智能家居中无线安防系统的设计

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    随着无线通信技术的蓬勃发展，蓝牙、Wi-Fi、UWB和ZigBee等无线技术层出不穷。但采用蓝牙、Wi-Fi和UWB技术来组建无线网络时，需要高性能的处理器和额外的存储器来处理组网所带来的大量协议开销，同时系统功耗也较高。另一方面，ZigBee技术虽然功耗较低、联网方便，且已在家庭控制网络中得到成功应用，但由于其传输速率最高仅为250kbps，限制了它的进一步发展。

    CY6936是赛普拉斯(Cypress)公司最新推出的低成本高集成射频片上系统，它提供了针对低速、低成本的Wireless USB串口SPI到射频发射的调制解调方案。其主要特点有：工作在ISM(工业、科学、医疗公共频段)；10m以上的全方向传输范围；数据传输率达到1Mbps；具有数据传输速率高达4M的SPI微机接口；静态工作电流低于1mA；工作电压范围为1.8V至3.6V。CY6936非常适合用于中低速率、低成本、低功耗的无线数据采集系统之中。

    PSoC(Programmable System on Chip)芯片是赛普拉斯公司推出一种可编程片上系统，它将一个8位微控制器与可编程数字阵列、可编程模拟阵列集成在一个芯片上，也称为可配置型混合信号阵列。PSoC为消费类产品、工业、办公自动化、电信和汽车领域应用提供了具有嵌入式控制功能的高性能现场可编程单片系统。

    本文基于PSoC芯片和CY6936无线收发模块设计了一个智能家居短信安防系统，实现了安防传感器节点和GPRS网关之间的无线通信，系统能够用短信的方式方便、快捷、廉价地对居室中的各种紧急情况进行报警。在系统设计中始终遵循低成本、低功耗、电路简单、使用方便的原则。该系统具有如下特点：安防传感器节点采用电池供电，实现了低功耗设计，且可以在家庭中随意放置；家中的安防报警信息可以通过短信及时通知主人或物业管理人员；设计了一个紧急报警按键，方便家人在紧急情况下的报警；设计了键盘和显示器等人机接口，用户可以修改短信报警电话号码、修改密码等；为了保证家中信息安全，系统设计了密钥及密钥发布和管理。

整体设计方案及芯片选择
    系统整体设计方案如图1a所示。该系统主要分两部分：无线网络节点和GSM/GPRS网关。系统中包含三个节点：门磁防盗节点、红外防盗节点和火灾报警节点。

图1：(a) 智能家居无线短信安防系统整体设计方案；(b) GSM/GPRS网关设计方案。

    系统设计中的核心芯片均选用塞普拉斯公司的PSoC芯片，分别是CY8C21534和CY8C29466。其中，CY8C21534专门用于电容传感器按键信号的处理，CY8C29466是GSM/GPRS无线网关的核心芯片和各节点的传感器信号处理芯片。

GSM/GPRS网关设计
1. 整体方案
    GSM/GPRS网关设计方案如图1b所示。PSoC芯片和CY6936无线收发模块是网关的核心。CY6936无线收发模块接收来自各节点的传感器信息，并将接收的传感器信息发送给PSoC芯片。PSoC芯片将各节点的信息显示在LCD液晶上，并通过LED和蜂鸣器为家内用户提供警示，然后将报警信息通过串口发送给GSM/GPRS模块，最终发送给远程用户。

    此外，还根据需要为网关设计了44的触摸式按键，用于修改网关的电子密码以及报警手机号，并设计了一个紧急报警按键。按键的信息经CY8C21534处理后发送给CY8C29466。

2. 软件设计
    软件设计工具：PSoC Designer是PSoC的传统软件开发环境，它是一款功能全面的基于图形用户接口(GUI)的设计工具套件。该软件提供丰富的模拟和数字器件模块(如PGA、ADC、DAC、滤波器、比较器、定时器、计数器、PWM、SPI和UART等)，用户选择器件模块后，放置到可编程模拟和数字模块阵列中，进行配置和连线后，即可完成系统设计。在PSoC Designer环境下，用户可以采用单独C语言或汇编语言编程，也可以采用C语言和汇编语言二者的结合来编程。PSoC Designer提供单步进、事件触发器和多断点对设计进行调试。用户模块设计：采用PSoC Designer 4.3作为开发工具，在设计中采用了CSR、LCD、SPIM、SPIS等用户模块。

节点设计方案
    系统中的节点设计均采用统一的设计方案(如图2所示)。采用无线收发模块和PSoC芯片组成无线网络节点，无线收发模块负责节点和网关之间的通信，PSoC芯片负责处理和分析传感器的信息。

图2：节点设计方案

    门磁防盗节点采用MC31门磁传感器，该传感器无需外部供电，根据磁铁距离干簧管的远近输出一个开关量，阀值是16mm。设计中还对PSoC芯片的供电电压采用升压泵技术，只要外界电压超过1V，电路就可以正常工作，从而有助电路的长时间稳定工作。

    红外防盗节点采用红外热释电传感器LHI968，工作电压为2~15V，输出信号幅度为1mV左右，频率为1Hz。该传感器可以监测外界热源物体(如人体或人体的某部位)的经过。针对该传感器信号的微弱性，一般的设计思路是使用专用处理芯片(如BISS0001)处理传感器信号，这种方案输出信号稳定、反应灵敏，但是外部电路复杂、耗电量大、成本也较高。本文的设计不使用专用处理芯片来处理传感器信号，而是由PSoC芯片直接处理，这种方法大大简化了电路设计，减小了功耗并节省了成本。

    火灾报警节点同时使用温度传感器LM35和红外接收管进行监测。温度传感器测量环境温度、红外接收管监测火光和热源。这种设计方案简单、成本低廉，适合在家庭中使用。

小结
    本文介绍了一个基于赛普拉斯公司CY6836无线收发器设计的智能家居安防系统。该系统采用无线连接方式和短信报警技术，设计了友好的人机界面，并采用了电容式触摸感应按键。节点设计采用统一的设计方案。设计中使用了多种降低功耗、减少成本、简化设计的方法。经过调试和实际使用验证，系统工作稳定，很好地实现了预想的各项功能。