基于GPRS與Zigbee技術的家庭智能安防設計

費玉潔

摘 要：針對人們對家庭安全環(huán)境監(jiān)測的需求，在傳統(tǒng)方法的基礎上提出使用Zigbee無線網(wǎng)絡傳輸技術與GPRS短信報警相結合的方式，實現(xiàn)家庭智能安防設計。系統(tǒng)分析了傳感器原理，設計了CC2530芯片工作電路，對協(xié)調器和終端節(jié)點的軟件進行了設計，并分析了軟件流程。對家庭安防領域設備的研究提出了新的方向。

關鍵詞：Zigbee 無線通信 智能安防

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（b）-0029-02

隨著經(jīng)濟的快速增長，人們生活水平的不斷提高，人們已經(jīng)不能滿足普通的居住環(huán)境，越來越重視自己的個人安全和財產(chǎn)安全，加上電器的大量使用、生活節(jié)奏的加速，火災、燃氣泄漏等安全隱患也越來越得到關注，家庭對安全方面的要求也越來越高，人防的安保措施越來越難以適應社會的要求，智能安防技術開始發(fā)展起來。

智能安防技術在很早以前就得到了人們的重視，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的普及和應用，傳感器技術和無線傳輸技術取得飛速發(fā)展并逐漸走入人們的日常生活，智能安防技術就有了突飛猛進的發(fā)展。新技術的應用可以使各種電子傳感器對居住環(huán)境進行多點監(jiān)控，一旦遇到突發(fā)情況立即向用戶報警，無論用戶身處何處都能對家庭安全狀況進行實時監(jiān)測。

該文設計了基于Zigbee無線通信技術的家庭智能安防系統(tǒng)，采用多個電子傳感器，并采用無線的組網(wǎng)方式，小范圍局域網(wǎng)和GPRS網(wǎng)絡相結合，能夠擴大監(jiān)測范圍，提高監(jiān)測能力，具有低功耗，高可靠性等優(yōu)勢，有較強的使用價值。

1 Zigbee技術介紹

Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離，低功耗的無線通信技術，主要用于傳輸控制信息，數(shù)據(jù)量相對來說比較小，特別適應于電池供電的系統(tǒng)，此外，相對于其他通信標準，Zigbee協(xié)議實現(xiàn)成本更低。

Zigbee無線網(wǎng)絡總共分為5層，有物理層（PHY）、介質訪問控制層（MAC）、網(wǎng)絡層（NWK）、應用程序支持子層（APS）、應用層（APL）。IEEE 802.15.4僅僅是定義了物理層和介質訪問控制層的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，而Zigbee協(xié)議定義了網(wǎng)絡層、應用程序支持子層及應用層的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，這就是Zigbee無線網(wǎng)絡。

Zigbee技術具有如下特點：

（1）高可靠性

對于無線通信而言，由于電磁波在傳輸過程中容易受到很多因素的干擾，所以在傳輸過程中，具有內在的不可靠性。Zigbee規(guī)范采取了一些措施來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（2）低成本、低功耗

Zigbee技術可以應用于8-bit MCU，例如TI公司推出的CC2530，每片價格在20～35元，外接幾個電阻電容構成的濾波電路和PCB天線即可實現(xiàn)節(jié)點的組網(wǎng)和構建。終端節(jié)點可以定時休眠，采用兩節(jié)5號電池即可供電半年左右。

（3）高安全性

Zigbee規(guī)范為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕梢赃x擇使用AES-128加密技術，提高了安全可靠性。

低數(shù)據(jù)速率

Zigbee主要用在短距離無線控制系統(tǒng)，傳輸少量的控制信息。

因此，Zigbee技術完全可以使用在智能安防的家庭內部網(wǎng)絡無線通信中，本系統(tǒng)選擇Zigbee技術構建內網(wǎng)也是最佳選擇。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件總體結構如圖1所示，主要是由傳感器節(jié)點、Zigbee終端節(jié)點、Zigbee協(xié)調器、GPRS短信收發(fā)模塊和電源供電部分組成，實現(xiàn)家居的消防和防盜功能。傳感器節(jié)點用于探測家居環(huán)境的狀況，Zigbee節(jié)點用于將傳感器探測的數(shù)據(jù)發(fā)送給Zigbee協(xié)調器，協(xié)調器通過GPRS短信收發(fā)模塊將家居環(huán)境中的突發(fā)情況發(fā)送給用戶手機，以便用戶及時處理緊急情況。

2.1 傳感器模塊

安裝在家居中的傳感器可以分為三個部分：

第一部分為防盜部分，主要包括人體紅外感應模塊和震動傳感器組成。震動傳感器緊貼門內安裝，當檢測到持續(xù)持續(xù)震動超過20秒，則認為是人為撬動，輸出信號為高電平，產(chǎn)生上升沿觸發(fā)。人體紅外熱釋電傳感器安裝在室內門窗口，用于檢測人體發(fā)射的紅外線，以識別是否有人在傳感器檢測范圍內活動。當有人通過門窗闖入時，傳感器產(chǎn)生電平觸發(fā)信號。

第二部分為火災檢測部分，主要包括煙霧傳感器和溫度傳感器，只有當煙霧傳感器發(fā)生動作并且檢測到室內溫度超過預設范圍時才會發(fā)生報警。

第三部分為煤氣泄漏檢測部分，使用MQ-9氣體傳感器，MQ-9氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫。采用高溫循環(huán)檢測方式檢測一氧化碳，電導率隨一氧化碳濃度增加而增大，高溫檢測可燃氣體甲烷、丙烷。使用簡單電路即可將電導率的變化轉換為高低電平輸出，在可燃氣體濃度較低時輸出為高電平，濃度高是輸出為低電平，所以可以配置為下降沿觸發(fā)。電平轉換靈敏度可以通過可調電阻調節(jié)。

2.2 無線通信模塊

本系統(tǒng)使用的無線通信模塊是Zigbee模塊，選擇TI的CC2530無線射頻收發(fā)器。CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE應用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點。CC2530 結合了領先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內可編程閃存，8-KB RAM 和許多其它強大的功能。其典型的電路如圖2所示：

從圖中可以看出除CC2530芯片外，外部需要一個32MHz的石英諧振器和兩個電容構成一個32MHz的晶振電路，用一個32.768kHz的石英諧振器和兩個電容構成一個32.768kHz的晶振電路。RF_N和RF_P引腳連接一個非平衡天線，使用電感電容組成的非平衡變壓器可使天線性能變得更好。endprint

Zigbee模塊可以配置為協(xié)調器和終端節(jié)點。使用星形網(wǎng)絡配置，網(wǎng)絡由一個協(xié)調器和多個終端節(jié)點設備組成，每個節(jié)點設備連接一個或多個傳感器，所有終端節(jié)點都與協(xié)調器通信，相互之間不通信。協(xié)調器與終端節(jié)點均采用兩節(jié)1.5V電池供電，為了使電壓穩(wěn)定并達到3.3V，系統(tǒng)使用了TPS60211穩(wěn)壓芯片將3V輸入轉換為3.3V輸出。為了與GPRS模塊通信，協(xié)調器硬件電路設計了RS232接口，使用MAX3232芯片進行電平轉換。

2.3 GPRS模塊部分

本設計采用靈旗通信的LQ1000 GPRS DTU，模塊采用先進的GPRS無線通信技術、嵌入式單片機技術和TCP/IP網(wǎng)絡通信技術，其穩(wěn)定性強、可靠性高、實時性好，是一種實現(xiàn)串口設備數(shù)據(jù)通過無線透傳到中心軟件的有力設備。GPRS模塊提供標準RS232數(shù)據(jù)接口，可以方便與Zigbee協(xié)調器連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全透明傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)在TI公司提供的Z-Stack協(xié)議棧基礎上進行程序開發(fā)，協(xié)議棧分為API（用戶接口）、HAL（硬件描述）、MAC（媒介控制）、NWK（網(wǎng)絡）、OSAL（操作系統(tǒng)）、Security（安全）、Service（服務）、ZDO（設備對象）8層。協(xié)議采用事件輪詢機制，對不同任務事件做不同的響應。當事件發(fā)生后，喚醒操作系統(tǒng)，系統(tǒng)開始中斷處理，處理完后進入休眠模式，當幾個事件同時發(fā)生時，系統(tǒng)根據(jù)事件的優(yōu)先級進行處理，這種軟件結構可以極大的降低終端節(jié)點的功耗，只有在外部中斷觸發(fā)后才會進行系統(tǒng)工作。

由于本系統(tǒng)使用的傳感器動作后均為低電平，所以使用下降沿觸發(fā)，平時為高電平，一旦有動作，產(chǎn)生按鍵中斷事件，判斷傳感器類型，調用發(fā)送函數(shù)AF_DataRequest進行信息發(fā)送。當協(xié)調器接有消息接收事件發(fā)生后，先提取消息內容，判斷傳感器類型，并通過串口輸出發(fā)送命令，使用GPRS模塊對預先設置的手機號碼發(fā)送短信，協(xié)調器和終端節(jié)點流程圖如圖3和圖4所示。

4 結語

本系統(tǒng)使用Zigbee模塊與GPRS模塊構建了一個智能家庭安防系統(tǒng)，分析了無線傳輸?shù)膬?yōu)勢，設計了CC2530及傳感器外圍電路，分析了系統(tǒng)軟件流程。利用Zigbee技術搭建了傳感器模塊與協(xié)調器之前的無線傳輸系統(tǒng)，簡化了施工布線，使用GPRS模塊將內部網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶手機，可以實時監(jiān)測家庭內部的安全狀況，可以預見這種新型家庭智能安防系統(tǒng)可以在今后社會生活中發(fā)揮重要作用，可以有效的保護人民的生命和財產(chǎn)安全。

參考文獻

[1] 李煒，張國全，方坤.算機系統(tǒng)的線纜耦合泄漏研究[J].算機工程與設計，2011（9）.

[2] 李新.于CC2530的Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點設計[J].編程控制器與工廠自動化，2011（3）.

[3] 夏飛.于Z-Stack協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點研究[J].子元器件應用，2009（12）.

[4] 馬艷崢，王盟，徐曉輝，等.基于HBS協(xié)議的智能家庭控制網(wǎng)絡設計[J].現(xiàn)代電子技術，2009（13）.

[5] 齊放.基于ZigBee的無線智能家居系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].廈門大學，2007.

[6] 陳強.基于ZigBee技術的智能家居系統(tǒng)的研究[D].武漢紡織大學，2010.

[7] 楊利亞.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡在智能家居系統(tǒng)中的應用[D].浙江工業(yè)大學，2010.endprint

Zigbee模塊可以配置為協(xié)調器和終端節(jié)點。使用星形網(wǎng)絡配置，網(wǎng)絡由一個協(xié)調器和多個終端節(jié)點設備組成，每個節(jié)點設備連接一個或多個傳感器，所有終端節(jié)點都與協(xié)調器通信，相互之間不通信。協(xié)調器與終端節(jié)點均采用兩節(jié)1.5V電池供電，為了使電壓穩(wěn)定并達到3.3V，系統(tǒng)使用了TPS60211穩(wěn)壓芯片將3V輸入轉換為3.3V輸出。為了與GPRS模塊通信，協(xié)調器硬件電路設計了RS232接口，使用MAX3232芯片進行電平轉換。

2.3 GPRS模塊部分

本設計采用靈旗通信的LQ1000 GPRS DTU，模塊采用先進的GPRS無線通信技術、嵌入式單片機技術和TCP/IP網(wǎng)絡通信技術，其穩(wěn)定性強、可靠性高、實時性好，是一種實現(xiàn)串口設備數(shù)據(jù)通過無線透傳到中心軟件的有力設備。GPRS模塊提供標準RS232數(shù)據(jù)接口，可以方便與Zigbee協(xié)調器連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全透明傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)在TI公司提供的Z-Stack協(xié)議棧基礎上進行程序開發(fā)，協(xié)議棧分為API（用戶接口）、HAL（硬件描述）、MAC（媒介控制）、NWK（網(wǎng)絡）、OSAL（操作系統(tǒng)）、Security（安全）、Service（服務）、ZDO（設備對象）8層。協(xié)議采用事件輪詢機制，對不同任務事件做不同的響應。當事件發(fā)生后，喚醒操作系統(tǒng)，系統(tǒng)開始中斷處理，處理完后進入休眠模式，當幾個事件同時發(fā)生時，系統(tǒng)根據(jù)事件的優(yōu)先級進行處理，這種軟件結構可以極大的降低終端節(jié)點的功耗，只有在外部中斷觸發(fā)后才會進行系統(tǒng)工作。

由于本系統(tǒng)使用的傳感器動作后均為低電平，所以使用下降沿觸發(fā)，平時為高電平，一旦有動作，產(chǎn)生按鍵中斷事件，判斷傳感器類型，調用發(fā)送函數(shù)AF_DataRequest進行信息發(fā)送。當協(xié)調器接有消息接收事件發(fā)生后，先提取消息內容，判斷傳感器類型，并通過串口輸出發(fā)送命令，使用GPRS模塊對預先設置的手機號碼發(fā)送短信，協(xié)調器和終端節(jié)點流程圖如圖3和圖4所示。

4 結語

本系統(tǒng)使用Zigbee模塊與GPRS模塊構建了一個智能家庭安防系統(tǒng)，分析了無線傳輸?shù)膬?yōu)勢，設計了CC2530及傳感器外圍電路，分析了系統(tǒng)軟件流程。利用Zigbee技術搭建了傳感器模塊與協(xié)調器之前的無線傳輸系統(tǒng)，簡化了施工布線，使用GPRS模塊將內部網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶手機，可以實時監(jiān)測家庭內部的安全狀況，可以預見這種新型家庭智能安防系統(tǒng)可以在今后社會生活中發(fā)揮重要作用，可以有效的保護人民的生命和財產(chǎn)安全。

參考文獻

[1] 李煒，張國全，方坤.算機系統(tǒng)的線纜耦合泄漏研究[J].算機工程與設計，2011（9）.

[2] 李新.于CC2530的Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點設計[J].編程控制器與工廠自動化，2011（3）.

[3] 夏飛.于Z-Stack協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點研究[J].子元器件應用，2009（12）.

[4] 馬艷崢，王盟，徐曉輝，等.基于HBS協(xié)議的智能家庭控制網(wǎng)絡設計[J].現(xiàn)代電子技術，2009（13）.

[5] 齊放.基于ZigBee的無線智能家居系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].廈門大學，2007.

[6] 陳強.基于ZigBee技術的智能家居系統(tǒng)的研究[D].武漢紡織大學，2010.

[7] 楊利亞.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡在智能家居系統(tǒng)中的應用[D].浙江工業(yè)大學，2010.endprint

Zigbee模塊可以配置為協(xié)調器和終端節(jié)點。使用星形網(wǎng)絡配置，網(wǎng)絡由一個協(xié)調器和多個終端節(jié)點設備組成，每個節(jié)點設備連接一個或多個傳感器，所有終端節(jié)點都與協(xié)調器通信，相互之間不通信。協(xié)調器與終端節(jié)點均采用兩節(jié)1.5V電池供電，為了使電壓穩(wěn)定并達到3.3V，系統(tǒng)使用了TPS60211穩(wěn)壓芯片將3V輸入轉換為3.3V輸出。為了與GPRS模塊通信，協(xié)調器硬件電路設計了RS232接口，使用MAX3232芯片進行電平轉換。

2.3 GPRS模塊部分

本設計采用靈旗通信的LQ1000 GPRS DTU，模塊采用先進的GPRS無線通信技術、嵌入式單片機技術和TCP/IP網(wǎng)絡通信技術，其穩(wěn)定性強、可靠性高、實時性好，是一種實現(xiàn)串口設備數(shù)據(jù)通過無線透傳到中心軟件的有力設備。GPRS模塊提供標準RS232數(shù)據(jù)接口，可以方便與Zigbee協(xié)調器連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全透明傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)在TI公司提供的Z-Stack協(xié)議棧基礎上進行程序開發(fā)，協(xié)議棧分為API（用戶接口）、HAL（硬件描述）、MAC（媒介控制）、NWK（網(wǎng)絡）、OSAL（操作系統(tǒng)）、Security（安全）、Service（服務）、ZDO（設備對象）8層。協(xié)議采用事件輪詢機制，對不同任務事件做不同的響應。當事件發(fā)生后，喚醒操作系統(tǒng)，系統(tǒng)開始中斷處理，處理完后進入休眠模式，當幾個事件同時發(fā)生時，系統(tǒng)根據(jù)事件的優(yōu)先級進行處理，這種軟件結構可以極大的降低終端節(jié)點的功耗，只有在外部中斷觸發(fā)后才會進行系統(tǒng)工作。

由于本系統(tǒng)使用的傳感器動作后均為低電平，所以使用下降沿觸發(fā)，平時為高電平，一旦有動作，產(chǎn)生按鍵中斷事件，判斷傳感器類型，調用發(fā)送函數(shù)AF_DataRequest進行信息發(fā)送。當協(xié)調器接有消息接收事件發(fā)生后，先提取消息內容，判斷傳感器類型，并通過串口輸出發(fā)送命令，使用GPRS模塊對預先設置的手機號碼發(fā)送短信，協(xié)調器和終端節(jié)點流程圖如圖3和圖4所示。

4 結語

本系統(tǒng)使用Zigbee模塊與GPRS模塊構建了一個智能家庭安防系統(tǒng)，分析了無線傳輸?shù)膬?yōu)勢，設計了CC2530及傳感器外圍電路，分析了系統(tǒng)軟件流程。利用Zigbee技術搭建了傳感器模塊與協(xié)調器之前的無線傳輸系統(tǒng)，簡化了施工布線，使用GPRS模塊將內部網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶手機，可以實時監(jiān)測家庭內部的安全狀況，可以預見這種新型家庭智能安防系統(tǒng)可以在今后社會生活中發(fā)揮重要作用，可以有效的保護人民的生命和財產(chǎn)安全。

參考文獻

[1] 李煒，張國全，方坤.算機系統(tǒng)的線纜耦合泄漏研究[J].算機工程與設計，2011（9）.

[2] 李新.于CC2530的Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點設計[J].編程控制器與工廠自動化，2011（3）.

[3] 夏飛.于Z-Stack協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點研究[J].子元器件應用，2009（12）.

[4] 馬艷崢，王盟，徐曉輝，等.基于HBS協(xié)議的智能家庭控制網(wǎng)絡設計[J].現(xiàn)代電子技術，2009（13）.

[5] 齊放.基于ZigBee的無線智能家居系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].廈門大學，2007.

[6] 陳強.基于ZigBee技術的智能家居系統(tǒng)的研究[D].武漢紡織大學，2010.

[7] 楊利亞.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡在智能家居系統(tǒng)中的應用[D].浙江工業(yè)大學，2010.endprint