基于ZigBee技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院 張軍霖 于軍棋 蘇曉峰

基于ZigBee技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院 張軍霖 于軍棋 蘇曉峰

隨著人們家居生活條件的不斷改善，人們的家庭安全防護(hù)意識(shí)也越來(lái)越強(qiáng)，安防系統(tǒng)不再只局限于防盜、防火和防燃?xì)庑孤┑确矫?，而且還要考慮到家里有老人或病人等實(shí)際情況，需要為他們配備緊急呼救按鈕。傳統(tǒng)的智能家居技術(shù)多采用有線方式，由于布線麻煩、可擴(kuò)展性差且線路易老化等原因而逐漸被市場(chǎng)所淘汰。近年來(lái)，ZigBee技術(shù)作為一種逐漸興起的無(wú)線通信技術(shù)，由于其近距離、低功耗、低成本、組網(wǎng)方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，在智能家居安防系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用。

一、系統(tǒng)總體框圖及工作原理

1. 系統(tǒng)總體框圖。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，主要有2個(gè)部分：前端為ZigBee節(jié)點(diǎn)（數(shù)據(jù)采集部分），后端為主機(jī)（主服務(wù)器）。ZigBee節(jié)點(diǎn)主要由門窗磁、人體紅外、煙感傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊及無(wú)線收發(fā)模塊組成，主機(jī)主要由無(wú)線收發(fā)模塊、中央處理器以及一些外圍電路組成。這2部分通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)線連接。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2. 工作原理。主機(jī)上有2個(gè)功能按鍵，分別為設(shè)防鍵和撤防鍵。當(dāng)主人出門時(shí)按下設(shè)防鍵，然后通過(guò)手機(jī)短信方式由GPRS通知主機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)主人回家時(shí)按下撤防鍵再通過(guò)手機(jī)短信方式通知主機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。待主人進(jìn)入家中時(shí)則按下撤防鍵，主機(jī)便停止工作。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1. ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。ZigBee節(jié)點(diǎn)的主要功能是采集需要的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給主機(jī)。ZigBee節(jié)點(diǎn)主要由傳感器、MCU模塊、ZigBee收發(fā)模塊、存儲(chǔ)模塊和電源管理模塊這5部分組成，包括電源模塊指示燈/開(kāi)關(guān)、傳感器模塊接口。如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

其中，CC2430是Chipcon公司生產(chǎn)的首款符合ZigBee技術(shù)的2.4GHz射頻芯片。CC2430適用于各種ZigBee或類似ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備等。它結(jié)合了Chipcon公司全球先進(jìn)的ZigBee協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計(jì)，展示了領(lǐng)先的ZigBee解決方案，滿足了以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用對(duì)低成本、低功耗的要求。CC2430包括一個(gè)增強(qiáng)的8051單片機(jī)、RF發(fā)射接收機(jī)、可編程的閃存 RAM、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、定時(shí)器（Timer）、AES-128安全協(xié)處理器、看門狗定時(shí)器（Watch Timer）等。CC2430在應(yīng)用于監(jiān)視、控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)，具有低成本、低耗電的特點(diǎn)，而且只需連接少量的外圍器件即可使用。

2. 主機(jī)設(shè)計(jì)。主機(jī)部分由ARM模塊和ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊組成。考慮到智能家居系統(tǒng)以后的可擴(kuò)展性，本設(shè)計(jì)選用了三星公司的ARM9內(nèi)核處理器S3C2440A。S3C2440A采用ARM920T內(nèi)核，具有功耗低、處理速度快、高性能等特點(diǎn)。它包含有3個(gè)UART串口、1個(gè)AC’97解碼接口、1個(gè)IIS（Inter-IC Sound Bus）音頻編譯解碼接口、8通道的A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)SPI接口、1個(gè)IIC接口（支持多主結(jié)構(gòu)）、4個(gè)DMA通道、130個(gè)通用I/O口和24個(gè)通道外部中斷源，1個(gè)帶日歷功能的RTC。S3C2440A的主頻為400MHz，最高達(dá)553MHz，該頻率可以輕松運(yùn)行μc/osⅡ操作系統(tǒng)。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)在軟件選擇時(shí)采用了源代碼公開(kāi)的μc/osⅡ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有編程簡(jiǎn)單、易移植、穩(wěn)定性好、裁剪方便等優(yōu)點(diǎn)，并且支持多任務(wù)調(diào)度。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行流程

四、結(jié)論

本文，筆者基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，結(jié)合μc/osⅡ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套智能家居安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)地采集和分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)緊急情況時(shí)，能迅速報(bào)警且抓拍現(xiàn)場(chǎng)圖像，并通過(guò)GPRS向主人手機(jī)發(fā)送短信，實(shí)現(xiàn)了家居安防系統(tǒng)的智能化。在不久的將來(lái)，這種智能化的安防系統(tǒng)必將得到更加廣泛的應(yīng)用。