摘要：針對實際應用需求，結合Basic-RF無線通信技術、網絡通信技術和GSM通信技術設計了一種基于Basic-RF的家居環境監測預警系統。系統由信息處理子系統和無線傳感器網絡子系統兩部分組成，無線傳感器網絡子系統利用CC2530的Basic-RF雙向無線通信協議結合應用層算法構建，信息處理子系統以STM32單片機為核心，利用ENC28J60網絡模塊以及SIM900A短信模塊實現數據的遠程傳輸。用戶可通過上網設備方便地監測家居環境數據，當環境異常時會及時收到報警短信。實驗結果表明，該系統具有穩定性高、實用性強、靈活性好的優點，對家居環境監測和預警具有廣泛的應用前景。

隨著時代的發展，安全的生活環境成為越來越多人追求的目標;一套實用性強、靈活性好、穩定性高的家居環境監測預警系統將會得到越來越多的應用。無線傳感器網絡是環境監測預警系統重要組成部分，無線傳感器網絡根據實際需要選擇德州儀器CC2530芯片的Basic RF無線通信協議結合應用層算法程序構建了一種穩定、高效、滿足實際需求的樹狀無線傳感器網絡。其中Basic RF由TI公司提供，它包含了IEEE 802.15.4標準的數據包的收發功能，還提供安全通信所使用的CCM-64身份驗證和數據加密，為雙向無線通信提供一個安全、穩定的協議。如圖1所示，應用層(Application)算法搭建在Basic RF層之上，使無線傳感器網絡中的節點形成樹狀網絡，各個節點都有自動檢測重連功能，用戶可以根據需求靈活增加刪減網絡節點，某個節點的損壞不會影響整個網絡的信息傳輸，大大提高了系統的靈活性與穩定性。為了讓用戶實時方便地查看家居環境信息，利用網絡技術在信息處理子系統建立顯示家居環境信息的Web服務器，用戶可以利用手機、電腦等上網設備登錄到Web服務器中方便地查看家居環境信息，當出現環境異常時(如溫度過高等)，信息處理子系統會利用GSM模塊及時向用戶發送報警短信。系統克服了傳統監測預警系統靈活性差、穩定性差、監測距離短的缺陷，實現了用戶需求對家居環境信息的遠程安全監控。

1 系統的總體結構

環境監測預警系統由無線傳感器網絡子系統和信息處理子系統2部分組成。系統框圖如圖2所示。無線傳感器網絡系統采用樹型結構，分為一級節點、二級節點和傳感器節點。其中一級節點是無線傳感器網絡的核心，無線傳感器網絡所檢測到的環境信息最終都要通過一級節點傳給信息處理子系統。二級節點主要起到數據中轉的作用，保證了無線傳感器網絡中的傳感器節點可以穩定地與一級節點通信。傳感器節點根據用戶需求安裝相應的傳感器(如溫濕度傳感器、紅外傳感器等)。信息處理子系統以意法半導體的STM32芯片為核心，在STM32單片機中植入uIP1.0協議建立顯示家居環境信息的Web服務器，同時配有以太網控制器ENC28J60和GSM模塊SIM900A，可以讓用戶方便地利用上網設備連接系統所在網絡查看家居環境信息，在家居環境出現異常時也可以及時收到報警短信。

2 系統硬件設計

2.1 無線傳感器網絡硬件設計

無線傳感器網絡節點包括一級節點、二級節點和傳感器節點，這三類網絡節點的硬件設計主體結構是相同的。無線傳感器網絡節點以德州儀器高性能低功耗的CC2530F256單片機為核心，CC2530F256集成了8051內核，256 KB系統可編程FLASH，8 KB RAM，具有豐富的外圍設備，節點發射功率可達4.5 dB。在天線部分利用AN9520貼片天線，不僅保證了網絡節點通訊的穩定性，而且大大減少了節點的體積，適合于家居室內網絡的搭建。在無線傳感器網絡的傳感器節點，通過CC2530的設備外設與傳感器通信，傳感器的類型可以根據用戶的實際需求來靈活決定。在本實驗中，系統選用了基于I2C總線的TCN75溫度傳感器，DHT11數字濕度傳感器、MQ-7一氧化碳傳感器、MQ-2煙霧傳感器以及DYP-ME003紅外人體感模塊。其中當人進入DYP-ME003人體感模塊感應范圍時，DYP-ME003人體感模塊會輸出高電平告知用戶檢測環境中有人活動。傳感器節點硬件框圖如圖3所示。

2.2 信息處理子系統硬件設計

信息處理子系統主要由中央處理單元、存儲單元、ENC28J60網絡模塊和GSM模塊組成。中央處理單元采用意法半導體的STM32F103RET6微處理器，STM32F103RET6采用ARM Cortex M3內核，最高工作頻率可達72 MHz，內置256 KB閃存以及64 KB的SRAM，并且擁有強大的外設接口，是一款低價格、低功耗、高性能的微控制器解決方案。另外，信息處理子系統配有SD卡存儲單元，可以存儲重要的環境數據。ENC28J60是帶有行業標準串行外設接口的獨立以太網控制器，符合IEEE 802.3的全部規范，數據傳輸速率高達10 Mb/s。GSM模塊SIM900A屬于雙頻900/1800 MHz模塊，可利用AT指令對其控制，其性能穩定，外觀精巧，性價比高，可以低功耗數據信息傳輸。信息處理子系統的硬件框圖如圖4所示，實物圖如圖5所示。

3 系統軟件設計

3.1 無線傳感器網絡子系統軟件設計

無線傳感器網絡子系統以CC2530的Basic RF無線通信協議為基礎，結合應用層算法程序構建了樹狀網絡結構，分為一級節點、二級節點和傳感器節點。一級節點是無線傳感器網絡的核心，傳感器節點檢測到的環境數據最后都要通過無線傳感器網絡發送至一級節點。二級節點負責數據中轉，實際應用中，在家居每個房間設置一個二級節點，保證所有環境信息可以最終傳到一級節點。傳感器節點選擇相應的二級節點作為自己的父節點，把傳感器檢測到的環境信息發到父節點并最終傳送至網絡的一級節點。無線傳感器網絡在建立時，首先啟動一級節點，二級節點啟動時依次向各個一級節點二級節點發送尋找信息，如果收到尋找回饋，則確定自己的父節點并向父節點發送自己的地址信息。傳感器節點啟動時依次向各個二級節點發送尋找信息，如果收到尋找回饋，則確定自己的父節點并向父節點發送自己的地址信息。在網絡建立后，二級節點和傳感器節點會定時向自己的父節點發送網絡檢測信息，如沒有收到父節點發送的網絡檢測回饋，則自知已斷開網絡并重啟節點重新連入網絡。一級節點、二級節點和傳感器節點中CC2530的軟件流程圖分別如圖6～圖8所示。

綜上可知，用戶可在原有網絡的基礎上靈活地增加刪減傳感器節點，并且網絡節點在斷開后會重新連接網絡，大大增加了網絡的靈活性與穩定性。

3.2 信息處理子系統軟件設計

信息處理子系統以意法半導體STM32微控制器為核心，并在STM32中植入uIP1.0協議棧，配合ENC28J60以太網控制器建立Web服務器顯示家居環境信息，STM32程序流程圖如圖9所示。當環境數據超過警戒值時(如溫度超過40℃等)，STM32微控制器會向GSM模塊SIM900A發送AT指令來向用戶發送報警短信。最后，信息處理子系統會將家居環境信息定時存儲在SD卡中以備用戶查詢。

4 實驗測試

為驗證系統的可行性建立基于Basic RF的無線傳感器網絡家居環境監測預警系統，將信息處理子系統布置在客廳，分別對兩間臥室進行溫濕度、煙霧、一氧化碳和是否有人活動進行監測預警。在臥室2用電烙鐵升高TCN75溫度傳感器周圍的溫度，同時有人在臥室1中DYP-ME003紅外人體感模塊感應范圍內活動，可用示波器檢測到紅外人體感模塊有2.5 s的高電平輸出，如圖10所示，證明在檢測范圍內有人活動。

此時可登陸信息處理子系統中的Web服務器查看家居環境信息，如圖11所示，用戶也會收到GSM模塊發送的報警短信。

實驗證明：利用本系統用戶可以對家居內溫度、濕度、煙霧、一氧化碳和是否有人活動進行監測，當家居內出現環境異常時(如火災、煤氣泄漏、有外人活動等)，用戶可及時收到報警信息。

5 結論

家居環境檢測預警系統用基于Basic RF的無線通信技術、傳感器技術、網絡技術及GSM技術實現了室內溫濕度、一氧化碳體積分數、煙霧體積分數及是否有人活動等環境信息的實時監測預警。實驗證明，本文的環境檢測預警系統具備一定的實用價值，是一套低成本、穩定性強、操作方便、易于拓展的家居環境監測預警解決方案。