基于ZigBee智能家居安防系統設計

張 瀚，姜丕杰，羅浩然，黃 穩

（遼寧工業大學，錦州 121001）

伴隨著工業技術的發展，特別是在計算機技術、網絡通信技術、自動化控制技術和傳感器技術方面的發展，徹底改變了人類的傳統的生活、生產方式[1]。傳統的家居安防系統概念已經徹底的被顛覆了。目前國內外的智能家居安防系統大多數采用有線方式布局，存在布線麻煩、控制效率低、維護困難等問題[2]。結合互聯網技術，針對目前智能家居安防系統存在的問題，本文提出一個更加完善的智能家居安防系統方案。

所謂安防系統，就是有一個快速、有效、連動的防火、防盜、防爆的治安體系，同時要求家庭、社區管理中心及其有關單位部門都能及時獲得相關信息并采取相應措施能夠及時、安全處理相應的事件。具有緊急事件求救中心及其他的便利服務體系。這些都要求家庭不再是一個孤立的場所，而是一個能與外界進行信息交流的單元。智能家居網絡是指運用一定的傳輸介質，將家庭中的電子設備及電子系統連接在一起，使用統一的通信協議，使內部的資源得以控制，對外可以進行信息互換的一種網絡系統。本文通過采用ZigBee無線通訊模塊實現智能家居安防系統設計。

1 安防控制系統總體方案的設計

本系統主要由傳感器檢測系統，基于ZigBee的無線通訊系統，微機控制處理系統，上位機監控系統。其系統框圖如圖1所示。傳感器檢測系統主要是對家庭環境的安全數據進行數據信息的采集。采集的數據包括易燃易爆氣體濃度的采集；發生火災的煙霧濃度數據的采集；外人非法入侵的數據采集；還有就是家里的通電線路的電流是否過載的數據采集。采集到的數據通過ZigBee無線通訊模塊發送到主控制器上。ZigBee無線收發模塊是傳感器系統與主控制器的數據通信紐帶。通過ZigBee無線通信模塊可以解決有線通信的問題。微機控制處理系統模塊作為整個智能家居安防系統數據處理和運算的核心。主要是對采集的數據進行數據處理和運算分析。如果采集的數據超過警戒值，及時報警，并且將數據上報到小區安防系統以及用戶的手機終端。報警信息得到有效的處理后，解除警報。

2 安防控制系統硬件設計

安防系統包括可燃氣體的檢測，火災的檢測，外人入侵的檢測等三部分。根據各自檢測特點選擇相應的傳感器模塊。傳感器模塊包括傳感器、信號調理電路、ZigBee無線傳輸模塊。傳感器能夠按照實際的需要實時、準確將相應的信號檢測出來。傳感器檢測的數據經過調理電路轉換成需要的數字信號，通過ZigBee無線傳輸系統上傳到微處理器。本系統主要是進行家庭的安防系統監測，對于可燃氣體的檢測主要是燃氣的檢測，根據燃氣的成分以天然氣為主選擇傳感器模塊；火災是家庭最容易發生的事故，一旦有火災除了人身的傷亡，還有家庭的財產損失，所以做好防火檢測尤為重要。為了避免火災檢測的出現錯誤，需要同時進行溫度和煙霧兩項檢測，溫度升高不代表會有火災發生，煙霧也是火災的重要指標。對于家庭的外人非法入侵，主要是通過紅外檢測，在人能通過的地方安置相應的傳感器，準確確定外人的非法入侵。傳感器模塊的功能就是實時、準確檢測到家具中不安全因素，并且能夠及時將采集的數據傳輸到微機系統。

圖1 系統總體框圖

本系統采用ZigBee作為無線通信模塊。通信電路如圖2所示。ZigBee技術是一種新興的近距離無線通信技術。它是IEEE802.15.4協議的代名詞，根據這個協議規定的技術是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術或無線網絡技術，用以實現在數千個微小的傳感器之間互相協調的通信[3]。ZigBee具有功耗低、傳輸速率低等特點，還可以在設備閑暇時期進入休眠狀態，僅靠兩節5號電池就可以使ZigBee連續工作半年時間[4]。除此之外，ZigBee的通信響應時間非常短，僅為30ms左右[4]。

本系統中的ZigBee無線收發模塊采用2.4GHz的射頻芯片CC2530。CC2530。的核心由CC2530單片機、ADDA轉換器、射頻天線接收模塊、晶振以及I/O擴展接口模塊。通過采用ZigBee無線收發模塊實現傳感器模塊與主控制模塊完美通訊。很好的解決了家居環境因為接線的問題是室內雜亂無章，不用在考慮如何布線的問題，是室內美觀整潔。

圖2 通信電路

從網絡結構方面上看，ZigBee技術支持的網絡形式有星狀、樹狀和網狀三種。在本系統中采用了星狀網絡結構形式。星狀網絡由一個PAN協調器和多個終端設備組成[5]。本設計的網絡結構本身就是PAN協調器。能夠在第一次激活的時候，激活所有的設備的功能，自動建立網絡。

3 系統軟件的實現

系統的軟件程序包含三個部分：傳感器模塊數據采集子程序、ZigBee無線數據收發子程序、微控制器控制程序。傳感器作為數據采集的終端，將采集的信息通過無線通訊傳送到上位機，根據系統設定的閾值進行比較，如果超過設定的閾值，就報警。及時通知用戶采取相應的措施，避免造成更大的損失。

數據采集終端的程序流程圖如圖3所示。傳感器采集板上電后各個模塊進行初始化，網絡接口是開放的，如果有需要新的傳感器模塊加入，可以通過ZigBee通訊模塊自動重新組網。這種開放式網絡，有利于檢測節點的增加，使用靈活，再設計的優化上更能體現其易組網的特點。數據之間的通信以上微機為主，應用應答式。當上位機向某一模塊要數據時，該模塊接受命令將數據傳送到上位機，如果沒有接收到命令，該模塊處于休眠狀態。上位機模塊向傳感器模塊發送指令需要數據，傳感器模塊通過ZigBee無線通訊傳輸數據。如果沒有接收到指令，數據采集模塊進入低功耗狀態，等待下一次查詢指令。

ZigBee無線通訊模塊接收發送數據協調節點的流程圖如圖4所示。無線通訊模塊上電后先進性初始化，判斷系統有多少個節點，根據節點數進行自動組網。無線通訊模塊根據上位機的指令向下位機發送數據采集指令，下位機將采集的數據上傳，上位機將接收得到數據進行分析判斷，并顯示。

上位機控制處理器的流程圖如圖5所示。作為上微機，系統上電后進行相應的初始化。通過系統自檢，判斷系統是否正常，沒有發生異常的情況下，上位機通過無線模塊向下微機發送指令，每個下位機根據指令上傳對應的數據，包括，外來入侵，火災，可燃氣體的濃度。下位機將數據上傳。控制器根據得到的數據和設定的閾值進行比較，如果有異常就及時報警。并且在LCD屏上進行顯示。用戶根據報警采取相應的措施解除警報。上位機的主要功能就是將接受到的數據顯示、判斷、報警。

圖3 傳感器終端節點程序流程

圖4 ZigBee無線收發模塊

圖5 微控制器程序流程

4 結束語

根據智能家居安防系統的控制特點，設計了以STM32F4處理器為核心的只能家居安防控制系統。基于ZigBee的智能家居安防系統具有低功耗、高可靠性、大網絡容量、低數據速率等特點，擺脫了傳統的有線傳輸方式，從而徹底解決了系統的布設、維護和更新升級的問題。系統通過芯片CC2530實現無線組網，采用多個終端節點對室內可燃氣體，人員入侵等進行探測。系統調試結果表明，基于ZigBee技術的智能家居安防系統各終端節點將采集的數據發送到協調器，在通過串口將數據發送到智能家居的管理平臺，即上位機，從而實現對智能家居安全防范的檢測和報警。