基于无线传感器网络的家庭安防报警系统设计
现代化居住格局使家庭生活的封闭性越来越强，安全问题显得尤为重要。当前安全防范及报警系统是确保住宅、住户安全的极为重要的途径之一，同时也是数字化家庭的重要组成部分。遇到匪警、火警、煤气泄漏等紧急情况时，及时通过电话完成对外报警求助十分必要。
本文介绍了一种由嵌入式报警主机、无线传感器网络节点构成的智能电话报警系统。采用无线传感器网络技术，使家庭的安防传感器形成一个无线网络；利用双音多频编解码技术实现了主动拨号、语音报警及简单的电话控制；采用以S3C2410为核心处理器的嵌入式开发平台，构建了一个配置容易、功能强大、覆盖范围大的新型嵌入式报警系统。
1 系统的硬件结构和工作原理
1.1 系统的硬件结构
该系统由一个报警主机和无线传感器网络节点组成。图1是系统的总体结构简图，图中的无线通讯模块结构完全相同。报警主机由基于S3C2410的32位嵌入式微控制器的开发平台和无线通讯模块组成。报警主机与无线传感器网络节点构成星型拓扑无线网络。
利用S3C2410本身所具有的IIS接口，通过扩展UDAl341构成音频处理模块[1]，实现了两个通道的音频输入和一个通道的音频输出，报警主机通过IIS接口来交换音频数据，音频信号经过音频功率放大后由音频变压器耦合进入电话线路以尽可能减小对双音多频DTMF(DualTone Multi Frequency)信号的影响。
振铃检测模块[2]首先将电话线的信号通过整流滤波后送入S3C2410的外部中断输入端，S3C2410根据不同的铃音信号控制电话接口电路实现不同的操作，同时识别信号的类型和次数并提供给上层应用程序。当摘挂机控制模块接收到CPU发出的摘挂机控制信号时，模块中的继电器接入或断开一个300Ω电阻以实现自动摘挂机[3]。
该系统中，DTMF编解码电路采用MT88L89作为DTMF信号的编解码核心器件。远端用户的电话按键产生的DTMF信号经耦合电容的隔直流后，由MT88L89接收并进行译码，结束后由中断控制端发送中断信号，通知CPU数据准备好以备读取，MT88L89输出的四位并行二进制数据通过Local Bus与CPU相连，此时CPU可获取键值信息；CPU通过Local Bus向MT88L89依次发送要拨打的电话号码，经MT88L89转换为DTMF信号实现拨号功能。
1.2 系统的工作原理
当发生盗情、火灾、煤气泄漏等安全隐患时，传感器通过无线传感器网络向报警主机发射经数字编码的报警信号。报警主机立即发出警笛声，同时主动拨通用户预先设置的电话号码，将警情以语音的形式通知用户。语音提示用户以按键形式确认收到报警信息，智能电话报警器识别用户按键的键值后确定下一步动作。系统还具有远程布／撤防功能，即主人在身份验证后，能通过电话远程对系统进行布／撤防控制。具备被叫抢线功能，当用户家中无人、电话占线或有人从外面打入电话企图占住报警线路行窃，盗警发生时，系统会自动抢线拨号报警。
2 无线传感器网络节点设计
在不同的应用中，无线传感器网络节点的组成不尽相同，但一般都由数据采集、数据处理、数据传输和电源这四部分组成[4]。被监测物理信号的形式决定了传感器的类型。处理器通常选用嵌入式CPU，如Motorola公司的68HCl6、C51系列单片机等。数据传输单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成，如讯通公司的PTR8000、ZigBee无线模块等。图2描述了节点的组成，其中，实心箭头的方向表示数据在节点中的流动方向。
2.1 处理器
选用AT89C2051芯片作为无线传感器网络节点的处理器。并且采用I／O口模拟SPI口方式与nRF905通讯，配置存储器接口也采用I／O口模拟。
2.2 传感器
要求居家安全，应确保被监视的区域(阳台、门窗、过道、金库等)置于传感器的敏感区域内。现有的传感器产品很多，如红外热释电探头、微波多普勒效应探头、微波红外复用探头等，用于检测盗贼侵入很灵敏。离子烟感器和半导体气敏传感器用于监视火警及煤气泄漏。
2.3 无线通讯模块
外围MCU通过SPI总线配置PTR8000的内部寄存器和数据收发[5]。PTR8000的SPI总线包括四个引脚：CSN(SPl使能)、SCK(SPI时钟)、MISO(主人从出)和MOSI(主出从入)。SPI总线的每次操作都必须在使能引脚CSN的下降沿开始。CSN低电平有效，总线上的数据在时钟的上升沿有效。MCU对SPI总线的操作不外乎两种方式：读和写。在进行读操作时，先把CSN置低，然后在MOSI数据线上输出一个表示读命令的字节，与此同时，PTR8000会在：MISO数据线上输出1字节表示状态信息的数据，随后输出1字节地址，后面跟随有效数据。在进行写操作时比较简单，MCU先把CSN拉低，然后在MOSI线上输出写命令字节和数据字节即可。
2.4 电源
在该系统中，nRF905为低电压器件，电压要求为3.3V，为了与之接口，AT89C2051也工作在3.3V(AT89C2051是宽电压器件)电压下。该系统用+5V电源供电，经过板上LT1117-3.3V转换得到3.3V电源。
3 报警主机的设计
在该系统中，报警主机作为连接公共电话网(PSTN)和无线传感器网络之间的协议转换网关。其硬件采用优龙FS2410的核心板，并根据需要重新设计了外设板。FS2410核心板上集成了ARM9 2410处理器、64MB SDRAM、64MB NAND FLASH、2MB NOR FLASH以及以太网控制器，为软件开发提供了足够的空间。
