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基于无线传感器网络和GSM技术的远程家庭安全系统 摘要：在本文中，一种应用wsn和gsm技术设计的低功耗可移动式安全报警系统将被呈现。它可用作检测盗贼、气体泄漏和火灾预警不，并能远程发送报警信息。这个系统的硬件包括单芯片C5081F310、远程接受发送芯片CC110、西门子TC35 GSM 模块。系统软件基于C51语言开发，并能够进行数据的采集和无线接受和发送，同时能够给用户的手机发送一段报警短信息当检测到危险状况时。 关键字：无线传感器网络；全球移动通信；家庭安全系统；短信息 1. 简介 家庭安全是十分重要的对于人们来说，随着IT、网络、自动控制技术的发展，当下一种远程家庭安全监控和报警系统变得越来越可行。通过结合无线传感器网络（WSN）和GSM技术，本问设计了一种低功耗远程家庭安全监控和报警系统，它可以用来检测盗贼、气体泄漏和火灾预警，并能发送报警信息给户主的手机。 无线传感器网络由很多小型无线传感器节点组成。通过结合三种不同的技术，例如传感器、微机电和无线通信。WSN可以检测、收集和处理其覆盖地域中的对象信息，并能发送数据给观察者。换句话说，WSN技术在大范围覆盖区域有优势，可以远程监控，高监控精度，网络建立快和成本合理。GSM网络技术的成熟度、大区域覆盖、长距离通信、声音通信效果等方面都有优势。本文提出的远程家庭安全系统结合了WSN和GSM的许多优点。首先，无论使用者在哪，一旦危险的情况在家里发生，例如气体泄漏和盗贼入侵，这个系统可以立即发送报警短信给使用者通过GSM网络，提醒人们家里可能的危险状况。第二，这种无线传感器网络，不用使用电缆，功耗低。 2.系统结构和工作原理系统结构是如图1所示。它组成的MCU基于家庭无线控制中心，一个WSN中心节点模块和几个数据手机节点、GSM模块、GSM网路和手机。WSN数据收集节点模块分别连在热电红外探测器上、温度传感器、烟雾检测和气体传感器上。当热电红外探测器发现有人非正常的入侵房子或者当温度传感器检测到室内温度过高，同时烟雾传感器检测到高浓度；或者当气体传感器检测到过高可燃气体浓度，传感器将会通过家庭控制中心建立无线传感器网络发送编码报警信号。一旦无线控制中心收到报警信号，它将会立即通过GSM模块经GSM网络送报警短信给使用者。 3.硬件的选择与设计A. 无线传感器网络节点模块家庭中这种无线传感器网络由一个中心节点模块和几个数据采集节点模块组成，执行点对多点通信模块。在不同的应用中，WSN节点信息通常是不同的。一般情况下，一个WSN节点包括四个部分：数据采集单元，数据处理单元，无线通信单元和电力单元【2】，如图示。 示例1 系统结构图 示例2 WSN节点组成框图数据采集单元由传感器和A/D转换模块组 成。在这种远程无线家庭安全系统中，一些热电红外探测器、温度传感器、烟雾传感器和气体传感器。 数据处理单元负责保存和处理由传感器收集和其他节点接收的数据。在该系统中，选择Cygnal公司的C8051F310 MCU作为数据处理单元。 无线通信单元通常由低功耗、短距离射频（RF）收发器组成。在本系统中，无线双通道芯片CC1100专作无线通信和低功耗用，以实现无线通信。C8051F310 MCU可以控制CC1100的主要工作参数，并通过SPI接口与CC1100通讯。SPI标准接口包括主输出从输入（MOSI），主输入从输出（MISO）和串行时钟（CLK）。主机CLK与从机CLK同步.CC1100可以通过SPI总线设置工作模式，读写缓存数据和状态寄存器。RF芯片通过SPI接口与MCU相连，形成一个无线通信系统可自由控制接受和发送功能。C8051F310与CC1100之间的硬件连接如图3所示【3】。CC1100的SPI接口连接CPU硬件的SPI接口。一般情况下，CC1100的GDO0或GDO2引脚可以连接到CPU的任何引脚。但如果要使用中断服务程序实现数据的收发或者无线唤醒功能时，CC1100的GDO0或GDO2引脚必须连接到CPU的输出中断引脚。使用CR2032按钮单元为WSN节点提供电源。当电压高于2.8v时，它可以提供大约200mAh的功率。该系统的数据采集节点由前面的四个单元组成。中心节点有不同，它不予传感器连接，而是通过室内无线控制中心与GSM模块连接。 示例3 C8051F310和CC1100硬件连接图B. GSM模块选择作为第三代GSM双频模块，TC35 GSM模块具有以下特点：紧凑、低功耗、支持GSM900和GSM1800双频、能为用户提供标准AT命令接口、提供数据，语音，短消息和传真的快速，可靠和安全的传输4。它因高质量的短信功能所以是这个系统的理想选择。 4、系统软件设计 系统的软件开发基于C51程序语言，有两个主要的模块，一个是用于WSN节点通信，一个用于GSM通信。A. WSN节点通信软件模块 在室内无线传感器网络，通信协议分为3层。 第一层是物理层，功能是由CC1100硬件自身实现。 第二层是网络层，应用在TEEN（阈值敏感能量高效传感器网络）协议。只有当观测值突然变化时，数据才会通过无线传感器网络传输。 第三层是应用层。在这一层，系统的应用软件分为两个模块，WSN数据采集节点软件模块和WSN中心节点软件模块。前者，工作在从机MCU的数据采集节点上，用于采集传感器和无线传输。后者，工作在主机MCU上，用于ESN中心节点，负责无线接受数据和判定是否需要开始报警进程。如果是，它将驱动TC35GSM模块用于发送报警短信息给使用者的手机。中心节点模块的软件流程如图4。数据采集节点模块的软件流程如图5。 图4 中心节点软件流程图图5 软件数据采集节点模块流程图B. GSM通信软件模块当WSN中心节点模块接收到异常数据时,驱动TC35 GSM模块通过GSM网络发送告警短消息。TC35 GSM模块支持标准AT命令集。MCU通过串口5输入不同的AT命令来控制TC35模块的运行。与短消息相关的一些GSM AT命令在表1 6中列出。短信的发送方式由GSM网络中短消息中心支持的接口。欧洲电信标准协会（ETSI）定义了三种用于发送短信的接口协议：块状模式、文本模式、PDU模式。块状模式要求手机制造商提供驱动支持。文本模式不支持中文文本7。所以至今，PDU模式成为了主要手机短信通信模式。它可以提供更强大的功能。因此，本系统应用PDU模式发送报警信息。5、原型系统的设置和测试 根据图1，在我们实验室中设置一个样本原型系统。正如提到的，选择C8051F310 MCU作为WSN中心节点模块的数据处理单元数据采集节点模块。这里C8051F310具有嵌入式温度传感器，可以检测室内温度。硬件连接后，在基于MCU的室内无线控制中心安装使用C51开发的相应软件。然后，我们可以通过改变预设温度阈值，用这个原型系统开始测试。当实际室内温度超过此设定值时，控制中心将立即触发TC35 GSM模块向我们的手机发送报警短信。通过测试过程，这个原型系统成功、有效地运行，能良好的进行通信。6、总结 本文提出了建立低功耗远程家庭安全报警系统的一种解决方案。该系统基于WSN和GSM技术，可以检测盗窃，原气气体泄漏和火灾，并远程发送报警信息。该系统的硬件包括单芯片C5081F310，无线接发送芯片CC1100以及SIMENS TC35 GSM模块。以C51语言开发的系统软件具有采集，无线收发数据的能力，并当检测到某些危险状况时，可向用户的手机发送报警短信。该系统具有可靠、易用、完善的无线、低功耗的优点，在其他领域也具有实用价值。表I 与短信息相关的AT指令AT指令指令功能AT+CSMS选择短信服务AT+CMSF设置短消息编码模式（文本模式为1，PDU模式为0）AT+CMGS发送短信AT+CSCA短信服务中心号码 参考文献1 Wu Chengdong, Zheng Jungang, Liu Daren, Xie Kun, “Study on Smart Home Network Technology Based on Wireless Sensor Network”, Academic Journal of Shenyang Jianzhu University, Vol. 21, No. 6, pp.753-756, Nov. 2005 (in Chinese)2 Ren Fengyuan, Huang Haining, Lin Chuang, “Wireless sensor network”, Journal of Software, Vol. 14, No. 7, pp.1282-1291, March, 2003 (in Chinese)3 Li Wenzhong, Duan Chaoyu, C8051F Series MCU and Short Distance Wireless Data Communication, Beijing, Beijing University of Aeronautics & Astronautics Press, 2007, pp.188-190 (in Chinese)4 Qiao Qu, Zhao Guohao, Wei Baohua, “Design of Home Safeguard System Based on GSM Technique”, Electronic Engineer, vol.32, No.11, pp.76-78, Nov.2006 (in Chinese)5 TC35 /TC37 Hardware Interface Description, Version 04. 00. 2002.6 AT Commands