基于物聯(lián)網(wǎng)無線傳感的小區(qū)安防系統(tǒng)設計

賀小艷

（河源職業(yè)技術學院電子與信息工程學院，廣東河源，517000）

0 引言

更舒適、更節(jié)能、更安全的生活是如今更多人的追求。因此，人們對安防系統(tǒng)的要求不僅能有效保證財產(chǎn)安全，防止沒有授權的非法入侵，還要求能實時連續(xù)監(jiān)測水、電、煤氣、求助報警等家用設備的運行，以便能及時消除火災隱患和防止有害氣體中毒。而目前的安防系統(tǒng)只是以防止非法入侵為目的，多采用有線技術進行聯(lián)網(wǎng)；另外有線安防系統(tǒng)還存在線路老化、電磁干擾等增加系統(tǒng)誤報率的問題。因此，研究了一種能將所有信息點進行連接、管理并使用無線網(wǎng)絡技術的小區(qū)安防系統(tǒng)，適應了當今社會的安防需求。

1 Zigbee技術介紹

Zigbee技術是一種無線傳感技術，由Zigbee聯(lián)盟推出，基于IEEE802.15.4標準，并在其基礎上增加了網(wǎng)絡層、安全層和應用層，來保證無線傳輸數(shù)據(jù)的安全性[1]。Zigbee的工作頻段2.4GHz免費，容納節(jié)點量高達65000個，節(jié)點功耗低，僅2節(jié)5號電池就可以維持工作6-24個月[2]。因此，基于Zigbee技術的網(wǎng)絡系統(tǒng)，具有低成本、低功耗、大容量、高可靠性、高安全性等特點[3]。

Zigbee技術的這些特性完全符合小區(qū)安防網(wǎng)絡通訊的需要，因此選擇ZigBee技術構建智能安防系統(tǒng)是最佳選擇。

2 基于Zigbee的小區(qū)安防系統(tǒng)設計

本無線安防系統(tǒng)由4部分組成：底層采集節(jié)點、中間路由節(jié)點、協(xié)調(diào)節(jié)點和監(jiān)控中心及用戶[4]。系統(tǒng)整體方案如圖1所示，由底層傳感器節(jié)點采集安防信息，將小區(qū)內(nèi)的每棟樓、每個住戶設為不同層次的節(jié)點，每層設置一個Zigbee路由器，與采集節(jié)點形成星型與樹型連接，負責完成數(shù)據(jù)的中繼轉發(fā)，采集到的數(shù)據(jù)由協(xié)調(diào)節(jié)點傳送到PC機或用戶。其中底層采集節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)節(jié)點都采用Zigbee技術，協(xié)調(diào)器與PC機間的通訊采用以太網(wǎng)或GSM等公用傳輸網(wǎng)，底層采集節(jié)點一旦出現(xiàn)任何異常情況，能及時發(fā)出報警信號，系統(tǒng)還具有自我診斷功能。

圖1 系統(tǒng)整體方案

系統(tǒng)硬件主要由Zigbee無線網(wǎng)絡和主控模塊組成[4]，其結構框圖如圖2所示。Zigbee無線網(wǎng)絡由各類傳感器及無線通信模塊構成，Zigbee無線網(wǎng)絡將傳感器探測到的參數(shù)通過串口發(fā)送到主控模塊，主控模塊將接收到的信息發(fā)送到用戶或監(jiān)控中心。

圖2 硬件結構框圖

3 硬件設計與實現(xiàn)

小區(qū)安防系統(tǒng)要求具有防火防盜功能，因此系統(tǒng)采用煙霧氣敏傳感器、溫度傳感器采集消防參數(shù)，被動紅外探測器、門磁振動傳感器采集安防參數(shù)[5]。采集節(jié)點由傳感器、通信模塊及電源組成，以電源作為底板，傳感器和通信模塊都接在電源底板上，如圖3所示。

圖3 采集節(jié)點結構圖

3.1 傳感器電路設計

傳感器負責檢測單個用戶的消防、安防信息，將采集到的數(shù)據(jù)通過節(jié)點中的通信模塊發(fā)送到路由節(jié)點，實現(xiàn)樓棟與監(jiān)控中心的無線通信。其中煙霧氣敏傳感器選用MQ_2，應用電路如圖4所示，該模塊支持數(shù)字、模擬兩種數(shù)據(jù)采集方式，本系統(tǒng)選擇模擬方式。溫度傳感器選用DS18B20，應用電路如圖5所示，DS18B20測量溫度范圍為-55～+125℃，精度達到±0.5℃，體積小，價格便宜，支持單總線通訊方式。被動紅外探測器選用HCSR501，應用電路如圖6所示，當有人進入其感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則自動輸出低電平；HCSR501是基于紅外線技術的自動控制模塊，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式，可用干電池供電[6]。門磁選用振動傳感器SW200D，為單方向性觸發(fā)開關，開關壽命長，可達10萬次。

圖4 MQ_2應用電路

圖5 DS18B20應用電路

圖6 HCRS501應用電路

3.2 電源設計

節(jié)點由2節(jié)5號干電池供電，輸出電壓穩(wěn)定在5V。

3.3 無線通信電路設計

無線通信模塊負責無線信號的收發(fā)，遵從Zigbee協(xié)議，并存儲、處理各類傳感器的檢測數(shù)據(jù)，模塊選用CC2530射頻模塊。CC2530 是TI公司推出的一款芯片，是一個兼容IEEE 802.15.4的真正片上系統(tǒng)，里面包含了51單片機內(nèi)核與Zigbee技術，提供了很好的Zigbee協(xié)議棧以及解決方案[7]。能以超低材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點[8]。CC2530的工作電壓為2~3.6 V，功耗低，由電源底板提供。

3.4 主控模塊硬件設計

主控模塊采用STM32F103C8T6單片機，程序存儲器容量64KB，工作電壓 2V～3.6V，頻率為 72MHz，I/O 口為 37 個[9]，價格便宜且夠用。保證主控單片機正常工作的最小系統(tǒng)電路包括電源電路、晶振電路、程序下載電路、芯片電路[9]。電源電路如圖7所示，從USB電路引入5V電源，通過AMS1117-3.3將5V電壓降低到3.3V，為主控單片機提供穩(wěn)定的電源。本系統(tǒng)設計了USB和JTAG兩種程序下載方式，在后期調(diào)試過程中根據(jù)實際情況方便選擇合適的下載方式，程序下載電路如圖8所示。

圖7 主控電源電路

4 軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要分為函數(shù)初始化模塊和串口通信模塊。系統(tǒng)上電后，主函數(shù)開始對各個模塊進行初始化操作，后創(chuàng)建開始任務，創(chuàng)建成功后再進行其他任務的初始化操作并開始各個任務的輪訓操作，各個傳感器的數(shù)據(jù)以多任務的形式獲取，保證了實時性。

圖8 程序下載電路

STM32主控單片機有3個獨立的串口，支持中斷模式與DMA模式[9]。CC2530提供兩個USART串口，將USART0與STM32的USART串口通信。數(shù)據(jù)的讀取使用中斷的方式，以下是串口數(shù)據(jù)讀寫的核心代碼：

5 結論

利用CC2530射頻模塊和煙霧、紅外等各類傳感器設計無線安防系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)測水、電、煤氣、求助報警等家用設備的運行，及時消除火災隱患和防止有害氣體中毒，具有零漏報，零誤報，可靠性高，探測范圍廣的特點。實踐證明利用無線組網(wǎng)技術能減少布線施工環(huán)節(jié)，縮短三分之一的施工周期，節(jié)省60%的線材，降低25%的施工成本。

參考文獻

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[3]李猛,田立國,丁航,劉書威.基于ZigBee的農(nóng)田土壤水分采集節(jié)點的設計[J].科技創(chuàng)新與應用,2017(15):74.

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