基于ZigBee的家庭安全監控系統研究

王步洲，陳寧坡, 李 妍，李朝陽, 蔡凌云

(1. 東旭集團有限公司，河北石家莊 050000;2.河北科技大學信息科學與工程學院，河北石家莊 050018；3.河北工業大學計算機科學與軟件學院，天津 300401)

基于ZigBee的家庭安全監控系統研究

王步洲1，陳寧坡2, 李 妍3，李朝陽1, 蔡凌云2

(1. 東旭集團有限公司，河北石家莊 050000;2.河北科技大學信息科學與工程學院，河北石家莊 050018；3.河北工業大學計算機科學與軟件學院，天津 300401)

通過對家庭安全監控系統需求的分析，設計了一種基于ZigBee技術的家庭安全監控系統。分析了家庭安全監控系統的特點，給出了ZigBee網絡組建方法和系統的軟硬件設計，并介紹了ZigBee網關的實現方法和硬件設計，完成對家庭安全監控系統的搭建。實驗驗證本系統穩定性強，使用靈活方便，可以實現家庭安全的實時監控，保障家庭安全。

安全監控；ZigBee；組網；STM32W108；網關

當今人們的安全意識逐漸提高，越來越多的人們，尤其是上班族和經常出差的人開始考慮安裝家庭安全監控系統。家庭安全監控系統的關鍵技術是傳感器的準確性和網絡通信的穩定性。由于科技的進步，單一的報警傳感器的誤報率極低，但只能滿足單一化的場地需求，對于多元化的家庭安全監控來說，還是達不到安全監控的目標。家庭安全監控系統的通信方式大致分為有線和無線兩種。有線方式有電力載波通信、總線網絡等，這種方式由于其準確、可靠，得到大多數人的認可，但其存在安裝布線和拆卸的不方便以及價格昂貴等缺點。隨著科技的發展，無線通信的可靠性大大提高，人們開始考慮采用無線的方式進行信息傳輸。無線方式有藍牙( Bluetooth)，WiFi，ZigBee，無線USB，UWB及紅外等。無線方式的優點在于無需布線，節省資源，能夠降低施工難度。在各種無線通信標準中，ZigBee技術的低功耗、容量大、安全性、組網方便等諸多優勢，使其在激烈的競爭中脫穎而出。

基于以上描述，提出一種采用ZigBee技術組網的家庭安全監控系統，通過無線通信方式連接各種檢測傳感器[1]，經過網關將數據信息傳至遠端，實現家庭遠程監控。

1 ZigBee無線網絡組建

1.1家庭監控ZigBee網絡拓撲的選擇[2-3]

ZigBee網絡的拓撲主要有星型、網型和簇樹型結構。

分析家庭安全監控系統的需求如下：1)家庭安全監控系統整體應采用低功耗器件，為了減少供電線的限制，可用高容量鋰電池供電，所以應盡量減少終端節點的工作量，節約終端節點用電；2)家庭安全監控系統中外接的傳感器主要是開關量信號，網絡中傳輸處理數據量不大，不必采用復雜的網絡拓撲來保證數據通信的可靠性；3)家庭安全監控系統控制網絡的設計不需要很大的覆蓋范圍，根據ZigBee的標準說明，空曠環境傳輸距離為90～100 m，在室內有墻壁等障礙物的環境一般也能達到30～70 m的覆蓋距離，這已經滿足了大多數的家庭安全監控系統的需求。

通過上述分析，采用星型網絡拓撲結構完全能滿足家庭安全監控系統要求，并且成本低廉、實現簡單、連接容易、容易擴充和管理、不涉及路由尋址等特點。星型網絡拓撲結構由一個協調器節點(主設備)和一個或多個終端設備(從設備)組成，主設備和從設備網絡標示符一致。

1.2采用ZigBee網絡協議組建網絡

在無線模塊組成的網絡中，一個ZigBee無線模塊稱為一個節點。在ZigBee網絡存在3類節點，分別是協調器節點、路由節點以及終端節點。ZigBee協議棧構建在IEEE 802.15.4標準基礎之上，IEEE 802.15.4標準定義了物理層和MAC層。每個ZigBee節點都有一個唯一的8字節 MAC 地址。因此家庭安全監控系統使用MAC地址作為網絡地址進行尋址即可[4]。

2 系統方案設計

家庭安全監控系統由各類檢測傳感器模塊、報警模塊、ZigBee通信模塊以及網關等組成。每個檢測傳感器模塊和報警模塊與ZigBee通信模塊相連作為終端節點，網關與ZigBee通信模塊相連作為協調器節點并負責將采集到的終端節點的數據發送至遠程客戶端。按照上述的方法組成星型網絡，用戶可以通過無線遙控或遠程客戶端對家庭環境進行布防、撤防，各類檢測傳感器實時探測相應的家庭安全情況，例如入侵事件或意外情況、發生異常事件(如非法入侵、煤氣泄漏等)，檢測傳感器可立即通過ZigBee無線模塊傳至遠程客戶端并發出警報[5]。

本系統可以完成：1)實時檢測入侵事件，例如門窗異常開啟或室內異常人體活動；2)實時檢測家內安全情況，例如火災引起的煙霧檢測或一氧化碳/天然氣泄漏檢測；3)遠程和現場報警相結合，現場的聲光報警，遠程的短信/電話報警，并可以根據需要接通相關的報警電話；4)異常事件發生時可觸發攝像機錄像并存儲至云平臺，做好圖像證據記錄；5)通過云平臺遠程視頻查看家里狀況；6)使用遙控器或遠程客戶端一鍵設置布防/撤防。家庭安全監控系統的結構如圖1所示。

圖1 家庭安全監控系統結構圖Fig.1 Structural drawing of home security monitoring system

3 系統硬件設計

家庭安全監控系統硬件由處理器模塊、檢測傳感器模塊、無線通信模塊、電源模塊、報警模塊、網關模塊和網絡攝像頭7個模塊組成。

處理器模塊和無線通信模塊均采用意法半導體(ST)公司推出的STM32W108無線射頻WSN/ZigBee單片機。STM32W108是一個基于ARM Cortex-M3內核的MCU與2.4 GHz基于IEEE 802.15.4標準的無線射頻(RF)結合的SoC，內部既有強大的MCU通用資源和外設，也有特殊的射頻模塊。片上系統STM32W108具有MCU一般的通用外設，例如GPIO、通用定時器、串行接口、中斷等，所以無需額外加MCU對系統進行數據處理。處理器模塊負責控制整個節點的數據處理操作、路由協議、功耗管理、任務管理和實現網絡安全可靠的通信協議。無線通信模塊負責與其他節點進行無線通信，交換控制消息和收發數據。

檢測傳感器模塊包括各類安全檢測傳感器，例如門磁/窗磁開關、人體熱釋電紅外傳感器、煙霧探測器、一氧化碳探測器、震動傳感器以及網絡攝像頭等。檢測傳感器模塊主要負責監測區域內信息的采集并將各種傳感器采集的信號轉變為數字信號傳送給處理器模塊。

報警模塊包括聲光報警器和GSM短信/電話報警。報警模塊負責接收傳感器模塊的信息，提供遠程報警和現場報警。

電源模塊可用高容量鋰電池供電，但要注意STM32W108內部是+3.3 V供電電壓，需要添加電壓轉換電路，以保證在終端節點STM32W108與傳感器同時工作。電源模塊負責為節點的各個功能模塊供電。

各類檢測傳感器通過GPIO與STM32W108相連；便攜遙控器連接STM32W108的中斷引腳，用于對家庭環境進行布防、撤防設置；網絡攝像頭、GSM模塊通過串口與STM32W108進行通信。系統硬件連接框圖以熱釋電紅外傳感器為例，如圖2所示。

圖2 熱釋電紅外傳感器硬件連接框圖Fig.2 Hardware connection diagram of pyroelectric infrared sensor

4 ZigBee網關設計

網關控制部分用于完成對ZigBee協議數據打包，從數據包中提取有效信息，并轉化成Internet協議數據，也就是TCP/IP數據包數據，通過UDP方式或TCP方式經過有線或3G無線路由器傳給遠程客戶端，完成整個網絡的數據傳輸[6]。

為實現ZigBee向以太網協議數據轉換，該部分采用以太網控制芯片和MCU控制來實現，以太網芯片采用WIZnet系列的W5300以太網芯片來實現，該芯片支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，IGMP，ARP和PPPoE等全部通信協議并能夠高性能實現數據通信。W5300支持16位數據總線和8位數據總線，對寄存器訪問模式支持直接和間接訪問操作，用戶可以使用8個獨立的SCOKET端口進行高速數據通信，W5300與主機(MCU)采用總線接口方式，通過直接訪問方式或間接訪問方式，W5300與主機接口實現通信非常容易。而采用總線訪問的好處就是一旦配置好之后讀寫控制及數據都是FSMC自動控制的。當向地址總線所代表的地址上寫數據時，FSMC就會自動執行一個向W5300寫的操作，其對應的主控芯片的WE，RD這些腳就會呈現出寫的時序出來，因而就執行了一次讀或寫的操作，就如訪問內部RAM一樣。

由于直接尋址模式比間接尋址模式具有更高的訪問速度，本設計采用直接地址訪問方式，采用ST系列的STM32F207ZGT6單片機作為主控芯片，該單片機具有6路同步或異步串行口并支持26位FSMC地址和16位數據總線，總線長度可根據需求靈活配置，設計采用STM32F207ZGT6地址總線AD[0：9]和W5300的地址總線AD[0：9]相連，數據總線DATA[0：15]和W5300的數據總線DATA[0：15]相連，其他控制信號相互連接，電路設計如圖3所示。

圖3 網關硬件連接圖Fig.3 Hardware connection diagram of gateway

各路ZigBee中心站點通過射頻單片機STM32W108串口和主控CPU STM32F207ZGT6串口相連，主控CPU接收到ZigBee中心站點發來的數據后，將數據通過地址數據總線控制寫入以太網控制芯片W5300，同時W5300接收到網絡傳輸過來的數據后，傳送給主控CPU，CPU便執行一次讀時序操作并將讀到的數據傳遞給相應的ZigBee中心站點[7-8]，從而完成ZigBee協議數據向以太網協議數據的轉換。

每個ZigBee中心站點可接入一個家庭用戶，每一個用戶可對應一路SCOKET或多路SCOKET進行通信，這樣就構成了具有強大承載能力的網關數據通信功能。

5 系統軟件設計

本系統軟件開發環境采用IAR System公司的IAR embedded workbench for ARM(EWARM)集成開發環境。EWARM是IAR目前發展很快的產品，編譯器還可針對一種SoC芯片進行專門優化[9]。

本系統組建的家庭網絡采用星型拓撲結構。ZigBee終端節點負責采集終端設備數據，接收來自協調器的命令并執行，將數據匯報給協調器，協調器將數據處理打包傳遞給網關，網關部分將數據打包成TCP/IP協議數據包傳遞給網絡服務端，進而實現遠程監控；協調器也可以控制GSM模塊進行短信/電話報警；遠程客戶端也可以通過網絡控制家庭監控系統的布防、撤防，并通過網絡攝像頭監控家里的情況[10]。其終端節點的主流程圖和中斷流程圖如圖4所示，協調器節點的主流程圖和中斷流程圖如圖5所示。

圖4 終端節點的主流程圖和中斷流程圖Fig.4 Flow chart of main program and interrupt process of the end device

圖5 協調器節點的主流程圖和中斷流程圖Fig.5 Flow chart of main program and interrupt process of the coordinator

6 結 語

本研究提出并完成一種基于ZigBee的家庭安全監控系統設計，分別從ZigBee組網設計、系統方案設計、硬件設計、軟件設計以及網關等方面深入ZigBee技術在該系統中的應用。采用具有MCU與2.4 GHz無線射頻結合的SoC-STM32W108作為系統的處理器和無線傳輸模塊，實現了快速率、低成本、低功耗的無線網絡通信。通過將傳統檢測傳感器與無線模塊相連成為終端節點，協調器接收數據后經過網關傳至遠程客戶端，終端節點自由加入網絡，從而實現靈活、便捷的家庭安全監控系統。

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Research of ZigBee-based home security monitoring system

WANG Buzhou1， CHEN Ningpo2， LI Yan3, LI Chaoyang1， CAI Lingyun2

(1.Dongxu Group Company Limited, Shijiazhuang Hebei 050000, China; 2.School of Information Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China;3.School of Computer Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)

Through analysis of the requirement for home security monitoring system, a home security monitoring system design based on ZigBee technology is provided. The characteristics of home security monitoring systems are analyzed, then the construction method of ZigBee network and hardware and software design are realized. The implementation method and hardware design of ZigBee gateway are also introduced. Experiment results show that the system can achieve and guarantee real-time monitoring of home security, and it has strong stability and is convenient to use.

security monitoring; ZigBee; networking; STM32W108; gateway

1008-1534(2013)04-0257-05

TP277

A

10.7535/hbgykj.2013yx0409

2013-04-01；

2013-05-04

責任編輯：陳書欣

地震科技星火計劃(XH12005Y)

王步洲(1977-)，男，河北冀州人，工程師，主要從事機電一體化設備方面的研究。

陳寧坡。E-mail:chenningpo3@163.com