基于物聯(lián)網(wǎng)和ZigBee技術(shù)的報警系統(tǒng)設(shè)計分析

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.06.028

中圖分類號：TN92；TP277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編碼：1672-7274（2025）06-0083-03

Design and Analysis of Alarm System Based on IoT and ZigBee Technology

WANGDong

（Inspur Electronic Information Industry Co.，Ltd.，Ji'nan 25oooo，China）

Abstract：Aimingat thehidden dangers ofgas leakage，fireand illgal intrusion inmodernresidential environment，this paper proposes adesignschemeofintelligent alarm system based on the Internet of Things and ZigBee wirelesscommunication protocol.The system consists ofmultiple sensor nodes，ZigBee coordinators，routers， anduppercomputer monitoring software，aiming toachievereal-time monitoring of indoor environmental parameters and immediate response to abnormal situations.Each terminal node is equipped with temperatureand humidity sensorsandother devices tocolect local environmentaldata，and the information is transmitted to thecentral coordinatorthrougha ZigBeeself-organizing network.Thecoordinatorisresponsible for processing thereceiveddata andtransmitting ittotheuppercomputerviaaserial interfaceornetworkconnection，alowingusers tointuitively monitorthe status ofeach monitoring pointthroughagraphicalinterface.Theexperimentalresultsshowthatthe alarm systemconstructed inthis scheme has high sensitivityandreliabilityandcanquicklyissue alarms whenpotential dangersaredetected.Atthesame time，itsimplifies theoperationprocessand efectivelyreduces deploymentcosts.

Keywords： Internet of Things; ZigBee technology; intelligent alarm system； system architecture design; environmental monitoring;security precautions

隨著科技水平的持續(xù)提升和時代的發(fā)展，我國經(jīng)濟(jì)實力顯著增強(qiáng)，民眾的安全意識也隨之不斷提高，對居住環(huán)境的安全性提出了更高的要求。作為智能家居系統(tǒng)的重要組成部分，報警系統(tǒng)的性能直接關(guān)系到整個智能家居系統(tǒng)的效能與用戶體驗。

傳統(tǒng)有線報警系統(tǒng)雖然成本低廉且具備較強(qiáng)的抗干擾能力，但其部署靈活性較差；而無線報警系統(tǒng)則克服了布線難題，避免了對室內(nèi)裝飾的影響，成為當(dāng)前發(fā)展的主流趨勢[1]。然而，無線傳輸方式易受環(huán)境因素影響，可能導(dǎo)致信號不穩(wěn)定，進(jìn)而引發(fā)誤報問題。

為解決上述挑戰(zhàn)，本研究引入了基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的ZigBee通信協(xié)議來設(shè)計報警系統(tǒng)。

1 報警系統(tǒng)的設(shè)計架構(gòu)

圖1展示了系統(tǒng)的整體功能架構(gòu)，其中多傳感器數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)獲取并初步處理原始數(shù)據(jù)；ZigBee組網(wǎng)模塊實現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間穩(wěn)定可靠的通信連接；圖形化界面顯示模塊用于呈現(xiàn)經(jīng)過處理后的監(jiān)測結(jié)果給終端用戶[2]。

2 報警系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 S3C2401A處理器

S3C2401A是一款基于ARM920T內(nèi)核的嵌入式微處理器，集成了16KB指令高速緩存、網(wǎng)絡(luò)接口控制器、LCD控制器以及多通道定時器等功能模塊，極大地簡化了用戶設(shè)備之間的交互過程，并為系統(tǒng)控制提供了高效的解決方案。此外，該處理器支持多種模式的數(shù)據(jù)虛擬化存儲與管理，通過配置時鐘和電源管理專用寄存器（共6個），可以優(yōu)化系統(tǒng)的能效表現(xiàn)，為用戶提供靈活的開發(fā)接口。

2.2SDRAM存儲器電路

SDRAM（同步動態(tài)隨機(jī)存取存儲器）因其快速讀寫特性而被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，以確保數(shù)據(jù)處理的高效性。本系統(tǒng)將Bank6設(shè)定為系統(tǒng)主存儲空間，用于集成各類應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)資源，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性[3]。

2.3防盜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

2.3.1ZigBee技術(shù)組件

在防盜網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計過程中，針對非法入侵檢測，本系統(tǒng)利用業(yè)主手機(jī)與報警裝置建立了一套無線通信機(jī)制。具體而言，一旦檢測到有未授權(quán)人員進(jìn)入室內(nèi)，系統(tǒng)會立即將相關(guān)信息通過室內(nèi)的ZigBee路由器傳輸，并借助Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步轉(zhuǎn)發(fā)給用戶的移動終端。整個過程僅需消耗少量流量即可完成信息傳遞，保證了即使在網(wǎng)絡(luò)信號不佳的情況下也能及時發(fā)出警報，有效降低了通信成本及信息量。這種預(yù)備狀態(tài)下的工作模式，系統(tǒng)能夠在大多數(shù)時間內(nèi)保持低能耗運(yùn)行。

根據(jù)上述工作流程和技術(shù)特點(diǎn)，本研究選擇了ZigBee傳輸技術(shù)來構(gòu)建報警系統(tǒng)的無線通信部分。ZigBee技術(shù)支持點(diǎn)對點(diǎn)傳輸距離可達(dá) 10m～100m ，足以滿足一般家庭環(huán)境下的報警需求。

2.3.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

在ZigBee協(xié)議中的設(shè)備包括節(jié)點(diǎn)設(shè)備和網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

（1）節(jié)點(diǎn)設(shè)備：作為數(shù)據(jù)采集終端，與傳感器相連，實時監(jiān)測環(huán)境變化，網(wǎng)絡(luò)初始化時與網(wǎng)關(guān)配對并加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，擁有唯一網(wǎng)絡(luò)地址，便于查詢和監(jiān)控。

（2）網(wǎng)關(guān)設(shè)備：系統(tǒng)中樞，負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和節(jié)點(diǎn)設(shè)備間通信協(xié)調(diào)，接收報警信號并通過互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)給物業(yè)管理或業(yè)主，確保及時報警。

2.3.3報警系統(tǒng)工作過程

本報警系統(tǒng)的工作流程依托于ZigBee技術(shù)建立的穩(wěn)定可靠的通信網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)入侵報警器檢測到異常活動時，它會立即將警報信號通過ZigBee路由器傳遞給網(wǎng)關(guān)設(shè)備。隨后，網(wǎng)關(guān)設(shè)備利用內(nèi)置Wi-Fi模塊將報警信息同步發(fā)送到物業(yè)管理中心和業(yè)主的智能手機(jī)上，確保相關(guān)人員能夠第一時間獲取緊急通知。此外，為了提供更加直觀的安全保障，系統(tǒng)還可以激活本地安裝的攝像頭，自動截取實時影像并通過網(wǎng)絡(luò)上傳至云端存儲服務(wù)器，以便事后審查和證據(jù)保存[4（見圖2）。

2.4傳感器的設(shè)計

2.4.1紅外入侵傳感器

本文采用被動紅外入侵探測器，安裝高度為 2.5m 探測角度為 110^° 。安裝時需避開電冰箱、空調(diào)等溫度變化源及太陽光直射，工作參數(shù)為：電壓6V，溫度范圍 ?10^°C～55^°C ，電池壽命1年，探測距離 12m 。

2.4.2火災(zāi)探測器

火災(zāi)初期伴隨大量煙霧和溫度升高，因此結(jié)合溫度傳感器和煙霧傳感器進(jìn)行設(shè)計。

（1）煙霧傳感器：采用離子感煙探測器，由開關(guān)電路、場效應(yīng)管、電離室組成。煙霧進(jìn)入電離室，顆粒附著離子產(chǎn)生電流，反映煙霧濃度。

（2）溫度傳感器：選用熱敏電阻型，溫度超預(yù)定值時發(fā)送報警信號，工作電源為AC 220V; ，煙霧靈敏度為 2.06%±1.3 ，報警溫度為 57^°C 。

2.4.3煤氣泄漏探測器

家庭煤氣主要含一氧化碳（CO），泄漏會增加室內(nèi)CO濃度，引發(fā)爆燃和中毒。煤氣泄漏探測器由采樣電路、氣體傳感器和控制電路組成，核心為AXW-RQ01型CO敏感傳感器。工作溫度為 0^°C～5^°C ，電源為AC 220V 能探測煤氣、天然氣、液化石油氣和沼氣[5]。

3 報警系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1手機(jī)App平臺

App軟件是報警系統(tǒng)的核心組成部分，需高度重視其安全性。通過程序設(shè)計對App進(jìn)行加密，防止不報、誤報等現(xiàn)象，同時增強(qiáng)抗干擾和信息攔截能力，提升App的安全性。此外，App支持設(shè)備一對一綁定功能，有效避免多設(shè)備間的干擾。用戶可在手機(jī)App中設(shè)置室內(nèi)設(shè)備、物業(yè)中心電話及語音播報等功能，實時監(jiān)控室內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，App平臺具有良好的時效性[6]。

3.2軟件語言編寫

以單片機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計網(wǎng)關(guān)平臺，根據(jù)程序員需求編寫相應(yīng)程序。網(wǎng)關(guān)設(shè)備負(fù)責(zé)收集外人闖入信息，通過編譯生成嵌入式文件，對網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，并將文件寫入節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)設(shè)備中。系統(tǒng)上電后，向節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送通信請求，激活節(jié)點(diǎn)并創(chuàng)建無線網(wǎng)絡(luò)，將報警信息及時發(fā)送給用戶[7]。

3.3軟件工作流程

在報警系統(tǒng)設(shè)計過程中，硬件設(shè)備提供了基本系統(tǒng)框架，軟件工作和系統(tǒng)功能實現(xiàn)相關(guān)。使用Zstack協(xié)議實現(xiàn)軟件開發(fā)，能夠滿足ZigBee規(guī)范，還能夠支持多軟件開發(fā)平臺，包括S3C2401A處理器、傳感器等，使用IAREmbeddedWorkbench開發(fā)環(huán)境，此為高度靈活、嵌入式的集成開發(fā)環(huán)境，滿足不同微控制器、處理器的軟件開發(fā)，傳感器節(jié)點(diǎn)軟件的流程詳見圖3。

煙霧檢測傳感節(jié)點(diǎn)軟件具備查詢、火災(zāi)報警和數(shù)據(jù)收集等功能。該軟件通過收集管轄區(qū)域內(nèi)的煙霧傳感器模塊數(shù)字信號，并存儲在內(nèi)存中，以判斷火災(zāi)和煙霧情況。它將接收的二值數(shù)字信號與預(yù)先設(shè)置的閾值進(jìn)行對比，以檢測是否存在火情。一旦檢測到火情，火災(zāi)報警模塊將調(diào)用ZigBee無線通信模塊中的信息，將報警信號傳送至終端并觸發(fā)報警。若監(jiān)測結(jié)果正常，則繼續(xù)對比下一個二進(jìn)制信號以判斷信號信息。

查詢模塊便于用戶查詢，響應(yīng)家庭網(wǎng)關(guān)的實際需求。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中收到用戶查詢請求時，可通過ZigBee模塊接收、處理和調(diào)用信息，將傳感器工作情況發(fā)送至服務(wù)器。設(shè)計過程中，需由工作人員設(shè)置傳感器運(yùn)行參數(shù)。為便于系統(tǒng)操作，可設(shè)置系統(tǒng)客戶端。通過監(jiān)控界面觀察報警指示燈狀態(tài)，警報發(fā)生時指示燈亮起。確認(rèn)各報警信息后，對安全情況進(jìn)行判斷，并發(fā)送警報信息。

4 報警系統(tǒng)的測試

4.1傳感器數(shù)據(jù)采集測試

通過PC與串口連接協(xié)調(diào)器，設(shè)置并啟動所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)后的燒錄程序。利用串口助手查看節(jié)點(diǎn)信息，添加所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)后，觀察傳感器采集的數(shù)據(jù)信息。為驗證聲光報警器功能，使用打火器對煙霧傳感器噴氣，警報標(biāo)識系統(tǒng)正常工作。

4.2實時數(shù)據(jù)顯示測試

協(xié)調(diào)器實現(xiàn)PC與串口的連接，啟動上位機(jī)應(yīng)用程序后，通過圖形界面展示室內(nèi)數(shù)據(jù)，包括煙霧濃度、溫濕度及安全狀態(tài)等，確保室內(nèi)環(huán)境安全。用戶可調(diào)整溫度數(shù)據(jù)閾值，以修改系統(tǒng)報警狀態(tài)。服務(wù)器訪問時，可通過時間表或瀏覽器查詢不同時間段的數(shù)據(jù)信息。

5 結(jié)束語

本研究提出的報警系統(tǒng)提高了居住環(huán)境的安全性，簡化了部署與維護(hù)流程，降低了運(yùn)行成本，展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。未來可進(jìn)一步探索更多類型傳感器的集成及系統(tǒng)的智能化升級。

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