基于ZigBee/SCS智能家居安防監控系統設計

楊慧

摘 要：智能家居安防系統網絡在網絡傳輸質量，傳輸速度，網絡安全以及移動性與靈活性上有很高的要求，基于這些特點設計ZigBee/SCS智能家居安防監控系統。該系統網絡采用無線網絡與有線網絡，系統無線家庭網絡部分選用ZigBee網絡，有線網絡部分系統選用SCS雙總線協議網絡。重點對系統的網關，協調節點，終端硬件電路與系統軟件部分進行了設計，實現安防監控系統網絡的穩定、快速、安全通信 。

關鍵詞：ZigBee;SCS;網關;安防監控

中圖分類號：TP393 ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? 文章編號：2095-1302（2014）11-00-03

0 ?引 ?言

智能家居是以住宅為平臺安裝有智能家居系統的居住環境。在智能家居系統中安防監控技術在可視對講，防盜報警，家庭監控，小區一卡通等領域都有廣泛的應用。根據不同的家庭建筑情況，智能家居系統可采取不同的家庭網絡設計，對于已經裝修過的建筑可以采取無線自動控制系統，而未裝修的建筑，可以采取無線與有線相結合的控制方法，這樣彌補了無線不穩定等問題。

1 ?系統構建概述

安防監控報警系統針對非法闖入、火災險情、煤氣泄漏、水管泄漏、電路故障等危險狀況進行緊急求助與報警。該安防監控系統重點闡述三個設計：ZigBee/SCS智能網關，ZigBee無線家庭網絡以及安防終端設計。ZigBee/SCS智能網關連接ZigBee無線和SCS總線系統，可以使無線控制器控制SCS總線設備。ZigBee無線家庭網絡是無線局域網，主要由ZigBee終端節點和ZigBee協調節點組成。用戶通過無線網絡把查詢和控制信息發送給智能網關，智能網關對接收到的信息進行處理，進而發送給協調器，協調器根據接收的信息地址，最終把指令信息發送給ZigBee終端節點，實現對智能家居系統的安防監測。此外，ZigBee/SCS智能網關具有語音識別單元，通過語音識別功能可以實現智能家居設備的語音控制。圖1為智能家居系統結構圖。

2 ?系統硬件設計

2.1 ?安防監控網關設計

安防監控網關是該系統的核心設計，是外網和家庭內部ZigBee網絡的一個節點。系統設計的是基于SCS協議的ZigBee/SCS智能網關，該網關主要接收采集節點，安防節點，控制節點傳輸過來的數據，并對其進行轉換，同時對外網傳來的數據信息進行轉發以及傳遞采集節點的數據，把SCS協議或ZigBee協議轉換到TCP協議。該ZigBee/SCS智能網關可以連接到ZigBee無線系統和SCS總線系統，在智能家居實際實施過程中，在該網關的作用下，可以實現無線電控制器控制結構化布線系統（SCS）執行器，同時結構化布線系統（SCS）控制器能夠控制無線電ZigBee調光器開關。

圖1 ?系統結構圖

網關的硬件電路主要有7個部分組成，分別是控制器模塊ARM9處理器，64 MB的存儲單元NAND FLASH和64MB SDRAM，ZigBee模塊（ZigBee協調器CC2530），LCD顯示模塊，JTAG調試接口模塊以及SCS/BUS接口模塊。圖2為安防監控網關硬件電路結構框圖。

圖2 ?安防監控網關硬件電路結構框圖

安防監控網關設計的核心是控制器的選擇，該設計選擇ARM9芯片（S3C2440A）作為主控制器，它是以ARM920T為核心的RISC微處理器。該處理器集成了外部存儲控制器，中斷控制器，LCD控制器，DMA控制器，時鐘和電源管理等豐富資源。同時，通過外擴存儲器，串口，JTAG調試接口和SCS/SCS接口等構成硬件開發平臺。

SCS-BUS是指結構化布線/總線系統，SCS（Sistema Cablaggio Semplificato，簡化布線系統）是一個現場總線網絡協議，目前在Bticino和羅格朗得到廣泛的應用。SCS總線基于護套雙絞線，可以調制4種不同的信號：電力供應信號、數據信號、音頻信號、視頻信號。其傳輸控制協議是CSMA/CA（載波偵聽/碰撞避免）。該網關是雙向的，他們將SCS幀轉化為OpenWebNet幀，相反，開放協議OpenWebNet讓大家來構建軟件與SCS interact設備。SCS協議是一種專有Bticino協議。與其他現場總線交互必須僅使用OpenWebNet編寫軟件。

ZigBee模塊選擇CC2530作為射頻收發器，完成與主控制器之間的數據通信。CC2530 芯片是2.4 GHz的片上系統，建立在基于IEEE 802.15.4標準協議上面，或是專門的網絡協議上面。CC2530模塊大致可以分為CPU 和內存相關的模塊，外設、時鐘和電源管理相關的模塊，無線電相關的模塊。此外，CC2530提供了一個IEEE 802.15.4兼容無線收發器，RF內核控制模擬無線模塊。

系統無線網絡部分，主控制器通過串口與無線收發模塊CC2530連接，同時對無線模塊進行相應的設置，并對采集節點，安防節點，控制節點的數據信息接收與處理。有線設計部分，實在網關硬件平臺外擴一個SCS接口，實現與終端設備的連接，進行數據采集，傳輸數據，主控機根據接收到的信息進行控制。

2.2 ?協調節點設計

ZigBee網絡的根本是充當多個網絡之間的橋梁，每個網絡必須有一個協調器，可以存儲其所屬網絡的信息，并且充當安全鍵的保險裝置。該系統中ZigBee/SCS網關的協調器必須是ZigBee協調器。

本系統協調節點選擇無線片上系統設計的CC2530射頻芯片作為ZigBee芯片，該芯片集成了系統所需要的一般基本電路，只需設計簡單的外圍電路就可以實現系統的無線收發功能。圖3為協調節點結構圖。

圖3 ?協調節點結構圖

2.3 ?終端硬件電路設計

安防監控報警模塊通過布置在室內外的安防傳感器來探測警報事件，由智能家居管理終端向用戶和小區保安系統發出報警信息。安防傳感器主要有門磁、窗磁、煤氣泄露傳感器、煙霧傳感器、紅外探頭等。

采用的技術路線：無線部分采用ZigBee芯片作為安防傳感器的執行器，安防傳感器通過ZigBee網絡實現與智能家居管理終端的通信。有線部分智能家居管理終端可以通過SCS口連接來實現。ZigBee網絡終端節點設備定時上傳安防傳感器的參數，通過智能家居管理終端可以查詢安防傳感器的工作狀態和警報信息。圖4為安防監控系統終端管理硬件結構圖。

圖4 ?安防監控終端系統硬件結構圖

控制器S3C2440A核心板是智能家居管理終端的中央控制器，負責分析處理各功能模塊傳輸的數據，并作出相應的決策來實現智能家居系統的各項功能。底板上的電源和復位模塊負責為核心板和各功能模塊提供工作電壓，復位電路使管理終端穩定可靠的工作。下載調試接口負責智能家居管理終端軟件操作系統的定制、安裝和應用程序的下載調試。ZigBee模塊作為協調器負責組建ZigBee網絡，實現與各種智能家電和安防傳感器之間的通信。SD卡可以作為事件記錄。監控設備可以是多個網絡攝像頭，通過網線與路由器相連接，在對其進項相關設置。LCD觸摸顯示屏和音頻模塊組合可以實現家居安防里的可視對講分機的功能。智能家居管理終端本地控制的功能是通過LCD觸摸顯示屏來實現的。WiFi模塊、GPRS模塊和SCS模塊使智能家居管理終端可以通過無線和有線網絡，實現音頻視頻圖像傳輸和遠程控制。

3 ?系統軟件設計

3.1 ?安防監控網關主要程序設計

安防監控網關連接外網和家庭內部ZigBee網絡，進行不同的協議轉換，確保不同的網絡之間能夠正常通信。在本系統中ZigBee/SCS智能網關把SCS協議或ZigBee協議轉換成TCP/IP協議。采集節點將監控的信息進行打包處理，包括該節點的地址信息與檢測到的數據信息，無線部分以ZigBee幀的方式發送給ZigBee/SCS網關節點，有線部分將SCS幀轉化為OpenWebNet幀，網關節點接收到信息后，對原始數據進行處理，接著再以以TCP/IP協議進行打包處理。圖5為安防監控網關主程序流程圖。

圖5 ?安防監控網關主程序流程圖

在硬件平臺的基礎上，首先對硬件進行上電操作，啟動實時操作系統Linux，同時對應用程序進行初始化。安防監控網關起初是處于監聽網絡狀態，當有數據信息轉發過來時，將進入中斷處理狀態。如果數據來自ZigBee網絡節點，則對數據進行處理，同時顯示節點數據，進行存儲打包發給外網，最終回到監聽網絡狀態。如果數據是SCS數據，則執行指令信息，把安防監測信息發送給主機，與ZigBee數據信息一樣，最終回歸到監聽網絡狀態。

3.2 ?ZigBee協調節點入網設計

協調節點能夠成功通信的條件是協調節點建立的新網絡在可用的信道上，即空閑信道上。圖6為協調節點的入網設計主程序流程圖。首先對節點進行上電操作，硬件進行初始化，同時要求協議棧進行初始化。協調節點通過掃描搜索可用信道嘗試建立新的網絡。在射頻單元搜索過程中，如果有任何一個ZigBee網絡在該信道上，協調節點將認為該信道已經被占用，為不可用信道。協調節點將重復此過程直到搜索到可用信道。成功建立新的網絡后，節點將進入監聽網絡狀態。當終端節點發送入網請求時，將產生中斷，判斷是否為安防監測終端數據，如果是將進行數據數據轉發與處理，協調節點最終回歸于監聽網絡狀態。

3.3 ?安防監控終端入網設計

終端節點需要完成兩項工作，一是網絡之間的通信，二是對終端設備進行操作。在終端節點中，采集節點需要采集家庭安防數據信息，再發送給協調節點，同時接收處理發送給它的查詢信息。控制節點在接收到控制命令后對家電進行控制，同時也要完成射頻信息接收的工作，這要求設備操作與網絡通信之間建立連接。安防節點相對簡單一些，只需要在規定的時間內進行安防數據采集與發送。進行終端節點操作時已經確定終端節點的網絡了，因此，終端節點進行上電操作與系統初始化后，開始搜尋ZigBee無線網絡，直至確認無線網絡所載的信道，否則將重復進行搜尋過程。申請加入網絡，入網成功后，終端節點將進行發送數據與接收命令。

圖6 ?協調節點入網主程序設計

4 ?結 ?語

設計的智能家居安防監控系統是針對家庭住宅未裝修的情況，它采取無線網絡與有線網絡相結合的方法，實現安防監控功能。該系統是以ARM9為硬件平臺，Linux為實時操作系統，SCS協議為智能家居總線協議，ZigBee/SCS為智能網關，將家庭內部無線傳感采集節點采集的安防數據信息發送到控制主機，實現了對非法闖入，火災險情，電路故障等狀況的實時監測。該設計可以使安防監控報警系統獲得穩定的網絡通信，同時該系統在實際布線過程中可實現無線電控制器與SCS（結構化布線系統）執行器的相互控制，對智能家居系統的發展與建設有重要的意義。

參考文獻

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[2]敖志剛.智能家庭網絡及其控制技術[M].北京：人民郵電出版社，2011.

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[9] Chen Bo， Wu Ming-guang， Yao Shuai， et al. ZigBee Technology and Its Application on Wireless Meter-reading System[A].Industrial Informatics，2006 IEEE International Conference[C]，2006：1257-1260.

[10]鐘建國. 基于Internet的智能家居控制終端的設計與實現[J]. 現代電子技術，2008，31（16）：109-115.

圖3 ?協調節點結構圖

2.3 ?終端硬件電路設計

安防監控報警模塊通過布置在室內外的安防傳感器來探測警報事件，由智能家居管理終端向用戶和小區保安系統發出報警信息。安防傳感器主要有門磁、窗磁、煤氣泄露傳感器、煙霧傳感器、紅外探頭等。

采用的技術路線：無線部分采用ZigBee芯片作為安防傳感器的執行器，安防傳感器通過ZigBee網絡實現與智能家居管理終端的通信。有線部分智能家居管理終端可以通過SCS口連接來實現。ZigBee網絡終端節點設備定時上傳安防傳感器的參數，通過智能家居管理終端可以查詢安防傳感器的工作狀態和警報信息。圖4為安防監控系統終端管理硬件結構圖。

圖4 ?安防監控終端系統硬件結構圖

控制器S3C2440A核心板是智能家居管理終端的中央控制器，負責分析處理各功能模塊傳輸的數據，并作出相應的決策來實現智能家居系統的各項功能。底板上的電源和復位模塊負責為核心板和各功能模塊提供工作電壓，復位電路使管理終端穩定可靠的工作。下載調試接口負責智能家居管理終端軟件操作系統的定制、安裝和應用程序的下載調試。ZigBee模塊作為協調器負責組建ZigBee網絡，實現與各種智能家電和安防傳感器之間的通信。SD卡可以作為事件記錄。監控設備可以是多個網絡攝像頭，通過網線與路由器相連接，在對其進項相關設置。LCD觸摸顯示屏和音頻模塊組合可以實現家居安防里的可視對講分機的功能。智能家居管理終端本地控制的功能是通過LCD觸摸顯示屏來實現的。WiFi模塊、GPRS模塊和SCS模塊使智能家居管理終端可以通過無線和有線網絡，實現音頻視頻圖像傳輸和遠程控制。

3 ?系統軟件設計

3.1 ?安防監控網關主要程序設計

安防監控網關連接外網和家庭內部ZigBee網絡，進行不同的協議轉換，確保不同的網絡之間能夠正常通信。在本系統中ZigBee/SCS智能網關把SCS協議或ZigBee協議轉換成TCP/IP協議。采集節點將監控的信息進行打包處理，包括該節點的地址信息與檢測到的數據信息，無線部分以ZigBee幀的方式發送給ZigBee/SCS網關節點，有線部分將SCS幀轉化為OpenWebNet幀，網關節點接收到信息后，對原始數據進行處理，接著再以以TCP/IP協議進行打包處理。圖5為安防監控網關主程序流程圖。

圖5 ?安防監控網關主程序流程圖

在硬件平臺的基礎上，首先對硬件進行上電操作，啟動實時操作系統Linux，同時對應用程序進行初始化。安防監控網關起初是處于監聽網絡狀態，當有數據信息轉發過來時，將進入中斷處理狀態。如果數據來自ZigBee網絡節點，則對數據進行處理，同時顯示節點數據，進行存儲打包發給外網，最終回到監聽網絡狀態。如果數據是SCS數據，則執行指令信息，把安防監測信息發送給主機，與ZigBee數據信息一樣，最終回歸到監聽網絡狀態。

3.2 ?ZigBee協調節點入網設計

協調節點能夠成功通信的條件是協調節點建立的新網絡在可用的信道上，即空閑信道上。圖6為協調節點的入網設計主程序流程圖。首先對節點進行上電操作，硬件進行初始化，同時要求協議棧進行初始化。協調節點通過掃描搜索可用信道嘗試建立新的網絡。在射頻單元搜索過程中，如果有任何一個ZigBee網絡在該信道上，協調節點將認為該信道已經被占用，為不可用信道。協調節點將重復此過程直到搜索到可用信道。成功建立新的網絡后，節點將進入監聽網絡狀態。當終端節點發送入網請求時，將產生中斷，判斷是否為安防監測終端數據，如果是將進行數據數據轉發與處理，協調節點最終回歸于監聽網絡狀態。

3.3 ?安防監控終端入網設計

終端節點需要完成兩項工作，一是網絡之間的通信，二是對終端設備進行操作。在終端節點中，采集節點需要采集家庭安防數據信息，再發送給協調節點，同時接收處理發送給它的查詢信息。控制節點在接收到控制命令后對家電進行控制，同時也要完成射頻信息接收的工作，這要求設備操作與網絡通信之間建立連接。安防節點相對簡單一些，只需要在規定的時間內進行安防數據采集與發送。進行終端節點操作時已經確定終端節點的網絡了，因此，終端節點進行上電操作與系統初始化后，開始搜尋ZigBee無線網絡，直至確認無線網絡所載的信道，否則將重復進行搜尋過程。申請加入網絡，入網成功后，終端節點將進行發送數據與接收命令。

圖6 ?協調節點入網主程序設計

4 ?結 ?語

設計的智能家居安防監控系統是針對家庭住宅未裝修的情況，它采取無線網絡與有線網絡相結合的方法，實現安防監控功能。該系統是以ARM9為硬件平臺，Linux為實時操作系統，SCS協議為智能家居總線協議，ZigBee/SCS為智能網關，將家庭內部無線傳感采集節點采集的安防數據信息發送到控制主機，實現了對非法闖入，火災險情，電路故障等狀況的實時監測。該設計可以使安防監控報警系統獲得穩定的網絡通信，同時該系統在實際布線過程中可實現無線電控制器與SCS（結構化布線系統）執行器的相互控制，對智能家居系統的發展與建設有重要的意義。

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圖3 ?協調節點結構圖

2.3 ?終端硬件電路設計

安防監控報警模塊通過布置在室內外的安防傳感器來探測警報事件，由智能家居管理終端向用戶和小區保安系統發出報警信息。安防傳感器主要有門磁、窗磁、煤氣泄露傳感器、煙霧傳感器、紅外探頭等。

采用的技術路線：無線部分采用ZigBee芯片作為安防傳感器的執行器，安防傳感器通過ZigBee網絡實現與智能家居管理終端的通信。有線部分智能家居管理終端可以通過SCS口連接來實現。ZigBee網絡終端節點設備定時上傳安防傳感器的參數，通過智能家居管理終端可以查詢安防傳感器的工作狀態和警報信息。圖4為安防監控系統終端管理硬件結構圖。

圖4 ?安防監控終端系統硬件結構圖

控制器S3C2440A核心板是智能家居管理終端的中央控制器，負責分析處理各功能模塊傳輸的數據，并作出相應的決策來實現智能家居系統的各項功能。底板上的電源和復位模塊負責為核心板和各功能模塊提供工作電壓，復位電路使管理終端穩定可靠的工作。下載調試接口負責智能家居管理終端軟件操作系統的定制、安裝和應用程序的下載調試。ZigBee模塊作為協調器負責組建ZigBee網絡，實現與各種智能家電和安防傳感器之間的通信。SD卡可以作為事件記錄。監控設備可以是多個網絡攝像頭，通過網線與路由器相連接，在對其進項相關設置。LCD觸摸顯示屏和音頻模塊組合可以實現家居安防里的可視對講分機的功能。智能家居管理終端本地控制的功能是通過LCD觸摸顯示屏來實現的。WiFi模塊、GPRS模塊和SCS模塊使智能家居管理終端可以通過無線和有線網絡，實現音頻視頻圖像傳輸和遠程控制。

3 ?系統軟件設計

3.1 ?安防監控網關主要程序設計

安防監控網關連接外網和家庭內部ZigBee網絡，進行不同的協議轉換，確保不同的網絡之間能夠正常通信。在本系統中ZigBee/SCS智能網關把SCS協議或ZigBee協議轉換成TCP/IP協議。采集節點將監控的信息進行打包處理，包括該節點的地址信息與檢測到的數據信息，無線部分以ZigBee幀的方式發送給ZigBee/SCS網關節點，有線部分將SCS幀轉化為OpenWebNet幀，網關節點接收到信息后，對原始數據進行處理，接著再以以TCP/IP協議進行打包處理。圖5為安防監控網關主程序流程圖。

圖5 ?安防監控網關主程序流程圖

在硬件平臺的基礎上，首先對硬件進行上電操作，啟動實時操作系統Linux，同時對應用程序進行初始化。安防監控網關起初是處于監聽網絡狀態，當有數據信息轉發過來時，將進入中斷處理狀態。如果數據來自ZigBee網絡節點，則對數據進行處理，同時顯示節點數據，進行存儲打包發給外網，最終回到監聽網絡狀態。如果數據是SCS數據，則執行指令信息，把安防監測信息發送給主機，與ZigBee數據信息一樣，最終回歸到監聽網絡狀態。

3.2 ?ZigBee協調節點入網設計

協調節點能夠成功通信的條件是協調節點建立的新網絡在可用的信道上，即空閑信道上。圖6為協調節點的入網設計主程序流程圖。首先對節點進行上電操作，硬件進行初始化，同時要求協議棧進行初始化。協調節點通過掃描搜索可用信道嘗試建立新的網絡。在射頻單元搜索過程中，如果有任何一個ZigBee網絡在該信道上，協調節點將認為該信道已經被占用，為不可用信道。協調節點將重復此過程直到搜索到可用信道。成功建立新的網絡后，節點將進入監聽網絡狀態。當終端節點發送入網請求時，將產生中斷，判斷是否為安防監測終端數據，如果是將進行數據數據轉發與處理，協調節點最終回歸于監聽網絡狀態。

3.3 ?安防監控終端入網設計

終端節點需要完成兩項工作，一是網絡之間的通信，二是對終端設備進行操作。在終端節點中，采集節點需要采集家庭安防數據信息，再發送給協調節點，同時接收處理發送給它的查詢信息。控制節點在接收到控制命令后對家電進行控制，同時也要完成射頻信息接收的工作，這要求設備操作與網絡通信之間建立連接。安防節點相對簡單一些，只需要在規定的時間內進行安防數據采集與發送。進行終端節點操作時已經確定終端節點的網絡了，因此，終端節點進行上電操作與系統初始化后，開始搜尋ZigBee無線網絡，直至確認無線網絡所載的信道，否則將重復進行搜尋過程。申請加入網絡，入網成功后，終端節點將進行發送數據與接收命令。

圖6 ?協調節點入網主程序設計

4 ?結 ?語

設計的智能家居安防監控系統是針對家庭住宅未裝修的情況，它采取無線網絡與有線網絡相結合的方法，實現安防監控功能。該系統是以ARM9為硬件平臺，Linux為實時操作系統，SCS協議為智能家居總線協議，ZigBee/SCS為智能網關，將家庭內部無線傳感采集節點采集的安防數據信息發送到控制主機，實現了對非法闖入，火災險情，電路故障等狀況的實時監測。該設計可以使安防監控報警系統獲得穩定的網絡通信，同時該系統在實際布線過程中可實現無線電控制器與SCS（結構化布線系統）執行器的相互控制，對智能家居系統的發展與建設有重要的意義。

參考文獻

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