基于ZigBee的節能門窗智能安防系統的實現

陳淑春，王文忠（.河北軟件職業技術學院； .保定眾騰電氣科技有限公司，河北 保定 0700）

基于ZigBee的節能門窗智能安防系統的實現

陳淑春1，王文忠2
（1.河北軟件職業技術學院； 2.保定眾騰電氣科技有限公司，河北 保定 071001）

基于ZigBee技術，采用S3C2440的TQ2440開發板作為嵌入式系統平臺，CC2530作為微處理器的智能家居系統進行可行性研究。對智能家居系統中的重要分支—智能節能窗系統的信息采集、安全報警、機械傳動控制進行分析和軟硬件設計，實現了智能網關對窗戶安防及傳動控制。最后，通過功能測試，驗證了測試數據和理論數據相符，系統可以完成家居內所有窗戶的檢測、控制，可達到節能與智能的完美效果。

ZigBee；智能家居；嵌入式系統

0　引言

近年來，信息產業蓬勃發展，人們進入了無網絡無法生活的時代。網絡通訊，無線傳輸，信息采集等先進技術已走入人們的日常生活中。越來越多的人們走上科技的時尚高端，享受著信息時代帶來的生活便利和居家安全。智能家居系統走入尋常百姓家中，物聯網和互聯網技術使原本獨立的個體家電、門窗和室內環境聯姻，并能和主人的手機、PC機遠程互答。

在智能家居系統中，門窗的智能安防和控制在整個系統中的地位尤為重要。但是，目前市場上出現的系統案例中，對門的防盜、人臉識別、對講研究技術較成熟，但是對窗戶的相關研究往往被忽略，一般只重視窗戶的開關控制上，對它的安全防范等作用研究較少。因為節能和舒適性要求，窗戶占建筑墻體的面積越來越大，窗戶的防盜、防小孩墜樓，防風雨以及隨室內環境開關的智能性需求也越來越大。本文在智能家居系統的總體設計上重點闡述智能家居的重要分支——智能節能窗系統。目前很多新住宅在窗戶材料上都實現了節能要求，在此基礎上綜合利用傳感器技術，ZigBee組網技術，自動控制技術，現代通訊技術實現窗戶內外各種信息采集、處理、安全報警和自動開關控制。窗戶作為室內外互通的重要環節，對智能家居系統中安全防范系數的提高具有極其關鍵的作用［1］。

1　系統的總體設計

系統設計采用一臺家居PC機接入WIFI 無線網作為控制中心，利用ZigBee技術組網建立家庭內部設備、環境和門窗的局域網，利用GSM模塊實現系統與移動4G手機網絡通訊和遠程控制。總體框圖如圖1。

圖1　系統總體設計框圖

智能節能窗系統作為整個系統的子系統，它主要包括窗戶內外信息采集、智能開關控制、安全報警。實現的功能是當室內出現煙霧等有害氣體時能給控制中心反饋信息并自動開窗、當接到主人發出的開窗命令時能自動開窗，當室外檢測到風雨信息時能自動關窗，當窗戶內外檢測到運動物體存在時能給控制中心反饋信息并安全報警。

子系統主要由CC2530微處理器、各種傳感器終端，報警終端，機械傳動裝置組成，利用ZigBee組網技術，建立一個樹簇型拓撲結構網絡。系統結構框圖如圖2。

圖2　子系統結構框圖

2　子系統終端硬件設計

該部分主要包括各種傳感器組成的信息采集模塊，終端報警模塊和機械傳動模塊，采集到的信號傳送到控制中心，進行信息加工和處理，控制中心發出的命令由報警終端和傳動裝置執行［3］。

2.1信息采集系模塊

（1）煙霧濃度檢測 。煙霧濃度檢測采用的傳感器選用深圳市浩時健電子科技有限公司提供的普通氣體煙霧傳感器M Q-2，輸出電壓為5.0V±0.2V，靈敏度：R in air/Rin typical gas≥5，溫度：-20℃～+55℃，它是一種壽命長、成本低對液化氣、丙烷、氫氣等可燃氣體具有良好的靈敏度的氣敏傳感器。通過氣敏傳感器監測家居內液化氣、煙霧等參數主要是為實現如下兩個功能：

1）實現有毒氣體報警，并執行自動開窗降低有毒氣體濃度的操作；

2）火災報警，在判讀是否有火災發生時還結合了室內溫度傳感器采集到的溫度進行判斷，即當室內煙霧濃度和溫度都超過某閡值時判斷可能發生了火災，實現火災報警。

（2）風雨天氣檢測。風雨傳感器采用深圳德力智能科技有限公司提供的dree-s6c風雨傳感器。工作電壓12v，工作溫度-10～75（℃），探測距離30米，可設置1～9級風速、光照、雨量檔位，是目前國內最先進的風雨傳感器，風速辨認，利用光速感應，幾乎0誤差，雨水感應速度準確， 支持聲光報警，達到設定等級風速或者雨水量自動發出信號至控制中心，控制中心可根據設定風速和雨水量判定是否關窗，從而驅動控制單元關閉窗戶。

（3）運動物體檢測。對運動物體的檢測目的是判斷在開窗狀態下，室內小孩或其他人員扒窗存在墜窗危險和盜賊通過窗戶入室行竊造成的人身和財產安全。是基于紅外線技術，根據人體運動過程所發射的紅外線波長在9到10μm之間， 設計中采用熱釋電傳感器LH1778，當檢測到運動人體入侵窗口外3米內范圍時，熱釋電傳感器產生電信號變化，開關自動接通負載，延時2S仍然有電信號存在，判斷窗外有人入侵，聲光報警器報警，從而驅逐入侵者。當檢測到窗口內1米有運動人體時紅光閃爍提醒扒窗有危險。以上兩種情況傳感器采集到的信息可同步傳給控制中心，控制中心通過GSM模塊發給手機，主人可根據情況發出關窗命令。

2.2終端報警模塊

終端報警模塊主要是在檢測到運動物體和煙霧濃度超標時開啟聲光報警裝置并在液晶顯示單元上提示主人報警原因。

2.3機械傳動模塊

此模塊主要包括3個組成部分：控制芯片，紅外收發和電機驅動。控制芯片采用STC89C52芯片作為微控制器，紅外收發采用紅外對管，電機采用減速步進電動機。功能框圖如圖3。

圖3　傳動功能框圖

主要是實現窗戶的開關控制，通過紅外信號與ZigBee終端實現簡單通信，ZigBee終端設備可以將來自手機的控制數據發送給傳動設備控制器，傳動設備控制器接收到該控制數據后執行相關操作，并在操作結束后回復數據給ZigBee終端以告知ZigBee終端設備相關操作己完成。

3　子系統軟件設計

利用Vc++6.0開發平臺，MFC方式進行編程。首先，控制中心通過串口與ZigBee協調器進行通訊，而ZigBee協調器作為內網“核心”，既能接收來自終端設備采集的信息，同時又能向任何節點傳輸數據，是數據傳輸紐帶，程序流程圖如圖4。機械傳動模塊是ZigBee終端通過紅外收發功能控制的，是ZigBee協調器間接控制的設備，對窗戶的控制程序流程圖如圖5。

圖4　系統軟件設計程序流程圖

圖5　傳動模塊程序流程圖

4　功能測試

采用適當的測試手段對ZigBee的組網功能、網絡通訊功能進行測試。結果顯示ZigBee終端設備和路由器上電后能正常加入ZigBee無線網絡，當ZigBee終端設備和路由設備因為異常原因而離開ZigBee網絡時，ZigBee協調器能判斷出有節點離開網絡，ZigBee網絡中的設備可以正常進行數據傳輸，家居智能網關可以和ZigBee網絡中任何一個節點進行數據通信。

對傳動控制模塊進行測試。主要是對電機每轉一周窗戶開關的距離S1，與在不同頻率f下控制信號控制電機行進距離達到S2（取10組不同頻率，每組測試10次取平均值），記錄每次所用時間T1和理論時間T2進行比較得到測試數據如表1。

表1　測試數據

結果表明，ZigBee模塊和紅外遙感可實現對窗戶的控制，測試數據和理論數據基本相符，同時報警功能完備，測試結果達到理想要求。

5　結論

本文主要研究了一種基于支持ZigBee協議的CC2530微處理器的智能窗系統。綜合利用現代通訊技術，傳感器技術，自動控制技術，對硬件電路合理搭建，在VC++6.0基礎上進行軟件設計，完成了智能窗系統的內部組網并依托互聯網與手機進行遠程通訊，實現了智能家居系統中窗戶的自動控制和遠程監控，賦予窗戶更好的節能和智能作用，有效增強了家居環境的舒適性和安全性。本系統組網靈活，安裝方便，更重要的是智能化指數較高，在未來將有很好的應用前景。

［1］崔斌，韓峻峰，梁晉昌.基于嵌入式系統的智能門窗設計［J］.嵌入式技術，2010（06）：78-80.

［2］周顯恩.基于ZigBee技術的人臉識別智能家居系統的研究與設計［D］.東華理工大學，2010.

［3］楊璐，劉寶棟，王銀濤.基于ZigBee技術的智能家居系統門窗聯動設計與實現［J］.實驗室研究與探索，2013，32（08）：297-300.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.056

河北省保定市科技局，科技攻關計劃項目，項目編號15ZG037。

陳淑春（1979-），女，碩士研究生，研究方向：自動控制與檢測技術。