家庭环境智能监控系统

2006年首届“ST-EMBEST”杯嵌入式电子设计大赛入门组A207设计报告家庭环境智能监控系统1摘要给出一种基于STR710FZ2T6微控制器和nRF401射频芯片的家庭环境智能监控系统。系统由控制器、传感器组成的监控节点和带有GSM短信、电话及其他高级报警功能的报警节点有机组成。各节点之间采用无线网络通讯。实现家庭环境的火灾，漏水，盗窃等险情的现场图像采集、监控和报警。具备可扩展性和易用性。2关键字家庭环境监控、无线报警、射频、STR710FZ2T6、nRF4013引言随着人们生活水平的提高，家庭住宿环境的改善，智能环境监控已成为智能小区的必需设备。环境监测包括各种险情和防盗安全的检测，使人们可以放心的出门，不必时刻记挂家居的安全。本设计给出一种利用无线网络技术，避免复杂的布线，具有较好的安全性和可靠性的智能联网无线监测系统。4设计方案4.1系统功能描述本设计计划制作一个无线报警系统。由接收/发射和控制等模块组成。满足低功耗设备的一些基本要求，接口简单，传输可靠。使用STR710微控制器运行射频协议、控制nRF401的收发状态，完成信号传输，并运行软件系统。系统各部分均采用直流5V供电。图1为系统结构示意图。图1系统构架示意图4.2模块功能描述4.2.1监控/报警节点监控和报警节点采用统一的设计。报警节点和监控节点可以选择性的使用PCB板上的部分功能。监控节点主要用于连接传感器，发出射频报警信号。报警节点主要用于接收监控节点发出的报警信号，加以处理后通过GPRSmodem发送报警短信或拨打固定电话报警，并且可以将现场静态图像采集并存储在Flash中以便查看。其功能如图3所示。监控/报警节点提供主要功能为（1）控制射频模块，运行射频通讯协议。（2）处理报警信号。（3）处理并存储串口Camera采集的静态图像。第1页共13页2006年首届“ST-EMBEST”杯嵌入式电子设计大赛入门组A207设计报告（4）通过串口连接GPRSmodem，发送报警短信。（5）控制电话报警模块，拨号并发出语音报警。（6）点阵LCD显示系统状态。（7）JTAG调试和下载功能。图2报警/监控节点设计示意图4.2.2射频模块射频模块包含环形天线和射频芯片nRF401，实现433MHz射频信号的收发。射频芯片与监控/报警节点上的STR710微控制器直接相连。在监控/报警主板上通过跳线可以选择使用UART或GPIO来控制射频信号的收发。其连接示意图如图3所示。CSnRF401STR710TXENDINDOUT包头、地址探测数据校验RF包生成图3无线收发示意图5系统硬件设计考虑到系统模块的可重用性和可扩展性，采用模块化结构搭建整个硬件系统。硬件系统包括报警/监控节点复用PCB板、射频子板和电话报警子板。第2页共13页2006年首届“ST-EMBEST”杯嵌入式电子设计大赛入门组A207设计报告5.1射频模块设计图4射频模块原理图nRF401是NordicVLSI公司的单芯片RF收发机，专为在433MHzISM(工业、科研和医疗)频段。接收发射合一，工作方式为半双工。该芯片集成射频收发的功能，外围元件较少，包括一个4MHz基准晶振、一个PLL环路滤波器和一个VCO电感，收发天线合一。nRF401采用小型20引脚SSOP封装，管脚数和体积最小，采用非常紧凑的电路板布局，有利于减少PCB面积，降低成本。3V直流电源供电。接收电流低，仅为11mA。nRF40的解调器是DC平衡的，无需浪费单片机宝贵的处理资源来进行曼彻斯特编码。nRF401的串口可以直接与STR710的串口接口，不需要进行设置，应用及编程非常简单。表1射频模块接口1234567GNDTXENPWR_UPDINDOUTCSVCC地收/发待机待发送数据接收数据频道选择电源表2nRF401工作模式配置表输入工作模式TXENCSPWR_UP频道模式0011RX0112RX1011TX1112TXXX0--待机5.1.1射频模块PCB设计本模块PCB用两层板来设计。由于nRF401外围元件少，设计比较方便，但是实际由于高频电路和混合信号的特性，设计时仍然需要十分的注意。使用完整的接地面保证元件充分接地，大量的通孔链接元件面的接地面和底面的接地面。射频电路的元件面以nRF401为中心，各元件紧靠其周围，尽可能减少分布参数的影响。VCO电感布局经过计算，可以给PLL环路滤波器提供一个合适的电压。匹配网络的元器件靠近nRF401，以减小杂散电感和杂散电容。RF电路对电源噪第3页共13页2006年首届“ST-EMBEST”杯嵌入式电子设计大赛入门组A207设计报告声敏感，通过给RF电源加滤波电路，以减小电源噪声对RF电路的干扰。布线时，电源线和地线加粗以减小压降，降低耦合噪声。避免将数字信号或控制信号引入到PLL回路滤波器元件上。使用PCB布线形成环形天线，以降低成本，减小模块体积。其周长和形状经过计算。图5环形天线版图5.2报警/监控节点设计报警/监控节点设计基于STR710微控制器，片外提供SRAM、Flash以便运行嵌入式系统，并提供丰富的可扩展资源。可以用于进一步的无线系统开发。主要硬件规格如表3所示。表3报警/监控节点硬件规格表功能器件描述主控制器STR710F-Z2T6ARM7TDMI内核，（256+16）KBFlash、64KBSRAM，集成USBDevice控制器，3.3v工作电压，5种省电模式Flash存储SST39VF1601Mx16容量，3.3v工作电压，低功耗SRAM存储IS61LV25616256Kx16CMOSSRAM，3.3v工作电压，低功耗以太网控制器CS8900AIEEE802.3以太网控制器，10BASE-T收发，3.3V电压USB接口STR710内置Device两个RS232异步串口MAX3232E一个用于连接GPRSmodem，一个用于连接串口Camera20脚JTAG接口高速程序下载、调试，并支持Flash烧写5.2.1电源设计第4页共13页2006年首届“ST-EMBEST”杯嵌入式电子设计大赛入门组A207设计报告图6系统电源电路可拨动开关s600控制输入电源5V，通过100nF瓷片电容和10uF钽电容滤波，作为USB输入电源和LM1117-33芯片输入电源。LM1117-33芯片将5V电压转化为系统所需的3.3V电压。5.2.2复位设计5.2.3外部存储设计处理器芯片数据总线为16位，寻址方式为双字节，地址线A0固定为低电平，所以A0地址线不使用，直接以A1为最低位地址。图7SRAM、Flash电路原理图5.2.4以太网设计CrystalCS8900A以太网控制器及外围电路如图所示。第5页共13页2006年首届“ST-EMBEST”杯嵌入式电子设计大赛入门组A207设计报告图8以太网控制器电路原理图第6页共13页2006年首届“ST-EMBEST”杯嵌入式电子设计大赛入门组A207设计报告图9STR710微控制器部分原理图处理器芯片采用STR710FZ2T6芯片，片选/CS0和/CS1信号分别选通外部扩展的FLASH和RAM地址段，使用了芯片的USB、JTAG接口和U2串口。BOOT模式用于配置启动模式（决定系统复位时从何处引导，可以选择片内Flash、RAM、片外存储器）。5.3电话报警子板电话报警由具有并行数据接口的双音多频(DTMF)发送和接收器件MT8888和语音芯片ISD1420构成。5.4DTMF收发电路实现自动拨号、忙音识别等功能。我们选用MT8888双音多频（DTMF）收发器，与单片机及音频放大电路组合，实现各种信号音的检测及DTMF信号的产生，并将DTMF信号传送到电话线上。第7页共13页2006年首届“ST-EMBEST”杯嵌入式电子设计大赛入门组A207设计报告图10MT8888自动拨号部分原理图电话呼叫过程中的各种信号音经MT8888滤波限幅后得到方波，由MT8888的IRQ输出到将STR710的GPIO上，对该信号记数5s。计数值位于2175～2357范围内，为拨号音；计数值位于1041～1212范围内，为忙音；计数值位于425～475范围内，为回铃音。当接收到无线报警信号后，从存储的第1个电话开始拨号。如果任意一个电话回送了“#”键确认信号，即意味着报警已收到，不再继续拨号。每个号码需拨号时间100ms，号码之间留500ms间隔。图11ISD1420语音芯片部分原理图放音首地址A7～A0，T1或T3为低电平（PLAYE或PLAYL）开始放音；延时进行放音，最后送停止录放音码T1～T3=000，完成本段放音。重复上述过程，可分段放出数段语音。6软件设计6.1软件流程第8页共13页2006年首届“ST-EMBEST”杯嵌入式电子设计大赛入门组A207设计报告NOYES传感器产生中断？进入发射服务程序接收确认？NO系统复位初始化系统休眠YES进入接收服务程序图12监测节点软件流程第9页共13页2006年首届“ST-EMBEST”杯嵌入式电子设计大赛入门组A207设计报告NOYES接收到？进入发射服务程序系统复位初始化进入接收服务程序射频模块待机超时？NOYES图13报警节点软件流程第10页共13页2006年首届“ST-EMBEST”杯嵌入式电子设计大赛入门组A207设计报告开始生成数据包将nRF401的TXEN位置位进入发送状态等待发送建立时间将UART的TX寄存器置为0x55，并发送将UART的TX寄存器置为0xFF，并发送将UART的TX寄存器置为下一段数据，并发送发送完毕？ExitNOYESnRF401使能图14发送程序流程第11页共13页2006年首届“ST-EMBEST”杯嵌入式电子设计大赛入门组A207设计报告NOYES开始探测到包头？存储接收内容字节计数器增1接收完毕？复位字节计数器校验正确？有效数据接收确认ExitYESYESNONOnRF401待机超时？NOYES图15接收程序流程6.2无线数据包格式报头目的地址器件标识内容校验码发送地址数据长度内容类型具体内容CRC-160x55FF1Byte1Byte1Byte4bit4BitN/A2Byte第12页共13页2006年首届“ST-EMBEST”杯嵌入式电子设计大赛入门组A207设计报告6.3无线收发的实现使用STR710的UART对射频模块读写。使用UART的奇偶校验位标示是否射频加扰。图16UART数据格式6.3.1射频加扰为优化射频通信，减少直流分量，采用简单的异或操作进行射频加扰。避免使用曼彻斯特编码增加系统开销。使用10101010对类似11110000的信号进行射频加扰，发射端10101010XOR11110000=01011010。接受端：01011010XOR10101010=11110000。假设数据为Az令B=AzB1z令C=AXORBz计算C中1的个数z如果C中1的个数小于4个，就加扰。否则不加扰。6.3.2CRC-16校验使用CRC-16循环冗余校验，其生成多项式为161251xxx+++。6.4射频收发控制设计nRF401的通讯速率最高为22Kbit/s；接收模式转换为发射模式的转换时间至少1ms；可以发送任意长度的数据；发射模式转换为接收模式的转换时间至少为3ms。由于nRF401具有节能控制脚这样就更方便设计直接用GPIO来控制工作状态。为了节能nRF401平时处于休眠状态。每次发送首先给出一个包头。接收端可以开启接收数个毫秒如果没有收到规定的包头就关闭约1秒。7结束语随着高性能的控制器成本下降，随着人们安全意识的增强，智能家庭环境监测和报警系统将会进一步得到普及。由于安装简单，无须布线，可随机扩充节点，本设计实现的无线监测系统比传统的安防系统具有较大的优势。同时它还具有良好的可扩充性，可以进一步实现多种无线协议。如性能能达到设计目标或作进一步的提升，可期望在智能家庭领域有较好的应用前景。第13页共13页