基于ZigBee技術的家庭智能安全監測系統

中國計量學院 袁敬坤 謝汪智 王俊偉 王 波 李弘洋 王燕杰

基于ZigBee技術的家庭智能安全監測系統

中國計量學院 袁敬坤 謝汪智 王俊偉 王 波 李弘洋 王燕杰

為實現家庭安全無線實時監控，設計了基于ZigBee技術的家庭智能安全監測系統。ZigBee無線傳感網絡由CC2530收發模塊和各種探測傳感器組成。傳感器采集的信號經由CC2530收發模塊傳至智能網關，通過Internet方式發送至服務器，人們可以通過手機等終端連接到服務器獲取相應信息并驅動攝像頭抓拍現場，并發出聲光報警，實現家庭的消防、防盜以及遠程傳輸監控功能。系統具有警報響應快、可靠性高、易于擴展、便于推廣等特點。

ZigBee；智能安防；自動監控；信息

1 引言

無線網絡技術的迅速發展，使得很多原本存在的網絡服務也漸漸地往這種類型的網絡上靠近，IEEE802.11無線區域網絡的普及也使無線網路技術越來越重要，有很多的相關產品及應用出現。無線個域網絡漸受到關注，基于IEEE802.11的ZigBee技術逐漸成為研究熱點。與此同時，部分芯片廠商（比如TI、Freescale）推出了在單顆芯片上同時集成了物理層的收發和單片機功能的單Soc解決方案，由于它不需要額外單片機，因此節約了成本，并且簡化了設計電路。這些公司免費提供了基于自家芯片的ZigBee協議棧，大大加速了ZigBee的普及和應用，進而也推動了物聯網的快速發展。無線物聯網技術給傳統智能家居帶來了全新的產業機會，安防系統作為智能家居重要的組成部分，無疑是至關重要的，隨著物聯網、移動互聯網、云計算、智能化技術應用發展到一定階段疊加，傳統安防領域也產生了劇變，基于此，本文設計了這樣一套基于ZigBee技術的家庭智能安全監測系統[1-3]。

2 系統架構及工作原理

2.1 系統構成

檢測部分：火焰檢測器、煙霧檢測器、煤氣檢測器、CO檢測器、門磁傳感器、空氣檢測器、IP攝像頭等。

通信部分：ZigBee CC2530

網絡連接部分：網關、路由器、云服務器。

終端部分：手機/PAD等。

2.2 系統工作原理簡介

火焰檢測器、煙霧檢測器、煤氣檢測器、CO檢測器、門磁傳感器、空氣檢測器、IP攝像頭等檢測報警報警配件與CC2530模塊構成ZigBee監測節點，采集到信息后將信息發送給智能網關，網關通過路由器連接到云服務器。用戶可以通過手機/PAD等終端通過GPRS、3G、4G、WiFi等方式連接到云服務器查看相關信息。同時，可以通過終端來控制節點。另外，服務器還可以通過短信方式發送信息給用戶，以免客戶因無法聯網而收不到信息（此服務客戶可以根據實際情況選擇需要與否）。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構示意圖

3 硬件構成部分

3.1 傳感器與相關響應電路

3．1．1 火焰檢測器

由于紫外線對對火焰非常敏感，火焰傳感器利用此特點，利用特別的紫外線接收管檢測火焰，可以把亮度轉化為高低有變化的電信號，輸入到ZigBee CC2530芯片中，CC2530根據信號的變化做出相應的程序處理火。外界紫外光越強，數值越大；紅外光越弱，數值越小。

3．1．2 煙霧檢測器

煙霧檢測器是家庭常用的火災報警器，可以用來監測環境中的煙霧濃度，并且有報警的功能。當火災發生時，煙霧使傳感器產生報警信號。該信號傳給ZigBee CC2530后，一方面聯動排風扇，把煙霧排出室外；另一方面，將信息通過網關發送給服務器。

3．1．3 天然氣檢測器

一般采用高品質的氣體傳感器，ZigBee芯片結合精密的溫度傳感器，可以智能補償氣敏元件的漂移，環境適應范圍比較寬，無需調試，工作相當穩定，同時采用一種掛片壁掛式安裝，接線便捷，廣泛用于家庭、公寓、賓館、等存在可燃氣體的地方進行監控，可以檢測天然氣、液化石油氣，人工煤氣等。

3.1.4 IP攝像頭

通過IP攝像頭可以快速、輕松地從任何地方通過wifi和3g連接查看攝像頭捕捉到的內容。不用擔心不在家的時候家里會不會出現什么問題。無論是晚上在辦公室加班或出門度假，IP攝像頭都能讓人保持對所關注的事物的監視，從云端照看你的房子。

3.2 ZigBee無線通信模塊

3.2.1 ZigBee無線技術

ZigBee[4-6]是一種自組網功能的無線網絡通信技術，低復雜度、低速率、短距離、低功耗的雙向通信，ZigBee網絡中設備的一般分為傳感器節點（EndDevice）、路由器（Router）、協調器（Coordinator）三種，常用于遠程控制和自動控制等領域。ZigBee無線通信設備的該系統主要有以下優點：低功耗，低速率，可靠性高。

3.2.2 通信模塊

本系統無線通信模塊的核心是德州儀器（TI）公司推出的ZigBee CC2530。它可以以非常低的材料成本建立起超強的網絡節點。其中，CC2530結合了很多強大的功能，如業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8-KB RAM，領先的RF收發器的優良性能等。CC2530提供了四種不同的閃存版本：CC2530F256/128/64/32，分別具有256/128/64/32KB的閃存。由于CC2530還可以同時提供不同的運行模式，而且它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間極短的轉換時間則進一步保證了低能消耗。此外，CC2530在設計上還具有非常良好的拓展性，可以做很多拓展。隨著物聯網技術的快速發展，家庭安防系統也在時時刻刻不斷發展和完善，因此，CC2530片上系統為家庭安防系統的拓展與推進創造了良好的條件。

3.3 智能網關

利用ZigBee CC2530芯片和上海漢楓電子科技公司生產的漢楓HF-LPT200-1 WiFi透傳模塊構成智能網關。CC2530芯片作為協調器將接收到的信息通過uart串口發送給WiFi透傳模塊，進而上傳給服務器。

HF-LPT200超低功耗嵌入式Wi-Fi模組提供了一種將用戶的物理設備連接到Wi-Fi無線網絡上，并提供UART、SPI串口等接口傳輸數據的解決方案。該模塊硬件上集成了MAC，功率放大器，射頻收發單元，基頻芯片；嵌入式的固件支持組網的TCP/IP協議棧，以及Wi-Fi協議及配置。HF-LPT200是一款一體化的801.11 b/g/n Wi-Fi的低功耗解決方案，通過該模組，傳統的MCU控制的設備或低端串口設備均可以方便簡單地接入Wi-Fi無線網絡，從而實現了物聯網絡的控制與管理。

4 移動終端

智能安全系統可利用現有的移動設備如Android智能手機、iPhone、iPad等，通過安裝在設備上的智能安防系統的相關客戶端軟件[7]，實現對系統的遠程訪問與管理。利用2G、3G、4G、wifi等方式訪問服務器服務來獲得各監控終端的數據，實現設備的遠程監控。

圖2 無線收發程序流程圖

5 系統軟件設計

對于軟件設計，本系統采用了模塊化思路，包括節點軟件設計和系統層與客戶端部分軟件設計。

5.1 節點軟件設計

5．1．1 無線收發模塊

如圖2所示，系統上電后使傳感器節點和ZigBee協議棧初始化后，向協調器發送入網申請。CC2530收發模塊接到中斷請求后，觸發中斷激活傳感節點，進入工作模式，進行數據采集與處理，并將結果經ZigBee網絡后通過串口傳至智能網關。

圖3 串口操作流程圖

圖4 系統層與客戶端軟件設計

5．1．2 串口通信模塊

串口操作流程如圖3所示。首先初始化系統時鐘并打開串口，然后配置相應參數，配置好后，把UART當作文件進行讀寫。由于智能網關有UART接口，此處獲得的信息可以直接發送給網關。

5.2 系統層與客戶端部分軟件設計

系統服務器端采用的是基于Linux Centos版本的操作系統，并運用文件存儲方式，將收到的傳感器的數據寫入相應用戶的文件中，既方便客戶端進行讀取操作，又生成了相應的日志文件，極大地方便了日后的管理與查找。以下為系統層與客戶端部分軟件設計（圖4）。

6 結束語

本文設計了一套家庭智能安防系統。對系統硬件構成進行了設計，并對系統工作原理進行了分析。設計了安防系統控制軟件，分析了軟件程序流程。本系統實用性強，靈敏度高，擁有很高性價比，操作簡單，安裝方便，成本低廉，推廣前景非常好。

[1]李正民,張興偉．基于ZigBee技術的無線智能安防系統的設計[J]．計算機與現代化,2012:97-98．

[2]黃文龍,徐道連,游穎敏,等．基于ZigBee和ARM的嵌入式智能家庭安防系統設計[J]．重慶工學院學報,2009:152-155．

[3]王作成,擺玉龍．基于ZigBee技術的智能車庫系統研究與實現[J]．測控技術,2013:69-71．

[4]法拉哈尼,沈建華,王維華．ZigBee無線網絡與收發器ZigBee wireless networks and transceivers,58-67．

[5]高守瑋,吳燦陽．ZigBee技術實踐教程,P105-120．

[6]王小強,歐陽駿,黃寧淋 ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M]．北京:化學工業出版社,2012:10-20．

[7]陳橋云,賈金玲．基于智能手機與PC機的智能家居系統設計[J]．電子設計工程,2009:304-307．

袁敬坤（1992—），浙江杭州人，現就讀于中國計量學院。

注：該項目為2015年國家級大學生創新創業計劃項目。