智能家居安防系統設計

(四川文理學院 智能制造學院，四川 達州 635000)

0 引言

近年來，火災、煤氣中毒、入室搶劫盜竊等安全事件屢有發生，使人們的生命財產遭受損失，同時也造成了極大的負面社會影響。人們對生活空間的安全性的需求更加迫切。財產和人身安全已成為人們對智能家居的首要要求。因此家庭安防系統成為了智能家居中的必不可少的一部分[1]。

智能家居系統中的網絡體系結構在整個家居系統中起著十分重要的紐帶作用。現有的家庭安防系統中的信息傳輸大多是采用有線網絡傳輸的方式，存在著布線困難、線路老化以及維護維修成本高等缺陷。

為提高智能家居安防系統的可靠性和靈活性，本文設計開發了基于ZigBee和GSM網絡的智能家居安防系統。GSM網絡負責實現外網的通信連接，ZigBee網絡節點負責組建內部網絡。

1 總體設計

智能家居安防系統是為了能在突發狀況發生時能夠快速準確的識別并發出報警。該智能家居安防系統的功能主要包括以下幾個方面：防火災功能、防可燃氣體泄漏、智能門禁防盜功能。這就要求該安防系統必須能夠實時監控家庭環境狀況，并根據傳感器采集到的數據及時分析處理。

系統主要分為3個部分，分別是傳感器模塊、ZigBee無線傳輸網絡模塊、GSM網絡模塊。傳感器模塊主要包括了煤氣監測傳感器MQ-7、溫度傳感器、煙霧傳感器及無線門磁傳感器等。ZigBee無線傳輸網絡有3中網絡拓撲結構，分別是星型網絡、樹狀型網絡及網狀網絡。由于各個節點是安裝在室內，且有墻壁、家具等障礙物，使得兩個ZigBee節點之間的通信距離會大大減小。所以，在設計時選擇了可以以多跳形式增加傳輸距離的網狀網絡。網狀網絡包括了3中類型的節點，分別是終端節點、路由器節點及協調器節點。路由器節點可以直接與協調器節點和終端節點進行通信，但終端節點與終端節點之間不能直接通信。在設計時，該網絡系統的終端節點和路由器節點將采集到的數據以點播的方式傳輸給協調器節點。為了降低功耗，終端節點在完成信息傳輸之后會進入休眠模式。協調器節點再通過串口與GSM網絡模塊相連，GSM網絡模塊會將報警信息以短信的方式傳送給用戶，實現遠程監控。圖1為該系統的總體設計框圖。

圖1 系統總體設計框圖

2 硬件設計

系統硬件設計主要是針對ZigBee無線傳輸網絡模塊、傳感器模塊。由系統總體設計圖可知，ZigBee節點分為三組，分別用于火災監控、煤氣泄漏監控及智能門禁防盜。所以每一組ZigBee節點連接的傳感器是不一樣的。但ZigBee節點核心控制模塊的硬件設計是相同的。協調器節點的主要功能是對采集到的數據信息進行分析處理，并通過串口將處理結果傳輸給GSM網絡模塊，該網絡模塊再將報警信息發送給用戶。所以協調器節點無需連接傳感器模塊，但需要通過串口與GSM網絡模塊連接。圖2為ZigBee節點設計框圖。

圖2 ZigBee節點設計框圖

2.1 ZigBee網絡模塊

典型的無線傳輸網絡技術有ZigBee技術、藍牙技術、WiFi技術、超寬頻技術(UWB)等。WiFi技術傳輸速率較快，但功耗較高，這對于需要大范圍分布在家居內的節點來說并不適用。藍牙技術使用的ISM頻段是開放頻段，會受到微波爐、電話等家用設備的干擾。超寬頻技術(UWB)采用的是高速非正弦脈沖，工作時產生的瞬時功率較大，可能會影響到無線通信系統的工作。ZigBee無線傳輸網絡技術使用的頻段為免費頻段，還具有定時休眠、自動組網等功能。相對其他無線傳輸網絡技術而言，ZigBee技術具有節點容量大、功耗低、體積小、成本低、安全性高、響應速度快等優勢[2]。因此在設計時選擇了ZigBee無線傳輸網絡作為數據的傳輸網絡。

ZigBee節點的核心控制模塊采用的是TI公司推出的CC2530芯片。該芯片功能強大，所需外圍電路較少。它包含了整個8051內核，其中斷控制器能夠提供18個中斷源，一些中斷設備還可以從睡眠模式喚醒設備。它所具有的8KB-SRAM在數字部分掉電時能夠保留自己的內容，是一個超低功耗的SRAM。除此之外，它還具有3個8位的通用I/O端口，在使用時可根據需要使用寄存器PxDIR來設置每個端口引腳為輸入或輸出。該芯片是一款低功耗芯片，其電源工作模式一共有3中，分別是PW1、PW2和 PW3。其中PW1不僅功耗較高而且休眠時間較短。雖然PW3功耗最小，但是在該電源模式下需要RESET或外部中斷喚醒，不符合系統設計要求。PW2可通過RESET或外部中斷喚醒也可以通過定時休眠的方式喚醒[3-4]。根據設計要求，綜合比較之后，本文在設計終端節點時采用的是電源模式2。

CC2530芯片是一個功能比較完善的片上系統芯片。它除了集成了整個8051內核之外還自帶射頻功能。由于ZigBee節點是安裝在戶內，有墻壁和家具等障礙物，使得其通信距離大大減小。為保證其通信距離，在設計時增加了射頻功放芯片RFX2401C。該芯片使用的頻段為2.4 GHz，該頻段為免費頻段，由此可降低智能家居系統的成本。此款芯片的適用環境溫度在負50攝氏度到正125攝氏度，其內部結構集成了PA、LNA、傳輸和接收切換電路。圖3為其外部電路原理圖，如圖3所示，RFX2401C的端口4為射頻單向傳輸端，它與控制芯片CC2530的RFN/RFP端進行連接，端口13置空，端口10連接天線，端口5為發送使能端口，端口4是接收使能端，其余端口均接地。RFX2401C擁有靈敏度好、效率高、噪音小、低成本、外形小等優點，對于所需帶寬的擴展是一款完美的芯片。除此之外，RFX2401C還擁有簡單低壓的COMS控制邏輯，所需外圍電路也非常簡單[5-6]。

圖3 RFX2401C外部電路原理圖

GSM網絡模塊采用的是西門子公司以TC35I為核心研發的一款體積小、集成度高的無線模塊。該GSM無線傳輸模塊具有成本低、性能穩定等特點，能夠進行語音和數據的傳輸。傳輸速率最小為300 B/s，最大為115 kB/s。在使用時采用直流電源供電，其供電范圍在3.3～4.8 V之間。雖然該模塊是安裝在戶內，但是為避免停電的影響，在設計時沒有采用家庭電源進行供電，而是外接電池進行供電。為節省功耗，在沒有信息傳輸時，該模塊都處于待機狀態。在進行信息的傳輸時是通過標準的AT命令控制GSM模塊將報警信息遠程傳輸到手機終端[7]。

2.2 傳感器模塊

對于煤氣監測在設計時采用煤氣傳感器對甲烷、丁烷、一氧化碳等可燃性氣體進行檢測。多晶結構的二氧化錫薄膜是其核心材料。在正常情況下，該材料的電阻率較低。當空氣中的可燃性氣體增加時，其電阻率將會增加，使得輸出電平發生變化，從而得知空氣中可燃性氣體的濃度[8]。通過比較，在設計時采用的是MQ-5氣敏傳感器，并采用的CC2530的P1.0來檢測其輸出的數據信息。而CC2530的P0.1口接蜂鳴器，當檢測到的數據超過閾值時，則打開蜂鳴器發出聲音報警信號。MQ-5氣敏傳感器煤氣濃度監測范圍在300-10000 ppm。由于煤氣泄漏的危險性，為保證家庭安全，起到預防煤氣泄漏的作用，在設計時，當檢測到煤氣濃度值超過300ppm就發出報警信號，提醒住戶進行煤氣泄漏檢查。圖4為MQ-5的電路設計圖。

圖4 MQ-5的電路設計圖

智能門禁防盜功能主要是利用門磁傳感器監測家中門窗是否在未經允許的情況下被打開。該門磁傳感器的主要原理是：當磁鐵和觸片的距離很近時，該傳感器處于工作等待狀態。當門窗被打開，磁鐵和觸片的距離會增大，磁場對觸片的作用力就會減小，干簧管內的觸片會閉合，從而連通電路，使得傳感器輸出電平信號發生變化。該傳感器結構簡單，功耗低且易于擴展。在設計時使用CC2530的P1.1跟該傳感器進行連接。圖5為其電路設計圖。

圖5 門磁傳感器電路設計圖

對于家庭火災監控，一般情況下會采用多個傳感器對多項參數進行探測。本文在設計時采用了溫度傳感器和火焰傳感器。在設計時溫度傳感器選擇的是DS18B20，該傳感器是一種數字式的溫度傳感器。測溫范圍在-55～+125℃之間，完全滿足家庭溫度的測量。該傳感器一共有3個外接引腳，且外部電路簡單，在使用時可以直接從兩個字節的溫度寄存器中讀取數據[9]。圖6為其我為其外部電路設計圖。

火焰傳感器選擇的是遠紅外傳感器JNHB1004，該傳感工作溫度在-25～+85℃，能夠檢測到760～1 100 nm范圍內波長的紅外光。當火災發生時，該傳感器可檢測到火焰輻射出的紅外線強度變化，并將紅外線強度變化轉變成電流的變化，使用時通過外接分壓電阻轉換成電壓信號輸出[10]。在設計時通過CC2530芯片的A/D轉換器將其轉換成0～2047范圍內的數字信號。圖7為其外部電路設計圖。

3 軟件設計

在設計時選擇的ZigBee網絡拓撲結構為網狀網絡。所以對該網絡中3種不同類型的節點進行軟件設計。其中協調器節點主要負責網絡的組建，它向其他節點發送信標幀，對申請加入網絡的節點進行密匙匹配，并為其分配網絡地址，然后對各個節點發送過來的數據進行分析處理，若出現異常，則將報警信息通過GSM網絡及時發送給用戶。路由器節點主要具備兩個作用：一是通過傳感器進行數據采集并將自身采集到數據以點播的形式發送給上一個父節點，然后判斷是否需要打開報警模塊；二是中轉其他節點的數據。當其他節點離協調器節點較遠，不能直接將自身采集到的數據傳輸給協調器時，就會自動選擇最優網絡路徑通過路由器將自身的數據傳送給協調器。由于路由器節點要隨時待命中轉其他節點的數據，所以路由器節點是不能進入休眠模式的。但是路由器節點不能一直采集數據，所以在設計時為避免數據的冗余，要控制路由器節點數據采集和發送的次數。終端節點同樣要完成數據采集的任務，其最大的特點是可以進入休眠模式，達到節省功耗的目的。本文設計的終端節點進入休眠模式2，通過定時器喚醒。設計時將終端節點設置為每隔5秒進行一次數據的采集和傳輸。Zigbee網絡傳輸速率最大為250 kb/s，最小為20 kb/s，完全滿足家居系統的數據傳輸要求。終端節點采集到的數據每經過一次路由器進行中轉，就會延時10 ms，但對整個系統數據傳輸時間來說影響不大。圖8為終端節點和路由器節點程序流程圖。

圖8 終端節點和路由器節點程序流程圖

4 測試結果

在設計完成之后，對系統進行了測試。實驗時采用7個ZigBee節點。這7個ZigBee節點組成一個ZigBee網絡，該網絡中只有一個協調器節點，剩下6個節點分為3組，分別用于火災監測、煤氣泄漏監測和智能門禁防盜3個功能。每一組都由一個路由器節點和終端節點組成。設定各節點每隔5秒進行一次數據的采集和傳輸。

表1 ZigBee網絡丟包測試結果

首先對ZigBee節點進行了組網測試。ZigBee節點程序編譯下載好之后，首先打開協調器節點的電源，然后依次打開路由器節點和終端節點的電源。協調器節點先給自己分配網絡地址為0X0000，然后進行無線監聽，是否有其他節點申請加入網絡。若有則判斷密匙是否相同，若相同就為其為其分配網絡地址。為測試其網絡良好的自愈功能，適當調整終端節點與協調器節點的距離，使其無法將數據直接傳輸到協調器節點，然后在終端節點和協調器節點之間放置路由器節點，使得終端節點通過路由器節點將數據傳輸到協調器節點。通過串口調試助手可直接觀察到終端節點的數據傳輸情況[11]。然后關閉路由器節點，發現終端節點無數據傳來。打開路由器節點，路由器節點又自動加入網絡，并為終端節點中轉數據，測試結果表明，該網絡具有良好的自愈功能。

接下來對ZigBee網絡進行了丟包測試。設定每個節點以點播的方式傳輸1000個數據包到協調器節點，并利用串口調試助手觀察數據傳輸結果。其測試結果如表1所示。實驗結果表明該網絡丟包率極低，穩定性良好，滿足系統要求。

5 結束語

針對目前家居安防系統存在的不足，依托于ZigBee無線傳輸網絡技術、傳感器技術及GSM網絡技術，設計了一套智能家居安防系統，并給出了傳感器模塊的硬件設計及ZigBee節點的硬件軟件設計。由于數據的傳輸采用的是ZigBee無線傳輸網絡技術，且ZigBee終端節點還可以通過休眠模式來節省功耗，所以該系統具有無需布線、性能穩定、功耗低等優點。測試結果表明，該系統能夠實現對家庭火災、煤氣泄漏的監測及智能門禁的防盜功能，具有一定的應用價值。