智能家居無線短信安防系統的設計

CY6936是賽普拉斯(Cypress)公司最新推出的低成本高集成射頻片上系統，它提供了針對低速、低成本的Wireless USB串口SPI到射頻發射的調制解調方案。其主要特點有：工作在ISM(工業、科學、醫療公共頻段)；10m以上的全方向傳輸范圍；數據傳輸率達到1Mbps；具有數據傳輸速率高達4M的SPI微機接口；靜態工作電流低于1mA；工作電壓范圍為1.8V至3.6V。CY6936非常適合用于中低速率、低成本、低功耗的無線數據采集系統之中。

PSoC(Programmable System on Chip)芯片是賽普拉斯公司推出一種可編程片上系統，它將一個8位微控制器與可編程數字陣列、可編程模擬陣列集成在一個芯片上，也稱為可配置型混合信號陣列。PSoC為消費類產品、工業、辦公自動化、電信和汽車領域應用提供了具有嵌入式控制功能的高性能現場可編程單片系統。

本文基于PSoC芯片和CY6936無線收發模塊設計了一個智能家居短信安防系統，實現了安防傳感器節點和GPRS網關之間的無線通信，系統能夠用短信的方式方便、快捷、廉價地對居室中的各種緊急情況進行報警。在系統設計中始終遵循低成本、低功耗、電路簡單、使用方便的原則。該系統具有如下特點：安防傳感器節點采用電池供電，實現了低功耗設計，且可以在家庭中隨意放置；家中的安防報警信息可以通過短信及時通知主人或物業管理人員；設計了一個緊急報警按鍵，方便家人在緊急情況下的報警；設計了鍵盤和顯示器等人機接口，用戶可以修改短信報警電話號碼、修改密碼等；為了保證家中信息安全，系統設計了密鑰及密鑰發布和管理。

整體設計方案及芯片選擇

系統整體設計方案如圖1a所示。該系統主要分兩部分：無線網絡節點和GSM/GPRS網關。系統中包含三個節點：門磁防盜節點、紅外防盜節點和火災報警節點。

圖1：(a) 智能家居無線短信安防系統整體設計方案；(b) GSM/GPRS網關設計方案。

系統設計中的核心芯片均選用塞普拉斯公司的PSoC芯片，分別是CY8C21534和CY8C29466。其中，CY8C21534專門用于電容傳感器按鍵信號的處理，CY8C29466是GSM/GPRS無線網關的核心芯片和各節點的傳感器信號處理芯片。

GSM/GPRS網關設計

1. 整體方案

GSM/GPRS網關設計方案如圖1b所示。PSoC芯片和CY6936無線收發模塊是網關的核心。CY6936無線收發模塊接收來自各節點的傳感器信息，并將接收的傳感器信息發送給PSoC芯片。PSoC芯片將各節點的信息顯示在LCD液晶上，并通過LED和蜂鳴器為家內用戶提供警示，然后將報警信息通過串口發送給GSM/GPRS模塊，最終發送給遠程用戶。

此外，還根據需要為網關設計了44的觸摸式按鍵，用于修改網關的電子密碼以及報警手機號，并設計了一個緊急報警按鍵。按鍵的信息經CY8C21534處理后發送給CY8C29466。

2. 軟件設計

軟件設計工具：PSoC Designer是PSoC的傳統軟件開發環境，它是一款功能全面的基于圖形用戶接口(GUI)的設計工具套件。該軟件提供豐富的模擬和數字器件模塊(如PGA、ADC、DAC、濾波器、比較器、定時器、計數器、PWM、SPI和UART等)，用戶選擇器件模塊后，放置到可編程模擬和數字模塊陣列中，進行配置和連線后，即可完成系統設計。在PSoC Designer環境下，用戶可以采用單獨C語言或匯編語言編程，也可以采用C語言和匯編語言二者的結合來編程。PSoC Designer提供單步進、事件觸發器和多斷點對設計進行調試。

用戶模塊設計：采用PSoC Designer 4.3作為開發工具，在設計中采用了CSR、LCD、SPIM、SPIS等用戶模塊。

節點設計方案

系統中的節點設計均采用統一的設計方案(如圖2所示)。采用無線收發模塊和PSoC芯片組成無線網絡節點，無線收發模塊負責節點和網關之間的通信，PSoC芯片負責處理和分析傳感器的信息。

圖2：節點設計方案。

門磁防盜節點采用MC31門磁傳感器，該傳感器無需外部供電，根據磁鐵距離干簧管的遠近輸出一個開關量，閥值是16mm。設計中還對PSoC芯片的供電電壓采用升壓泵技術，只要外界電壓超過1V，電路就可以正常工作，從而有助電路的長時間穩定工作。


紅外防盜節點采用紅外熱釋電傳感器LHI968，工作電壓為2~15V，輸出信號幅度為1mV左右，頻率為1Hz。該傳感器可以監測外界熱源物體(如人體或人體的某部位)的經過。針對該傳感器信號的微弱性，一般的設計思路是使用專用處理芯片(如BISS0001)處理傳感器信號，這種方案輸出信號穩定、反應靈敏，但是外部電路復雜、耗電量大、成本也較高。本文的設計不使用專用處理芯片來處理傳感器信號，而是由PSoC芯片直接處理，這種方法大大簡化了電路設計，減小了功耗并節省了成本。


火災報警節點同時使用溫度傳感器LM35和紅外接收管進行監測。溫度傳感器測量環境溫度、紅外接收管監測火光和熱源。這種設計方案簡單、成本低廉，適合在家庭中使用。

本文小結

本文介紹了一個基于賽普拉斯公司CY6836無線收發器設計的智能家居安防系統。該系統采用無線連接方式和短信報警技術，設計了友好的人機界面，并采用了電容式觸摸感應按鍵。節點設計采用統一的設計方案。設計中使用了多種降低功耗、減少成本、簡化設計的方法。經過調試和實際使用驗證，系統工作穩定，很好地實現了預想的各項功能。