基于ZigBee的家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)研究

王步洲，陳寧坡, 李 妍，李朝陽, 蔡凌云

(1. 東旭集團有限公司，河北石家莊 050000;2.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；3.河北工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與軟件學(xué)院，天津 300401)

基于ZigBee的家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)研究

王步洲1，陳寧坡2, 李 妍3，李朝陽1, 蔡凌云2

(1. 東旭集團有限公司，河北石家莊 050000;2.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；3.河北工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與軟件學(xué)院，天津 300401)

通過對家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)需求的分析，設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)。分析了家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)的特點，給出了ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建方法和系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，并介紹了ZigBee網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)方法和硬件設(shè)計，完成對家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)的搭建。實驗驗證本系統(tǒng)穩(wěn)定性強，使用靈活方便，可以實現(xiàn)家庭安全的實時監(jiān)控，保障家庭安全。

安全監(jiān)控；ZigBee；組網(wǎng)；STM32W108；網(wǎng)關(guān)

當(dāng)今人們的安全意識逐漸提高，越來越多的人們，尤其是上班族和經(jīng)常出差的人開始考慮安裝家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)。家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是傳感器的準(zhǔn)確性和網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性。由于科技的進步，單一的報警傳感器的誤報率極低，但只能滿足單一化的場地需求，對于多元化的家庭安全監(jiān)控來說，還是達(dá)不到安全監(jiān)控的目標(biāo)。家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)的通信方式大致分為有線和無線兩種。有線方式有電力載波通信、總線網(wǎng)絡(luò)等，這種方式由于其準(zhǔn)確、可靠，得到大多數(shù)人的認(rèn)可，但其存在安裝布線和拆卸的不方便以及價格昂貴等缺點。隨著科技的發(fā)展，無線通信的可靠性大大提高，人們開始考慮采用無線的方式進行信息傳輸。無線方式有藍(lán)牙( Bluetooth)，WiFi，ZigBee，無線USB，UWB及紅外等。無線方式的優(yōu)點在于無需布線，節(jié)省資源，能夠降低施工難度。在各種無線通信標(biāo)準(zhǔn)中，ZigBee技術(shù)的低功耗、容量大、安全性、組網(wǎng)方便等諸多優(yōu)勢，使其在激烈的競爭中脫穎而出。

基于以上描述，提出一種采用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)的家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)，通過無線通信方式連接各種檢測傳感器[1]，經(jīng)過網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)信息傳至遠(yuǎn)端，實現(xiàn)家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)組建

1.1家庭監(jiān)控ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪x擇[2-3]

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲饕行切?、網(wǎng)型和簇樹型結(jié)構(gòu)。

分析家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)的需求如下：1)家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)整體應(yīng)采用低功耗器件，為了減少供電線的限制，可用高容量鋰電池供電，所以應(yīng)盡量減少終端節(jié)點的工作量，節(jié)約終端節(jié)點用電；2)家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)中外接的傳感器主要是開關(guān)量信號，網(wǎng)絡(luò)中傳輸處理數(shù)據(jù)量不大，不必采用復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪肀ＷC數(shù)據(jù)通信的可靠性；3)家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計不需要很大的覆蓋范圍，根據(jù)ZigBee的標(biāo)準(zhǔn)說明，空曠環(huán)境傳輸距離為90～100 m，在室內(nèi)有墻壁等障礙物的環(huán)境一般也能達(dá)到30～70 m的覆蓋距離，這已經(jīng)滿足了大多數(shù)的家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)的需求。

通過上述分析，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全能滿足家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)要求，并且成本低廉、實現(xiàn)簡單、連接容易、容易擴充和管理、不涉及路由尋址等特點。星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(主設(shè)備)和一個或多個終端設(shè)備(從設(shè)備)組成，主設(shè)備和從設(shè)備網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示符一致。

1.2采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組建網(wǎng)絡(luò)

在無線模塊組成的網(wǎng)絡(luò)中，一個ZigBee無線模塊稱為一個節(jié)點。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)存在3類節(jié)點，分別是協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點以及終端節(jié)點。ZigBee協(xié)議棧構(gòu)建在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上，IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和MAC層。每個ZigBee節(jié)點都有一個唯一的8字節(jié) MAC 地址。因此家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)使用MAC地址作為網(wǎng)絡(luò)地址進行尋址即可[4]。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)由各類檢測傳感器模塊、報警模塊、ZigBee通信模塊以及網(wǎng)關(guān)等組成。每個檢測傳感器模塊和報警模塊與ZigBee通信模塊相連作為終端節(jié)點，網(wǎng)關(guān)與ZigBee通信模塊相連作為協(xié)調(diào)器節(jié)點并負(fù)責(zé)將采集到的終端節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程客戶端。按照上述的方法組成星型網(wǎng)絡(luò)，用戶可以通過無線遙控或遠(yuǎn)程客戶端對家庭環(huán)境進行布防、撤防，各類檢測傳感器實時探測相應(yīng)的家庭安全情況，例如入侵事件或意外情況、發(fā)生異常事件(如非法入侵、煤氣泄漏等)，檢測傳感器可立即通過ZigBee無線模塊傳至遠(yuǎn)程客戶端并發(fā)出警報[5]。

本系統(tǒng)可以完成：1)實時檢測入侵事件，例如門窗異常開啟或室內(nèi)異常人體活動；2)實時檢測家內(nèi)安全情況，例如火災(zāi)引起的煙霧檢測或一氧化碳/天然氣泄漏檢測；3)遠(yuǎn)程和現(xiàn)場報警相結(jié)合，現(xiàn)場的聲光報警，遠(yuǎn)程的短信/電話報警，并可以根據(jù)需要接通相關(guān)的報警電話；4)異常事件發(fā)生時可觸發(fā)攝像機錄像并存儲至云平臺，做好圖像證據(jù)記錄；5)通過云平臺遠(yuǎn)程視頻查看家里狀況；6)使用遙控器或遠(yuǎn)程客戶端一鍵設(shè)置布防/撤防。家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural drawing of home security monitoring system

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)硬件由處理器模塊、檢測傳感器模塊、無線通信模塊、電源模塊、報警模塊、網(wǎng)關(guān)模塊和網(wǎng)絡(luò)攝像頭7個模塊組成。

處理器模塊和無線通信模塊均采用意法半導(dǎo)體(ST)公司推出的STM32W108無線射頻WSN/ZigBee單片機。STM32W108是一個基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的MCU與2.4 GHz基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線射頻(RF)結(jié)合的SoC，內(nèi)部既有強大的MCU通用資源和外設(shè)，也有特殊的射頻模塊。片上系統(tǒng)STM32W108具有MCU一般的通用外設(shè)，例如GPIO、通用定時器、串行接口、中斷等，所以無需額外加MCU對系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個節(jié)點的數(shù)據(jù)處理操作、路由協(xié)議、功耗管理、任務(wù)管理和實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全可靠的通信協(xié)議。無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)數(shù)據(jù)。

檢測傳感器模塊包括各類安全檢測傳感器，例如門磁/窗磁開關(guān)、人體熱釋電紅外傳感器、煙霧探測器、一氧化碳探測器、震動傳感器以及網(wǎng)絡(luò)攝像頭等。檢測傳感器模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集并將各種傳感器采集的信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號傳送給處理器模塊。

報警模塊包括聲光報警器和GSM短信/電話報警。報警模塊負(fù)責(zé)接收傳感器模塊的信息，提供遠(yuǎn)程報警和現(xiàn)場報警。

電源模塊可用高容量鋰電池供電，但要注意STM32W108內(nèi)部是+3.3 V供電電壓，需要添加電壓轉(zhuǎn)換電路，以保證在終端節(jié)點STM32W108與傳感器同時工作。電源模塊負(fù)責(zé)為節(jié)點的各個功能模塊供電。

各類檢測傳感器通過GPIO與STM32W108相連；便攜遙控器連接STM32W108的中斷引腳，用于對家庭環(huán)境進行布防、撤防設(shè)置；網(wǎng)絡(luò)攝像頭、GSM模塊通過串口與STM32W108進行通信。系統(tǒng)硬件連接框圖以熱釋電紅外傳感器為例，如圖2所示。

圖2 熱釋電紅外傳感器硬件連接框圖Fig.2 Hardware connection diagram of pyroelectric infrared sensor

4 ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)計

網(wǎng)關(guān)控制部分用于完成對ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)打包，從數(shù)據(jù)包中提取有效信息，并轉(zhuǎn)化成Internet協(xié)議數(shù)據(jù)，也就是TCP/IP數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)，通過UDP方式或TCP方式經(jīng)過有線或3G無線路由器傳給遠(yuǎn)程客戶端，完成整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸[6]。

為實現(xiàn)ZigBee向以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，該部分采用以太網(wǎng)控制芯片和MCU控制來實現(xiàn)，以太網(wǎng)芯片采用WIZnet系列的W5300以太網(wǎng)芯片來實現(xiàn)，該芯片支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，IGMP，ARP和PPPoE等全部通信協(xié)議并能夠高性能實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。W5300支持16位數(shù)據(jù)總線和8位數(shù)據(jù)總線，對寄存器訪問模式支持直接和間接訪問操作，用戶可以使用8個獨立的SCOKET端口進行高速數(shù)據(jù)通信，W5300與主機(MCU)采用總線接口方式，通過直接訪問方式或間接訪問方式，W5300與主機接口實現(xiàn)通信非常容易。而采用總線訪問的好處就是一旦配置好之后讀寫控制及數(shù)據(jù)都是FSMC自動控制的。當(dāng)向地址總線所代表的地址上寫數(shù)據(jù)時，F(xiàn)SMC就會自動執(zhí)行一個向W5300寫的操作，其對應(yīng)的主控芯片的WE，RD這些腳就會呈現(xiàn)出寫的時序出來，因而就執(zhí)行了一次讀或?qū)懙牟僮?，就如訪問內(nèi)部RAM一樣。

由于直接尋址模式比間接尋址模式具有更高的訪問速度，本設(shè)計采用直接地址訪問方式，采用ST系列的STM32F207ZGT6單片機作為主控芯片，該單片機具有6路同步或異步串行口并支持26位FSMC地址和16位數(shù)據(jù)總線，總線長度可根據(jù)需求靈活配置，設(shè)計采用STM32F207ZGT6地址總線AD[0：9]和W5300的地址總線AD[0：9]相連，數(shù)據(jù)總線DATA[0：15]和W5300的數(shù)據(jù)總線DATA[0：15]相連，其他控制信號相互連接，電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)硬件連接圖Fig.3 Hardware connection diagram of gateway

各路ZigBee中心站點通過射頻單片機STM32W108串口和主控CPU STM32F207ZGT6串口相連，主控CPU接收到ZigBee中心站點發(fā)來的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過地址數(shù)據(jù)總線控制寫入以太網(wǎng)控制芯片W5300，同時W5300接收到網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的數(shù)據(jù)后，傳送給主控CPU，CPU便執(zhí)行一次讀時序操作并將讀到的數(shù)據(jù)傳遞給相應(yīng)的ZigBee中心站點[7-8]，從而完成ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)向以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

每個ZigBee中心站點可接入一個家庭用戶，每一個用戶可對應(yīng)一路SCOKET或多路SCOKET進行通信，這樣就構(gòu)成了具有強大承載能力的網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)通信功能。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境采用IAR System公司的IAR embedded workbench for ARM(EWARM)集成開發(fā)環(huán)境。EWARM是IAR目前發(fā)展很快的產(chǎn)品，編譯器還可針對一種SoC芯片進行專門優(yōu)化[9]。

本系統(tǒng)組建的家庭網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。ZigBee終端節(jié)點負(fù)責(zé)采集終端設(shè)備數(shù)據(jù)，接收來自協(xié)調(diào)器的命令并執(zhí)行，將數(shù)據(jù)匯報給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)處理打包傳遞給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)部分將數(shù)據(jù)打包成TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)包傳遞給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端，進而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；協(xié)調(diào)器也可以控制GSM模塊進行短信/電話報警；遠(yuǎn)程客戶端也可以通過網(wǎng)絡(luò)控制家庭監(jiān)控系統(tǒng)的布防、撤防，并通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭監(jiān)控家里的情況[10]。其終端節(jié)點的主流程圖和中斷流程圖如圖4所示，協(xié)調(diào)器節(jié)點的主流程圖和中斷流程圖如圖5所示。

圖4 終端節(jié)點的主流程圖和中斷流程圖Fig.4 Flow chart of main program and interrupt process of the end device

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點的主流程圖和中斷流程圖Fig.5 Flow chart of main program and interrupt process of the coordinator

6 結(jié) 語

本研究提出并完成一種基于ZigBee的家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，分別從ZigBee組網(wǎng)設(shè)計、系統(tǒng)方案設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計以及網(wǎng)關(guān)等方面深入ZigBee技術(shù)在該系統(tǒng)中的應(yīng)用。采用具有MCU與2.4 GHz無線射頻結(jié)合的SoC-STM32W108作為系統(tǒng)的處理器和無線傳輸模塊，實現(xiàn)了快速率、低成本、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)通信。通過將傳統(tǒng)檢測傳感器與無線模塊相連成為終端節(jié)點，協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)后經(jīng)過網(wǎng)關(guān)傳至遠(yuǎn)程客戶端，終端節(jié)點自由加入網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)靈活、便捷的家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)。

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Research of ZigBee-based home security monitoring system

WANG Buzhou1， CHEN Ningpo2， LI Yan3, LI Chaoyang1， CAI Lingyun2

(1.Dongxu Group Company Limited, Shijiazhuang Hebei 050000, China; 2.School of Information Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China;3.School of Computer Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)

Through analysis of the requirement for home security monitoring system, a home security monitoring system design based on ZigBee technology is provided. The characteristics of home security monitoring systems are analyzed, then the construction method of ZigBee network and hardware and software design are realized. The implementation method and hardware design of ZigBee gateway are also introduced. Experiment results show that the system can achieve and guarantee real-time monitoring of home security, and it has strong stability and is convenient to use.

security monitoring; ZigBee; networking; STM32W108; gateway

1008-1534(2013)04-0257-05

TP277

A

10.7535/hbgykj.2013yx0409

2013-04-01；

2013-05-04

責(zé)任編輯：陳書欣

地震科技星火計劃(XH12005Y)

王步洲(1977-)，男，河北冀州人，工程師，主要從事機電一體化設(shè)備方面的研究。

陳寧坡。E-mail:chenningpo3@163.com