
我们这里使用的是华邦的25Q80存储器。
其电路图如图2-5所示。
图2-5语音识别、存储器模块电路图
2.3.3无线射频模块
无线射频模块在现实生活中运用相当的广泛，比如说家庭防盗、汽车防盗、遥控器等。
本设计使用的是PT2272模块，PT2272将编码器、发射单元、载波振荡器集于一声的模块，其优点是功耗低、稳定性强、可靠性高。
其电路图如图2-6所示。
图2-6无线射频模块电路
2.3.4电源模块
电源模块我们选用的是SPX1117和MIC29302芯片作为稳压芯片，SPX1117是一个低功耗、高效率、可调节的稳压器；MIC29302的使用可以防止输入极颠倒、过电流造成电路的故障。
图2-7是电源模块的电路图。
图2-7电源模块电路图
2.4GSM模块
GSM模块现实生活中随处可见，比如平时用的手机中就运用了改模块，它是以GSM网络进行数据的传递的。
我国目前的GSM网络覆盖非常广泛，几乎全国各地都可以覆盖到。
然而现在市场上出现的该产品也相对较多，本文选用了较为典型的MG323模块。
该模块是由华为设计研发的四频段GPRS模块，它具有发射功率低、接收灵敏度高、适应坏境能力强的特点。
在GSM模块中，处理器是大脑，它对于整个系统进行信号的处理。
考虑到MG323模块是一个单独的模块，还需要对其进行一些外围模块进行设计。
比如说电源模块，考虑到MG323对电源的要求比较高，我们采用了稳压器，并使用滤波电路对其滤波，以保证转换后的电压能够符合要求。
为了便于调试，我们使用了启动复位电路、指示灯，当出现问题指示灯亮，这样便于直观的发现问题，并可以通过复位来保证不会带来更加严重的后果。
图2-8是GSM模块的电路图。
图2-8GSM模块电路图
2.5小结
本章对系统的结构以及其工作原理进行了总体的介绍。
包括对各个硬件部分分别进行了详细的介绍，如处理器模块、语音识别模块、存储模块、无线射频模块、电源模块、GSM模块等等。
第三章系统的软件设计
在上一章我们介绍了系统的硬件，本章我们将介绍系统的软件。
对于一个系统来说软件与硬件的重要性是同等的，二者相辅相成，如果缺少任何一个部分系统都是没有任何意义的。
为了能够使系统的软件与硬件达到完美的配合，本章对所用的软件程序进行了详细的介绍，主要包括探测节点和汇聚节点的驱动程序和一些通讯程序进行相应的设计。
节点程序的main（）函数如下所示：
Voidmain（void）
{
Watchdog_OFF（）;//关闭看门狗
SetLed（）;//设置节点工作指示灯
Init_BCSCTL1（）;//初始化BCSCTL1寄存器
InitAD1430（）;//初始化AD转换
ClearRxBuf（）;//清空接收缓存寄存器
ClearTxBuf（）;//清空发送缓存寄存器
PT2272Init（）;//初始化PT2272
Init_TimerA（）;//初始化定时器A
Init_SerialPort（）;//初始化串口
_EINT（）;//开全局中断
While
（1）;//等待中断
}
在所有的程序编写中，无线射频模块的程序是最难、最复杂的，如果无线射频程序做得好，整个系统也会显得稳定而流畅。
下面就针对这部分进行详细的介绍。
3.1无线射频模块模块节点的驱动程序
为了让设备与设备之间能够正常接通，就需要进行驱动程序的设计，它是各个硬件之间的接口程序，不一样的设备之间就需要使用驱动程序进行通信。
本文针对各芯片的引脚以及各芯片之间的连接通信，对无线射频模块的节点进行驱动程序的设计，其相关的引脚说明如下表3-1所示。
表3-1无线射频模块的引脚说明
引脚
名称
功能介绍
1-8,10-13
A0-A11
地址引脚，用来对地址进行编码，可以是0,1，悬空
7-8,10-13
D0-D5
数据或地址引脚，如果用作数据引脚，而地址码与编码器不一致，输出为低电平，否则为高电平
18
VCC
电源的正极
9
VSS
电源的负极
14
DIN
信号的输入端，是接收模块的输出端
16
OSC1
振荡电阻的输入端，和OSC2连接的电阻决定着振荡频率
15
OSC2
振荡器的输出端
17
VT
确定解码是否有效
3.3.1PT2272的解码程序
PT2272芯片的使用需要严格的配对使用，这不仅浪费专业人员的时间，更是让不懂电子的人感到投疼，为了解决这一问题，让任何人都可以进行操作，也就出现了软件解码，以下就是其解码程序：
#include
#defineuint unsigned int
#define uchar unsigned char
#define addl 0x00
#defineaddh0xff//设置匹配地址
uintaccept_DATE,time;
uchara,b,accept_succese;
ucharaccept_AD[3];
voiddelay（uint z）
{
uint x,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=110;y>0;y--）;
}
void delay_1us（uint z）
{
while（--z）;
}
voidinit（）
{
accept_succese=0;
INT0=1;
P1=0x00;
TMOD=0x01;
TH0=0;
TL0=0;
EA=1;
EX0=1;
IT0=1;
}
void main（）
{
init（）;
while
（1）
{
if（accept_succese==1）
{
accept_succese=0;
P1=accept_DATE;
delay（5）;
IT0=1;EX0=1;
}
}
}
voidaccept_tongbu（）interrupt0
{
IT0=0;EX0=0;
TR0=1;
while（!
INT0）; //等待同步码
TR0=0;
time=TH0;
time=time*256+TL0;
if（（time>7500）&&（time<8500）） //检测同步码
{
TH0=0;TL0=0;
for（a=3;a>0;a--）
{
for（b=0;b<8;b++）
{
while（INT0==1）;
delay_1us（300）;
accept_AD[a-1]=（accept_AD[a-1]>>1）;
if（INT0==1）
{
accept_AD[a-1]=（accept_AD[a-1]|0x80）;
}
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