無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)整合系統(tǒng)探究范文

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系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

無(wú)線智能家居系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)主要由傳感單元、控制中心（視頻處理模塊、Zigbee協(xié)調(diào)器、GSM短信報(bào)警模塊）、用戶終端等幾部分組成。傳感單元負(fù)責(zé)用戶家中各種警報(bào)的采集，如竊賊非法侵入、煤氣泄露、意外火災(zāi)探測(cè)種危害人們生命財(cái)產(chǎn)安全的信息。非法侵入、火災(zāi)探測(cè)雖然可以采用常規(guī)的紅外或溫度探測(cè)器等方式實(shí)現(xiàn)，但為減少節(jié)點(diǎn)，同時(shí)提高信息量（通過(guò)視頻監(jiān)控可獲得更多的信息量），本系統(tǒng)采用了兼有多種功能的視頻探測(cè)器。各種不同硬件組成了不同的通信網(wǎng)絡(luò)通道，既包括室內(nèi)各種視頻、音頻、數(shù)據(jù)等信息在各種探測(cè)器間及探測(cè)器與控制中心之間的近距離信息傳輸通道，也包括室內(nèi)發(fā)出的各種信息與用戶手機(jī)或計(jì)算機(jī)之間的傳輸或控制。用戶終端主要指手機(jī)與計(jì)算機(jī)。在平時(shí)用戶外出時(shí)，手機(jī)通常處于隨時(shí)工作的待命狀態(tài)，報(bào)警信息會(huì)首先到達(dá)手機(jī)。手機(jī)用戶一旦接到從家中報(bào)警中心傳來(lái)的信息，可以通過(guò)手機(jī)隨時(shí)控制家中的控制點(diǎn)，如果希望更詳細(xì)地了解家中的情況，這時(shí)可打開(kāi)身邊的計(jì)算機(jī)或3G視頻手機(jī)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控家中的一切，以便進(jìn)一步處理。

系統(tǒng)硬件組成

1傳感單元

傳感單元采用無(wú)線傳感器與視頻探測(cè)器相結(jié)合的手段。視頻探測(cè)器是由模擬攝像機(jī)和控制中心的視頻處理單元組成的。常規(guī)傳感器如煤氣泄露檢測(cè)傳感器、紅外傳感器等都有成熟電路。本方案中只需要將傳感部分與Zigbee模塊配合起來(lái)就可以做成無(wú)線傳感器。無(wú)線傳感器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線傳感器作為終端節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)模塊，它感應(yīng)的信息既可與Zig⁃bee模塊的其他路由節(jié)點(diǎn)通信，也可與控制中心的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。Zigbee模塊采用CC2530芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2視頻處理模塊

在智能家居系統(tǒng)中，視頻處理模塊有兩個(gè)作用，一個(gè)用于視頻探測(cè)報(bào)警，另一個(gè)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控。視頻處理模塊采用了性能價(jià)格比較高且研發(fā)周期較短的SoCHi3510（ARM＋DSP），以H.264格式作為視頻壓縮方案，支持網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流暢傳輸。實(shí)際使用時(shí)，只需增加無(wú)線網(wǎng)絡(luò)適配器，通過(guò)軟件配置，就可與用戶家中的無(wú)線路由器聯(lián)網(wǎng)。視頻處理模塊如圖4所示。正常情況下，用戶的外網(wǎng)是長(zhǎng)通的，無(wú)線路由器不間斷工作，這樣，戶主在外面可以通過(guò)計(jì)算機(jī)隨時(shí)訪問(wèn)家中的監(jiān)控視頻，同時(shí)還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)視頻探頭的云臺(tái)、攝像機(jī)的焦距、光圈等。視頻探測(cè)是在其基本硬件基礎(chǔ)上運(yùn)行軟件識(shí)別算法，通過(guò)對(duì)視頻幀在不同場(chǎng)合中表現(xiàn)出來(lái)的特性，達(dá)到對(duì)視頻流分析的目的。

3GSM模塊與Zigbee協(xié)調(diào)器

Zigbee協(xié)調(diào)器在控制中心里是用于與室內(nèi)各種Zig⁃bee終端傳感器節(jié)點(diǎn)或路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的中心節(jié)點(diǎn)，其硬件以CC2520為主芯片，以高效能低功耗的16位MSP430微處理器作為控制器。GSM用于將報(bào)警信息通過(guò)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)把報(bào)警短信發(fā)送到用戶手機(jī)，同時(shí)用戶也可通過(guò)手機(jī)對(duì)與Zigbee傳感模塊相綁定的家用電器實(shí)行控制。GSM模塊采用兼有GPRS功能的SIM300C作為主芯片，以方便將來(lái)的功能擴(kuò)展。MSP430既可用于Zig⁃bee模塊的控制器，也可用作GSM模塊的控制器，這樣在滿足設(shè)計(jì)功能的基礎(chǔ)上可降低硬件成本，結(jié)構(gòu)如圖5所示。單片機(jī)與SIM300C可直接通過(guò)UART口通信，但為了各自與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)調(diào)試的方便，實(shí)際電路加了串口轉(zhuǎn)換電路，并采用了跳線進(jìn)行選擇連接。存儲(chǔ)器用于系統(tǒng)供電采用5V，由于GSM模塊與Zigbee模塊工作電流差別較大，可對(duì)他們分別設(shè)計(jì)電路供電。它們的射頻電路也要分開(kāi)，避免互相干擾。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容較多，主要包括Zigbee網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計(jì)、GPRS模塊的控制設(shè)計(jì)、圖像處理的軟件設(shè)計(jì)等。

1Zigbee網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計(jì)

Zigbee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)組成。采用TI的Zigbee協(xié)議棧作為編程基礎(chǔ)。開(kāi)發(fā)中，針對(duì)具體硬件，物理層、網(wǎng)絡(luò)層等已有開(kāi)發(fā)板提供的源碼，不需要再花時(shí)間與精力。課題研究主要在應(yīng)用層進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。應(yīng)用層程序包括傳感、安防報(bào)警、無(wú)線傳輸和人機(jī)交互等模塊。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用層功能圖如圖6所示，左側(cè)為協(xié)調(diào)器，右側(cè)為終端節(jié)點(diǎn)。

2GSM/GPRS模塊軟件

在無(wú)線智能家居系統(tǒng)中，GSM模塊接收Z(yǔ)igbee網(wǎng)絡(luò)模塊傳來(lái)的報(bào)警信息后，立即發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警短信給戶，也可以接收用戶短信，執(zhí)行相應(yīng)的控制命令。GSM模塊使用AT命令集來(lái)工作。軟件流程如圖7所示。

3視頻處理模塊軟件設(shè)計(jì)

視頻圖像的采集、壓縮、打包等流程都已商業(yè)化，這里不再重復(fù)。主要介紹利用處理模塊的硬件DSP進(jìn)行軟件算法的設(shè)計(jì)。由于探測(cè)器在室內(nèi)工作，受外界影響較少，可以采用效率較高的幀間差分算法并加以改進(jìn)。它的原理是基于圖像分塊的方法構(gòu)建的。對(duì)基于塊的圖像編碼一般采用8×8像素進(jìn)行分塊。視頻圖像的采集采用BT656格式即576×720的圖像幀，分成72×90塊。分塊后，對(duì)獲得的每幀圖像得到與像素一一對(duì)應(yīng)的三分量值，并存儲(chǔ)和標(biāo)識(shí)，轉(zhuǎn)化為以灰度表示的圖像，用圖像亮度幀序列中的每一幀減去前面一幀，并減去閾值，獲得差分幀；然后按設(shè)定的移動(dòng)閾值，滿足移動(dòng)閾值的差分幀塊數(shù)達(dá)到一定的幀數(shù)積累并經(jīng)開(kāi)閉處理即獲得一層判據(jù)，輸出標(biāo)志為非法入侵的報(bào)警信息；再根據(jù)圖像色度和亮度閾值進(jìn)行灰度選擇，滿足閾值塊數(shù)達(dá)到一定的幀數(shù)積累，輸出標(biāo)志為有明火報(bào)警信息。如果發(fā)生非法入侵或火災(zāi)，DSP完成識(shí)別以后，將由IO口輸出報(bào)警信號(hào)或通過(guò)GSM模塊將報(bào)警信號(hào)發(fā)出。DSP的軟件算法流程圖如圖8所示。

系統(tǒng)測(cè)試

目前這套系統(tǒng)已完成樣機(jī)設(shè)計(jì)和初步實(shí)驗(yàn)，各單板進(jìn)行了一些仿真測(cè)試。無(wú)線傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的紅外和溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)采集，采集的數(shù)據(jù)在Zigbee協(xié)調(diào)器上有時(shí)可以響應(yīng)，但有時(shí)收不到，需要進(jìn)一步調(diào)試；GSM模塊部分首先通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)相連，通過(guò)串口調(diào)試助手發(fā)送AT指令，已能調(diào)通。接著，將觸發(fā)CPU中斷報(bào)警的代碼寫入MSP430存儲(chǔ)器，發(fā)生報(bào)警時(shí)，可回調(diào)不同的短信傳送至用戶手機(jī)上。視頻處理模塊已完成IP地址、動(dòng)態(tài)域名及各種參數(shù)的設(shè)置和遠(yuǎn)程調(diào)試，實(shí)驗(yàn)時(shí)，在辦公室可監(jiān)控樣機(jī)在筆者家中的視頻，同時(shí)視頻探測(cè)已初步達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖9是實(shí)驗(yàn)中在家中實(shí)拍的火焰視頻探測(cè)的原始視頻截圖和報(bào)警響應(yīng)圖片。6結(jié)論本研究提出并設(shè)計(jì)完成了一種基于Zigbee，IP，GSM/GPRS等各種無(wú)線通信技術(shù)融合應(yīng)用的智能家居系統(tǒng)。

分別從硬件設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、軟件設(shè)計(jì)等方面分析了系統(tǒng)的組成。實(shí)現(xiàn)了將無(wú)線傳感器報(bào)警、視頻智能探測(cè)系統(tǒng)和圖像監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合的新型智能系統(tǒng)。用戶可以通過(guò)手機(jī)接收?qǐng)?bào)警信息、發(fā)出控制指令，也可通過(guò)計(jì)算機(jī)或3G手機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控家中情況，從而實(shí)現(xiàn)靈活、便捷的家居安全保障。

作者：張慶海單位：南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院