多机无线通信的室内监测系统
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摘要：针对于越来越复杂的建筑室内环境的安全问题，设计一种由多个设备通过WiFi网络进行数据交流的室内监测系统。整个监测系统主要包括从机系统和主机系统两个子系统。从机系统包括多个结构相同的从机设备，从机设备配置火灾烟雾检测、温湿度检测、光照检测等多种检测传感器，主要负责环境检测、环境数据实时上传的功能，并且从机设备可以外接加湿器、应急灯光等外设以实现环境改善或者提供应急照明等功能。主机系统包含一个主机设备，主要负责接收从机系统上传的数据，根据从机设备所在位置的环境参数做出处理和警报。最后通过多次长时间连续测试，证明了所提系统的有效性和稳定性。
关键词：室内监测系统;无线传感器;多机通信;系统设计;环境参数;电路测试
中图分类号：TN931+.3-34;TP277
文献标识码：A
文章编号：1004-373X（ 2019） 24-0067-04
0 引言
随着社会的发展，建筑的种类越来越繁杂。建筑根据不同的用途主要可以分为工业建筑和民用建筑。根据使用者的不同要求，室内装修所使用的材料种类也是各不相同，面对越来越复杂的建筑内部状况，室内环境监测问题急需解决。
通过市场考察发现目前市场上常见的室内监测系统主要分为两大种：一种是小范围内使用的独立的监测记录仪，这种记录仪单个使用，功能相对单一;另一种由多个监测设备组成，这种系统的监测设备大部分是通过布线汇集到显示设备，一般可以实现远程报警。多个监测设备组成的监测系统比较适合用于面积较大或者格局较为复杂的建筑内，但是需要大量布线，不仅增加了成本，提高了安装难度[1]，并且在远距离的有线数据传输中，信号衰减的问题较为严重，出现传输错误的几率也大大提升，设备的可靠性也就大打折扣。
因此，本文设计了一种基于无线网络的室内监测系统。该系统通过WiFi建立无线局域网络，主从设备间通过无线网络进行数据传输增加了数据传输的安全性和可靠性[2]。无需大量布线，减小了安装难度和安装成本，同时在从机设备上配备有相应的外设，可以对恶劣环境加以改善。
1 设计方案
该设计整体由主机系统和从机系统两个子系统构成，如图1所示，主机系统和从机系统通过WiFi进行通信。主机系统配置成AP模式，主要负责接收处理从机系统发送的数据，发送控制命令;从机系统配置为client模式，主要将检测结果实时发送给主机，并根据主机的控制命令做出相应的处理。
系统分工明确，主机系统主要负责数据分析、处理和显示，从机系统主要负责检测和执行主机命令。从分工方式可以看出主机系统硬件电路相对简单，以高性能MCU、显示电路和无线通信电路为主要构成;从机系统硬件电路相对复杂，包括多种环境检测传感器，多种外设接口。
2 硬件設计
2.1 主机设备的硬件设计
主机设备主要结构如图2所示，主要包括MCU主控芯片、GSM电路、WiFi电路、声光报警电路、SD卡电路、E2PROM电路、LCD触控电路等部分构成。
主机设备主要负责数据接收和处理，因此主机设备主控芯片需要很高的数据处理能力，这里选择意法半导体（ST）公司出品基于Cortex - M3内核的单片机STM32F103RCT6，该款单片机性能强悍，数据处理能力优异，同时价格低廉，功耗相对较低[3]。
本设计选用SIM800A实现远程GSM短信报警，该款模块功耗低，稳定性强，功能丰富，可以实现语音、SMS和数据信息的传输[4]。单片机通过UART与GSM和WiFi数据交换[5]，波特率9 600 b/s。采用3.2寸TFT液晶彩屏进行人机交互，支持触控操作，可以通过触屏直接控制各个从机的外设开关。
2.2 从机设备的硬件设计
整个从机系统包含多个从机设备，分别放置于不同的地方，功能相同，都是负责实时检测环境数据和执行主机命令，所以各个从机设备电路相同，其结构图如图3所示。
由于在系统中数据处理工作主要在主机中实现，每个从机设备只需要完成自己的功能且仅需与主机一个设备通信，所以从机设备对数据处理能力的要求要远小于主机。但是由于从机设备配备有多种环境检测传感器，并且需要接人多种外设，因此需要一款接口丰富的单片机。基于以上分析，从机设备的主控芯片选择宏晶科技出品的STC12C5A60S2单片机，这款单片机是新一代增强型8051单片机，相较于传统8051单片机，其运算速度更快，接口丰富，包括2路PWM和8路10位高速A/D转换[6-7]，可以有效地驱动多种传感器和外设。从机设备的WiFi电路部分和主机设备一样通过UART串口通信和单片机进行数据交换，波特率为9 600 b/s。
从图3中可以看到，该系统包含多种环境检测传感器，包括声音检测传感器、光照检测传感器、烟雾检测传感器和温湿度检测传感器。其中，声音检测传感器电路可以根据咪头接收到的不同音量产生不同的电压信号，经过放大滤波后将该信号作为输入信号接人393比较器。当该电压大于阈值时比较器电路向单片机输出高电平信号，否则输出低电平信号。通过该电路可以将模拟信号转化成单片机可以直接处理的数字信号，并且阈值可以通过电位器直接调节。光照检测电路本文选择光敏电阻接上拉10 kΩ分压电阻，公式如下：式中：VG为光敏电阻分压值;vcc为5V电压;Re为光敏电阻阻值;R为分压电阻10 kΩ。光敏电阻阻值随着光照强度的变化而变化，光敏电阻分压VG也随着光照强度而变化，因此可以根据VG的大小来计算光照强度。烟雾检测传感器主要负责检测火灾烟雾，在检测到火灾烟雾时主机设备和从机设备均开启声光报警器提醒用户出现火灾，及时处理。烟雾检测传感器电路和光照检测电路原理相似，这里不做赘述。温湿度检测传感器选择DHT11温湿度传感器，该传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，反应速度快，抗干扰能力强，性能稳定，并且输出数字信号，主控单片机可以直接处理。 从机系统包含多个从机，为了在建立网络时设备不至于混乱，给每个设备配置了一个4位编码开关，实现二进制编码。每一位编码开关高电平编码为1，低电平为0，每台设备的设备号与编码转换公式如下：
Num= 23 N4+ 22 N3+ 21 N2+ 20 N1
（2）式中：Num为十进制设备号;N1，N2，N3，N4为编码开关第1-4位开关的编码，为1或0。
在外接设备上首先通过MOSFET驱动电路接人家庭灯带提供照明，通过PWM来调节灯的灯光强度.实现PWM调节需要极高的开关速度，而MOSFET只要通过改变栅源电压就可以实现快速开关动作[8]。从机设备外设接口需要驱动大功率灯带、加湿器等用电器，因此采用直流12 V电源，而单片机控制系统工作电压为直流5V，这里采用LM2576芯片设计稳压电路[9]，见图4。
3 软件设计
3.1 A/D转换
单片机不能直接处理模拟信号，所以光照强度、温湿度等模拟量都需要进行A/D转换，从机主控芯片STC12C5A60S2单片机内置8路10位高速A/D转换器[10]。该A/D转换器属于逐次比较型转换器，将输入电压依次和内部A/D转换器的输出进行比较，经过逐次比较，数字量逐渐逼近模拟量值。公式如下：
3.2 CRC校验
本设计在实现的过程中存在大量的数据传输，在传输的过程中可能会产生传输错误，为了增加数据传输的可靠性，必须采取一定的校验措施。
本文采用了可靠程度较高的CRC校验，在传输过程中数据是以（N，K）码的形式传递，在接收端接收到数据后，用接收到的数据对生成码做模2除法，如果余数为0，则说明数据传递没有出错，数据保留并处理，如果余数不為0，则说明数据出错，舍弃数据。
校验码生成过程如下：
1）选择合适的R+1位二进制生成码（首位和末位必须为1）;
2）将信息码左移R位得到新的数据码;
3）用步骤2）新的数据码对步骤1）中的R+1位生成码做模2除法，得到R位余数;
4）将步骤3）得到的R位余数附到步骤2）得到新数据码的右R位得到新的数据，即（N，K）码。
4 系统实现
4.1 部分电路的测试
利用示波器对声音检测传感器电路进行测试，比较器处理前后信号波形如图5、图6所示。
通过图5、图6可以看出，声音信号在处理前是锯齿状模拟信号，单片机不能直接处理，所以利用LM393比较器进行信号处理，处理后模拟信号变为数字信号以便单片机处理。
4.2 整体功能实现
如图7所示，主机TFT液晶彩屏可以实时显示从机发送的环境数据并显示，同时主机通过触控或者按键控制从机外设的开关。图7中红色色块即为从机设备1的继电器状态为关，绿色为端子状态为开。从机设备的OLED屏幕实时显示传感器检测结果，同时从机设备将检测结果实时上传至主机。
通过示波器的测量和实物的测试，证明了本文设计的室内监测系统可以安全高效地完成环境的检测和环境的改善。
5 结语
本文针对现在室内安全监测这一热点问题，设计了一种切实可靠的解决方案，从机设备的传感器实时检测并上传室内环境数据，主机设备对各个从机设备上传的数据进行处理，如果遇到危险情况及时向远程手机发送报警短信，并且用户在主机设备上可以直接对从机设备的各个外设进行操作，实现远程操控。
注：本文通讯作者为何舒平。
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作者简介：张恒（1992-），男，安徽人，硕士研究生，主要研究方向为嵌入式开发。
董俊（1994-），男，安徽人，硕士研究生，主要研究方向为嵌入式开发。
何舒平（1983-），男，安徽人，博士，教授，主要研究方向为先进控制科学与技术、故障检测与监测等。
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