基于ZigBee無線通信的家庭智能安防系統(tǒng)設(shè)計＊

陳博睿 何泓洋

（1.武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院電信學(xué)部 武漢 430074）（2.海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系 武漢 430033）

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)的概念由美國麻省理工學(xué)院于1991年（MIT）首次提出。在之后的二十余年里，隨著傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和RFID標簽技術(shù)等快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)取得了飛速發(fā)展并走進人們的生活，進而有了智能家居的概念。

家庭安防系統(tǒng)［1～3］是智能家居的子系統(tǒng)。隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，對物質(zhì)安全的重視程度也隨之提高。加上電器的大量使用、生活節(jié)奏加快，住宅出現(xiàn)火災(zāi)、煤氣泄漏等安全隱患較以往大大增加，威脅到人們的生命、財產(chǎn)安全。因此，人們迫切需要智能化的家庭安防系統(tǒng)在住宅發(fā)生安全事故時進行緊急處理，并向自己和物業(yè)報警。

本文設(shè)計了基于ZigBee無線通信技術(shù)的家庭安防系統(tǒng)。系統(tǒng)合理利用了無線通信無需繁瑣布線，以及ZigBee技術(shù)低功耗、高可靠性等優(yōu)勢，選取了有效的通信策略。同時，設(shè)計了基于ARM技術(shù)的功能完善、可拓展性強的控制策略。因此，本系統(tǒng)有較強的使用價值。

2 系統(tǒng)工作原理

家庭安防系統(tǒng)主要由前端系統(tǒng)和后端系統(tǒng)兩個部分組成。前端系統(tǒng)主要分為檢測傳感器、信號處理器和無線發(fā)射器。后端系統(tǒng)主要分為無線接收機、中央處理器和外圍響應(yīng)電路。家庭安防系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 家庭智能安防系統(tǒng)原理圖

如圖1所示，在家庭安防系統(tǒng)中，檢測傳感器接收到相關(guān)信號之后，將其發(fā)送給信號處理器。信號處理器對信號的類別、危險等級等進行標記，并按一定格式進行編碼，然后將編碼后的信號傳輸給無線發(fā)射器。通過基于ZigBee技術(shù)的無線通信設(shè)備，將安防信號傳輸?shù)街醒胩幚砥?，處理器對接收到的?shù)據(jù)進行解碼，然后根據(jù)信號的類別、危險等級等信息輸出相應(yīng)的控制量，控制外圍響應(yīng)電路和相關(guān)設(shè)備的動作。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及硬件構(gòu)成

家庭智能安防系統(tǒng)主要由檢測傳感器模塊、無線通信模塊、中央處理器模塊和外圍響應(yīng)電路模塊組成。系統(tǒng)總體方案如圖2所示。

圖2 家庭智能安防系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，本系統(tǒng)的檢測傳感器分為紅外探測器、門／窗磁式傳感器、預(yù)警求助按鈕、煙霧探測器和煤氣報警器。無線發(fā)射裝置采用了CC2538無線發(fā)射器，無線接收裝置采用了CC2538無線接收機。中央處理器采用了AT912RM9200芯片。外圍響應(yīng)電路分為氣閥切斷電路、排氣扇開啟電路、電源切斷電路和GPRS發(fā)送模塊。

3.1 傳感器模塊及外部響應(yīng)電路

傳感器模塊通過對室內(nèi)各種環(huán)境的監(jiān)測，為家庭安防系統(tǒng)提供防盜、防火、煤氣泄漏和緊急求助等信號。外部響應(yīng)電路是家庭安防系統(tǒng)的終端執(zhí)行模塊，它接收中央處理器的指令對傳感器的各種信號進行響應(yīng)。

下面，對本系統(tǒng)中使用的主要傳感器及其驅(qū)動外部響應(yīng)電路的機理進行說明。

1）人體紅外熱釋電傳感器。人體紅外熱釋電傳感器用以檢測人體發(fā)射的紅外線，以識別是否有人在傳感器的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)活動。當(dāng)人體進入傳感器的探測區(qū)域時就產(chǎn)生電平觸發(fā)信號通知中央處理器有人體接近，中央處理器驅(qū)動外部GPRS模塊進行報警。

2）門窗磁式傳感器。門窗磁式傳感器它有兩部分組成：較小的部件為永磁體，內(nèi)部有一塊永久磁鐵，用來產(chǎn)生恒定的磁場；較大的是門窗磁式傳感器主體，內(nèi)部有一個常開型的干簧管。當(dāng)永磁體和干簧管靠得很近時（小于5mm），門窗磁式傳感器處于工作守候狀態(tài)；當(dāng)永磁體離開干簧管一定距離后（大于8mm），門窗磁式傳感器立即產(chǎn)生報警信號，中央處理器接收到該信號后，驅(qū)動外部GPRS模塊進行報警。

3）煙霧報警傳感器。煙霧報警傳感器是火災(zāi)探測器的最常用類型，它能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報警功能，是居民家庭通用的火災(zāi)報警器。遇到火災(zāi)發(fā)生的煙霧時，傳感器產(chǎn)生報警信號。中央處理器接收到該信號后，一方面聯(lián)動排風(fēng)扇，把煙霧排出室外；另一方面，通過GPRS模塊報警。

4）燃氣泄漏傳感器。燃氣泄漏傳感器分布于廚房里面執(zhí)行燃氣泄漏監(jiān)測任務(wù)，以防止燃氣中毒和燃氣爆炸事件的發(fā)生。燃氣泄漏報警器通過氣體傳感器探測周圍環(huán)境中的低濃度可燃氣體，經(jīng)過采樣電路，將探測信號用模擬量或數(shù)字量傳遞給控制器或控制電路，當(dāng)可燃氣體濃度超過控制器或控制電路中設(shè)定的值時，傳感器產(chǎn)生報警信號，進而中央處理器驅(qū)動外部電路關(guān)閉燃氣閥門、關(guān)閉室內(nèi)電源并通過GPRS模塊發(fā)出報警。

5）緊急求助報警按鈕：在家庭安防系統(tǒng)中接入各種求助按鈕，使得家中的老人小孩在遇到緊急情況時通過啟動求助按鈕快速進行現(xiàn)場報警和遠程報警，及時獲得各種救助。

3.2 ZigBee無線通信模塊

3.2.1 ZigBee無線通信技術(shù)

Zigbee［4～9］是基于IEEE802.15.4標準的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要特點是低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲、低復(fù)雜度、快速、可靠、安全。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的可分為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、匯聚節(jié)點（Router）、傳感器節(jié)點（EndDevice）等三種角色，主要適用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域。

結(jié)合本系統(tǒng)的應(yīng)用實際，ZigBee無線通信設(shè)備的主要優(yōu)勢在于：低功耗，低速率，可靠性高。

· 低功耗：由于本系統(tǒng)有多個無線終端設(shè)備長時間處于待機或工作狀態(tài)，若無線通信設(shè)備功耗太大勢必造成能源浪費以及整個安防系統(tǒng)的運行成本過高。因此，ZigBee無線通信設(shè)備的低功耗特點使得它非常適合本系統(tǒng)。在低耗電待機模式下，兩節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比較而言，藍牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時。

· 低速率：在本系統(tǒng)中，通過無線通信設(shè)備傳輸給中央處理器的傳感器信號的數(shù)據(jù)量非常小、頻率非常低。因此，系統(tǒng)無需使用高速通信技術(shù)。ZigBee工作在20～250kbps的速率，分別 提供 250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

高可靠性：無線通信設(shè)備的穩(wěn)定、可靠性是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。因此，高可靠性的ZigBee技術(shù)是本系統(tǒng)無線通信環(huán)節(jié)的理想選擇。

3.2.2 通信模塊片上系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用了德州儀器公司推出的CC2538片上系統(tǒng)作為無線通信模塊的核心。

CC2538片上系統(tǒng)是目前業(yè)內(nèi)集成度最高的Zigbee解決方案。它包含一個強大的基于ARM Cortex M3的微控制器（MCU）系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有高達32K片載RAM 和512K片載閃存。這使得它能夠處理具有安全性、包含要求嚴格的應(yīng)用以及無線下載的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)堆棧。32個通用輸入和輸出（GPIO）以及串行外設(shè)接口可實現(xiàn)到電路板其它部分的簡單連接。強大的安全加速器可在CPU處理應(yīng)用任務(wù)的同時實現(xiàn)快速且高效的認證和加密。具有保持功能的低功耗模式可實現(xiàn)從睡眠狀態(tài)中的快速喚醒并且大大降低了執(zhí)行周期任務(wù)時的能耗。為了實現(xiàn)順利平穩(wěn)開發(fā)，CC2538包括一個強大的調(diào)試系統(tǒng)和一個綜合性驅(qū)動器庫。為了減少應(yīng)用閃存封裝尺寸，CC2538ROM包含一個實用功能庫和一個串行引導(dǎo)加載器，與德州儀器（TI）提供的ZigBee協(xié)議棧PRO或Zigbee IP協(xié)議棧組合在一起免費使用。CC2538能提供市面上功能最強大且可靠耐用的Zigbee解決方案。

采用CC2538片上系統(tǒng)可以保證家庭安防系統(tǒng)無線通信模塊正常工作，而且在設(shè)計上具有良好的拓展性。隨著全球物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，家庭安防系統(tǒng)也必將不斷發(fā)展和完善，CC2538片上系統(tǒng)為家庭安防系統(tǒng)的拓展與進化創(chuàng)造了條件。

3.3 中央控制器

本系統(tǒng)選用AT91RM9200處理器作為系統(tǒng)的核心處理單元。AT91RM9200是ATMEL公司生產(chǎn)的一款高性能的ARM9［10～11］芯片，它是一款通用工業(yè)級 ARM 芯片，主頻為180MHz／200MIPS，已經(jīng)在工業(yè)控制、智能儀器儀表等領(lǐng)域內(nèi)得到了大量的應(yīng)用。

AT91RM9200是完全圍繞ARM920TARM Thumb處理器構(gòu)建的系統(tǒng)。它包括一個高速片上SRAM工作區(qū)及一個低等待時間的外部總線接口（EBI），以完成應(yīng)用所要求的片外存儲器和內(nèi)部存儲器映射外設(shè)配置的無縫連接。EBI有同步DRAM（SDRAM）、Burst Flash及靜態(tài)存儲器的控制器，并設(shè)計了專用電路以方便與SmartMedia、CompactFlash及NAND Flash連接。AT91RM9200集成了豐富的系統(tǒng)與應(yīng)用外設(shè)，同時也集成了很多標準接口，包括USB 2.0全速主機和設(shè)備端口及與多數(shù)外設(shè)和在網(wǎng)絡(luò)層廣泛使用的10／100Base－T以太網(wǎng)媒體訪問控制器（MAC）。高級中斷控制器（AIC）通過多向量，中斷源優(yōu)先級劃分及縮短中斷處理傳輸時間來提高ARM920T處理器的中斷處理性能。因此，AT91RM9200能夠為低功耗、低成本、高性能的計算機需求提供一個單片解決方案。

本系統(tǒng)中采用AT91RM9200進行數(shù)據(jù)處理并輸出控制信號。AT91RM9200強大的運算能力可以滿足家庭安防系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理的需求，它多樣化的對外接口可以實現(xiàn)與多種外設(shè)的通信，使得本系統(tǒng)的中央處理器有較廣的適用范圍。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)開機后，主機處于設(shè)防狀態(tài)。此時，傳感器通過信號處理器和無線通信模塊發(fā)送給中央處理器的信號將被主機讀取和處理，進而驅(qū)動GPRS報警模塊以及外圍聯(lián)動設(shè)備。軟件的總體流程如圖3所示。

系統(tǒng)軟件總流程如系統(tǒng)開機后首先調(diào)用控制器進行初始化，然后讀取按鍵值，根據(jù)按鍵值判斷當(dāng)前狀態(tài).當(dāng)主機處于設(shè)防狀態(tài)時，通過掃描CC2430接收模塊來查詢各個節(jié)點的情況，一旦發(fā)現(xiàn)有異常狀況，系統(tǒng)判斷為何種突發(fā)事件后，立即啟動報警裝置、USB攝像頭，并給預(yù)先設(shè)置好的手機號碼發(fā)送短信。

如圖3所示，系統(tǒng)開機后，若無線接收機有事故信號輸入到中央處理器，則系統(tǒng)首先對信號進行解碼，進而確定事故的類型以及危險等級。根據(jù)不同的事故類型驅(qū)動相應(yīng)的外圍設(shè)備，并通過GPRS模塊向主人或者物業(yè)報警。上述工作完畢后，程序運行結(jié)束，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。

圖3 軟件程序流程圖

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一套家庭智能安防系統(tǒng)。首先對系統(tǒng)工作原理進行了分析，對系統(tǒng)硬件構(gòu)成進行了設(shè)計。分析了Zigbee無線通信技術(shù)的優(yōu)勢，并利用基于ZigBee的技術(shù)的CC2538片上系統(tǒng)對無線通信系統(tǒng)進行了設(shè)計。提出了利用基于ARM技術(shù)的AT91RM9200芯片作為中央處理器的核心。設(shè)計了安防系統(tǒng)控制軟件，分析了軟件程序流程。在硬件設(shè)計上，為系統(tǒng)進一步開發(fā)和完善預(yù)留了空間?？梢灶A(yù)見這種家庭智能安防系統(tǒng)可以在家庭防盜、防火、防止煤氣泄漏等工作中發(fā)揮作用，有效保護人們的生命、財產(chǎn)安全。

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