无线通信网络整合系统探究范文

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系统的总体结构

无线智能家居系统的总体网络结构如图2所示，系统主要由传感单元、控制中心（视频处理模块、Zigbee协调器、GSM短信报警模块）、用户终端等几部分组成。传感单元负责用户家中各种警报的采集，如窃贼非法侵入、煤气泄露、意外火灾探测种危害人们生命财产安全的信息。非法侵入、火灾探测虽然可以采用常规的红外或温度探测器等方式实现，但为减少节点，同时提高信息量（通过视频监控可获得更多的信息量），本系统采用了兼有多种功能的视频探测器。各种不同硬件组成了不同的通信网络通道，既包括室内各种视频、音频、数据等信息在各种探测器间及探测器与控制中心之间的近距离信息传输通道，也包括室内发出的各种信息与用户手机或计算机之间的传输或控制。用户终端主要指手机与计算机。在平时用户外出时，手机通常处于随时工作的待命状态，报警信息会首先到达手机。手机用户一旦接到从家中报警中心传来的信息，可以通过手机随时控制家中的控制点，如果希望更详细地了解家中的情况，这时可打开身边的计算机或3G视频手机，通过网络视频监控家中的一切，以便进一步处理。

系统硬件组成

1传感单元

传感单元采用无线传感器与视频探测器相结合的手段。视频探测器是由模拟摄像机和控制中心的视频处理单元组成的。常规传感器如煤气泄露检测传感器、红外传感器等都有成熟电路。本方案中只需要将传感部分与Zigbee模块配合起来就可以做成无线传感器。无线传感器结构框图如图3所示。在Zigbee网络中无线传感器作为终端节点或路由节点模块，它感应的信息既可与Zig⁃bee模块的其他路由节点通信，也可与控制中心的网络协调器通信。Zigbee模块采用CC2530芯片来实现。

2视频处理模块

在智能家居系统中，视频处理模块有两个作用，一个用于视频探测报警，另一个用于远程监控。视频处理模块采用了性能价格比较高且研发周期较短的SoCHi3510（ARM＋DSP），以H.264格式作为视频压缩方案，支持网络数据流畅传输。实际使用时，只需增加无线网络适配器，通过软件配置，就可与用户家中的无线路由器联网。视频处理模块如图4所示。正常情况下，用户的外网是长通的，无线路由器不间断工作，这样，户主在外面可以通过计算机随时访问家中的监控视频，同时还可以通过网络远程控制调节视频探头的云台、摄像机的焦距、光圈等。视频探测是在其基本硬件基础上运行软件识别算法，通过对视频帧在不同场合中表现出来的特性，达到对视频流分析的目的。

3GSM模块与Zigbee协调器

Zigbee协调器在控制中心里是用于与室内各种Zig⁃bee终端传感器节点或路由器节点进行通信的中心节点，其硬件以CC2520为主芯片，以高效能低功耗的16位MSP430微处理器作为控制器。GSM用于将报警信息通过移动运营网络把报警短信发送到用户手机，同时用户也可通过手机对与Zigbee传感模块相绑定的家用电器实行控制。GSM模块采用兼有GPRS功能的SIM300C作为主芯片，以方便将来的功能扩展。MSP430既可用于Zig⁃bee模块的控制器，也可用作GSM模块的控制器，这样在满足设计功能的基础上可降低硬件成本，结构如图5所示。单片机与SIM300C可直接通过UART口通信，但为了各自与计算机联机调试的方便，实际电路加了串口转换电路，并采用了跳线进行选择连接。存储器用于系统供电采用5V，由于GSM模块与Zigbee模块工作电流差别较大，可对他们分别设计电路供电。它们的射频电路也要分开，避免互相干扰。

系统软件设计

系统软件设计内容较多，主要包括Zigbee网络的软件设计、GPRS模块的控制设计、图像处理的软件设计等。

1Zigbee网络的软件设计

Zigbee网络由协调器、路由器和终端节点组成。采用TI的Zigbee协议栈作为编程基础。开发中，针对具体硬件，物理层、网络层等已有开发板提供的源码，不需要再花时间与精力。课题研究主要在应用层进行软件设计。应用层程序包括传感、安防报警、无线传输和人机交互等模块。网络系统应用层功能图如图6所示，左侧为协调器，右侧为终端节点。

2GSM/GPRS模块软件

在无线智能家居系统中，GSM模块接收Zigbee网络模块传来的报警信息后，立即发出相应的报警短信给户，也可以接收用户短信，执行相应的控制命令。GSM模块使用AT命令集来工作。软件流程如图7所示。

3视频处理模块软件设计

视频图像的采集、压缩、打包等流程都已商业化，这里不再重复。主要介绍利用处理模块的硬件DSP进行软件算法的设计。由于探测器在室内工作，受外界影响较少，可以采用效率较高的帧间差分算法并加以改进。它的原理是基于图像分块的方法构建的。对基于块的图像编码一般采用8×8像素进行分块。视频图像的采集采用BT656格式即576×720的图像帧，分成72×90块。分块后，对获得的每帧图像得到与像素一一对应的三分量值，并存储和标识，转化为以灰度表示的图像，用图像亮度帧序列中的每一帧减去前面一帧，并减去阈值，获得差分帧；然后按设定的移动阈值，满足移动阈值的差分帧块数达到一定的帧数积累并经开闭处理即获得一层判据，输出标志为非法入侵的报警信息；再根据图像色度和亮度阈值进行灰度选择，满足阈值块数达到一定的帧数积累，输出标志为有明火报警信息。如果发生非法入侵或火灾，DSP完成识别以后，将由IO口输出报警信号或通过GSM模块将报警信号发出。DSP的软件算法流程图如图8所示。

系统测试

目前这套系统已完成样机设计和初步实验，各单板进行了一些仿真测试。无线传感器对现场的红外和温度进行了实时采集，采集的数据在Zigbee协调器上有时可以响应，但有时收不到，需要进一步调试；GSM模块部分首先通过串口与计算机相连，通过串口调试助手发送AT指令，已能调通。接着，将触发CPU中断报警的代码写入MSP430存储器，发生报警时，可回调不同的短信传送至用户手机上。视频处理模块已完成IP地址、动态域名及各种参数的设置和远程调试，实验时，在办公室可监控样机在笔者家中的视频，同时视频探测已初步达到设计要求。图9是实验中在家中实拍的火焰视频探测的原始视频截图和报警响应图片。6结论本研究提出并设计完成了一种基于Zigbee，IP，GSM/GPRS等各种无线通信技术融合应用的智能家居系统。

分别从硬件设计、网络应用、软件设计等方面分析了系统的组成。实现了将无线传感器报警、视频智能探测系统和图像监控系统相结合的新型智能系统。用户可以通过手机接收报警信息、发出控制指令，也可通过计算机或3G手机远程实时监控家中情况，从而实现灵活、便捷的家居安全保障。

作者：张庆海单位：南京工业职业技术学院