基于ZigBee/SCS智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊慧

摘 要：智能家居安防系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量，傳輸速度，網(wǎng)絡(luò)安全以及移動(dòng)性與靈活性上有很高的要求，基于這些特點(diǎn)設(shè)計(jì)ZigBee/SCS智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)無線家庭網(wǎng)絡(luò)部分選用ZigBee網(wǎng)絡(luò)，有線網(wǎng)絡(luò)部分系統(tǒng)選用SCS雙總線協(xié)議網(wǎng)絡(luò)。重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，終端硬件電路與系統(tǒng)軟件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)安防監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定、快速、安全通信 。

關(guān)鍵詞：ZigBee;SCS;網(wǎng)關(guān);安防監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP393 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：2095-1302（2014）11-00-03

0 ?引 ?言

智能家居是以住宅為平臺(tái)安裝有智能家居系統(tǒng)的居住環(huán)境。在智能家居系統(tǒng)中安防監(jiān)控技術(shù)在可視對(duì)講，防盜報(bào)警，家庭監(jiān)控，小區(qū)一卡通等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。根據(jù)不同的家庭建筑情況，智能家居系統(tǒng)可采取不同的家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，對(duì)于已經(jīng)裝修過的建筑可以采取無線自動(dòng)控制系統(tǒng)，而未裝修的建筑，可以采取無線與有線相結(jié)合的控制方法，這樣彌補(bǔ)了無線不穩(wěn)定等問題。

1 ?系統(tǒng)構(gòu)建概述

安防監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)針對(duì)非法闖入、火災(zāi)險(xiǎn)情、煤氣泄漏、水管泄漏、電路故障等危險(xiǎn)狀況進(jìn)行緊急求助與報(bào)警。該安防監(jiān)控系統(tǒng)重點(diǎn)闡述三個(gè)設(shè)計(jì)：ZigBee/SCS智能網(wǎng)關(guān)，ZigBee無線家庭網(wǎng)絡(luò)以及安防終端設(shè)計(jì)。ZigBee/SCS智能網(wǎng)關(guān)連接ZigBee無線和SCS總線系統(tǒng)，可以使無線控制器控制SCS總線設(shè)備。ZigBee無線家庭網(wǎng)絡(luò)是無線局域網(wǎng)，主要由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)組成。用戶通過無線網(wǎng)絡(luò)把查詢和控制信息發(fā)送給智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理，進(jìn)而發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器根據(jù)接收的信息地址，最終把指令信息發(fā)送給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居系統(tǒng)的安防監(jiān)測(cè)。此外，ZigBee/SCS智能網(wǎng)關(guān)具有語音識(shí)別單元，通過語音識(shí)別功能可以實(shí)現(xiàn)智能家居設(shè)備的語音控制。圖1為智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)是該系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)，是外網(wǎng)和家庭內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是基于SCS協(xié)議的ZigBee/SCS智能網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)主要接收采集節(jié)點(diǎn)，安防節(jié)點(diǎn)，控制節(jié)點(diǎn)傳輸過來的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)對(duì)外網(wǎng)傳來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)以及傳遞采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，把SCS協(xié)議或ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換到TCP協(xié)議。該ZigBee/SCS智能網(wǎng)關(guān)可以連接到ZigBee無線系統(tǒng)和SCS總線系統(tǒng)，在智能家居實(shí)際實(shí)施過程中，在該網(wǎng)關(guān)的作用下，可以實(shí)現(xiàn)無線電控制器控制結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)（SCS）執(zhí)行器，同時(shí)結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)（SCS）控制器能夠控制無線電ZigBee調(diào)光器開關(guān)。

圖1 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)關(guān)的硬件電路主要有7個(gè)部分組成，分別是控制器模塊ARM9處理器，64 MB的存儲(chǔ)單元NAND FLASH和64MB SDRAM，ZigBee模塊（ZigBee協(xié)調(diào)器CC2530），LCD顯示模塊，JTAG調(diào)試接口模塊以及SCS/BUS接口模塊。圖2為安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 ?安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的核心是控制器的選擇，該設(shè)計(jì)選擇ARM9芯片（S3C2440A）作為主控制器，它是以ARM920T為核心的RISC微處理器。該處理器集成了外部存儲(chǔ)控制器，中斷控制器，LCD控制器，DMA控制器，時(shí)鐘和電源管理等豐富資源。同時(shí)，通過外擴(kuò)存儲(chǔ)器，串口，JTAG調(diào)試接口和SCS/SCS接口等構(gòu)成硬件開發(fā)平臺(tái)。

SCS-BUS是指結(jié)構(gòu)化布線/總線系統(tǒng)，SCS（Sistema Cablaggio Semplificato，簡化布線系統(tǒng)）是一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，目前在Bticino和羅格朗得到廣泛的應(yīng)用。SCS總線基于護(hù)套雙絞線，可以調(diào)制4種不同的信號(hào)：電力供應(yīng)信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)、音頻信號(hào)、視頻信號(hào)。其傳輸控制協(xié)議是CSMA/CA（載波偵聽/碰撞避免）。該網(wǎng)關(guān)是雙向的，他們將SCS幀轉(zhuǎn)化為OpenWebNet幀，相反，開放協(xié)議OpenWebNet讓大家來構(gòu)建軟件與SCS interact設(shè)備。SCS協(xié)議是一種專有Bticino協(xié)議。與其他現(xiàn)場(chǎng)總線交互必須僅使用OpenWebNet編寫軟件。

ZigBee模塊選擇CC2530作為射頻收發(fā)器，完成與主控制器之間的數(shù)據(jù)通信。CC2530 芯片是2.4 GHz的片上系統(tǒng)，建立在基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議上面，或是專門的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議上面。CC2530模塊大致可以分為CPU 和內(nèi)存相關(guān)的模塊，外設(shè)、時(shí)鐘和電源管理相關(guān)的模塊，無線電相關(guān)的模塊。此外，CC2530提供了一個(gè)IEEE 802.15.4兼容無線收發(fā)器，RF內(nèi)核控制模擬無線模塊。

系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)部分，主控制器通過串口與無線收發(fā)模塊CC2530連接，同時(shí)對(duì)無線模塊進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，并對(duì)采集節(jié)點(diǎn)，安防節(jié)點(diǎn)，控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息接收與處理。有線設(shè)計(jì)部分，實(shí)在網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)外擴(kuò)一個(gè)SCS接口，實(shí)現(xiàn)與終端設(shè)備的連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傳輸數(shù)據(jù)，主控機(jī)根據(jù)接收到的信息進(jìn)行控制。

2.2 ?協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的根本是充當(dāng)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)必須有一個(gè)協(xié)調(diào)器，可以存儲(chǔ)其所屬網(wǎng)絡(luò)的信息，并且充當(dāng)安全鍵的保險(xiǎn)裝置。該系統(tǒng)中ZigBee/SCS網(wǎng)關(guān)的協(xié)調(diào)器必須是ZigBee協(xié)調(diào)器。

本系統(tǒng)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)選擇無線片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)的CC2530射頻芯片作為ZigBee芯片，該芯片集成了系統(tǒng)所需要的一般基本電路，只需設(shè)計(jì)簡單的外圍電路就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無線收發(fā)功能。圖3為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 ?協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.3 ?終端硬件電路設(shè)計(jì)

安防監(jiān)控報(bào)警模塊通過布置在室內(nèi)外的安防傳感器來探測(cè)警報(bào)事件，由智能家居管理終端向用戶和小區(qū)保安系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息。安防傳感器主要有門磁、窗磁、煤氣泄露傳感器、煙霧傳感器、紅外探頭等。

采用的技術(shù)路線：無線部分采用ZigBee芯片作為安防傳感器的執(zhí)行器，安防傳感器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與智能家居管理終端的通信。有線部分智能家居管理終端可以通過SCS口連接來實(shí)現(xiàn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備定時(shí)上傳安防傳感器的參數(shù)，通過智能家居管理終端可以查詢安防傳感器的工作狀態(tài)和警報(bào)信息。圖4為安防監(jiān)控系統(tǒng)終端管理硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖4 ?安防監(jiān)控終端系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

控制器S3C2440A核心板是智能家居管理終端的中央控制器，負(fù)責(zé)分析處理各功能模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并作出相應(yīng)的決策來實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。底板上的電源和復(fù)位模塊負(fù)責(zé)為核心板和各功能模塊提供工作電壓，復(fù)位電路使管理終端穩(wěn)定可靠的工作。下載調(diào)試接口負(fù)責(zé)智能家居管理終端軟件操作系統(tǒng)的定制、安裝和應(yīng)用程序的下載調(diào)試。ZigBee模塊作為協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與各種智能家電和安防傳感器之間的通信。SD卡可以作為事件記錄。監(jiān)控設(shè)備可以是多個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭，通過網(wǎng)線與路由器相連接，在對(duì)其進(jìn)項(xiàng)相關(guān)設(shè)置。LCD觸摸顯示屏和音頻模塊組合可以實(shí)現(xiàn)家居安防里的可視對(duì)講分機(jī)的功能。智能家居管理終端本地控制的功能是通過LCD觸摸顯示屏來實(shí)現(xiàn)的。WiFi模塊、GPRS模塊和SCS模塊使智能家居管理終端可以通過無線和有線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)音頻視頻圖像傳輸和遠(yuǎn)程控制。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ?安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)主要程序設(shè)計(jì)

安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)連接外網(wǎng)和家庭內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換，確保不同的網(wǎng)絡(luò)之間能夠正常通信。在本系統(tǒng)中ZigBee/SCS智能網(wǎng)關(guān)把SCS協(xié)議或ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議。采集節(jié)點(diǎn)將監(jiān)控的信息進(jìn)行打包處理，包括該節(jié)點(diǎn)的地址信息與檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息，無線部分以ZigBee幀的方式發(fā)送給ZigBee/SCS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，有線部分將SCS幀轉(zhuǎn)化為OpenWebNet幀，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到信息后，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，接著再以以TCP/IP協(xié)議進(jìn)行打包處理。圖5為安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)主程序流程圖。

圖5 ?安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)主程序流程圖

在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，首先對(duì)硬件進(jìn)行上電操作，啟動(dòng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Linux，同時(shí)對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行初始化。安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)起初是處于監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)過來時(shí)，將進(jìn)入中斷處理狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)來自ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)顯示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行存儲(chǔ)打包發(fā)給外網(wǎng)，最終回到監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)是SCS數(shù)據(jù)，則執(zhí)行指令信息，把安防監(jiān)測(cè)信息發(fā)送給主機(jī)，與ZigBee數(shù)據(jù)信息一樣，最終回歸到監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

3.2 ?ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)能夠成功通信的條件是協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)建立的新網(wǎng)絡(luò)在可用的信道上，即空閑信道上。圖6為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)設(shè)計(jì)主程序流程圖。首先對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行上電操作，硬件進(jìn)行初始化，同時(shí)要求協(xié)議棧進(jìn)行初始化。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)通過掃描搜索可用信道嘗試建立新的網(wǎng)絡(luò)。在射頻單元搜索過程中，如果有任何一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)在該信道上，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)將認(rèn)為該信道已經(jīng)被占用，為不可用信道。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)將重復(fù)此過程直到搜索到可用信道。成功建立新的網(wǎng)絡(luò)后，節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求時(shí)，將產(chǎn)生中斷，判斷是否為安防監(jiān)測(cè)終端數(shù)據(jù)，如果是將進(jìn)行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與處理，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)最終回歸于監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

3.3 ?安防監(jiān)控終端入網(wǎng)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)需要完成兩項(xiàng)工作，一是網(wǎng)絡(luò)之間的通信，二是對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行操作。在終端節(jié)點(diǎn)中，采集節(jié)點(diǎn)需要采集家庭安防數(shù)據(jù)信息，再發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接收處理發(fā)送給它的查詢信息。控制節(jié)點(diǎn)在接收到控制命令后對(duì)家電進(jìn)行控制，同時(shí)也要完成射頻信息接收的工作，這要求設(shè)備操作與網(wǎng)絡(luò)通信之間建立連接。安防節(jié)點(diǎn)相對(duì)簡單一些，只需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行安防數(shù)據(jù)采集與發(fā)送。進(jìn)行終端節(jié)點(diǎn)操作時(shí)已經(jīng)確定終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)了，因此，終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行上電操作與系統(tǒng)初始化后，開始搜尋ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，直至確認(rèn)無線網(wǎng)絡(luò)所載的信道，否則將重復(fù)進(jìn)行搜尋過程。申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)成功后，終端節(jié)點(diǎn)將進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)與接收命令。

圖6 ?協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)主程序設(shè)計(jì)

4 ?結(jié) ?語

設(shè)計(jì)的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)是針對(duì)家庭住宅未裝修的情況，它采取無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)安防監(jiān)控功能。該系統(tǒng)是以ARM9為硬件平臺(tái)，Linux為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，SCS協(xié)議為智能家居總線協(xié)議，ZigBee/SCS為智能網(wǎng)關(guān)，將家庭內(nèi)部無線傳感采集節(jié)點(diǎn)采集的安防數(shù)據(jù)信息發(fā)送到控制主機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非法闖入，火災(zāi)險(xiǎn)情，電路故障等狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該設(shè)計(jì)可以使安防監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)獲得穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)通信，同時(shí)該系統(tǒng)在實(shí)際布線過程中可實(shí)現(xiàn)無線電控制器與SCS（結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)）執(zhí)行器的相互控制，對(duì)智能家居系統(tǒng)的發(fā)展與建設(shè)有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]田正濤.家庭智能控制終端產(chǎn)品開發(fā)研究[D]. 山東：山東科技大學(xué)，2011

[2]敖志剛.智能家庭網(wǎng)絡(luò)及其控制技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[3] Wikipedia.BUS SCS[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/Bus_SCS，2013

[4]熊少義.基于ARM9的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2012

[5]許東.基于CC2530的環(huán)境監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，33（S2）：17-20，24.

[6]邢銳.基于ARM處理器的ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].光機(jī)電信息，2011，28（3）：42-46.

[7] 智能家居世界網(wǎng). 智能家居行業(yè)大老虎來了[EB/OL]. http：//www.fcuhome.com/article-1246-1.html，2014.

[8]嚴(yán)建新. 智能家居市場(chǎng)發(fā)展分析思考[J]. 中國安防，2012（5）：60-62.

[9] Chen Bo， Wu Ming-guang， Yao Shuai， et al. ZigBee Technology and Its Application on Wireless Meter-reading System[A].Industrial Informatics，2006 IEEE International Conference[C]，2006：1257-1260.

[10]鐘建國. 基于Internet的智能家居控制終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（16）：109-115.

圖3 ?協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.3 ?終端硬件電路設(shè)計(jì)

安防監(jiān)控報(bào)警模塊通過布置在室內(nèi)外的安防傳感器來探測(cè)警報(bào)事件，由智能家居管理終端向用戶和小區(qū)保安系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息。安防傳感器主要有門磁、窗磁、煤氣泄露傳感器、煙霧傳感器、紅外探頭等。

采用的技術(shù)路線：無線部分采用ZigBee芯片作為安防傳感器的執(zhí)行器，安防傳感器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與智能家居管理終端的通信。有線部分智能家居管理終端可以通過SCS口連接來實(shí)現(xiàn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備定時(shí)上傳安防傳感器的參數(shù)，通過智能家居管理終端可以查詢安防傳感器的工作狀態(tài)和警報(bào)信息。圖4為安防監(jiān)控系統(tǒng)終端管理硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖4 ?安防監(jiān)控終端系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

控制器S3C2440A核心板是智能家居管理終端的中央控制器，負(fù)責(zé)分析處理各功能模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并作出相應(yīng)的決策來實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。底板上的電源和復(fù)位模塊負(fù)責(zé)為核心板和各功能模塊提供工作電壓，復(fù)位電路使管理終端穩(wěn)定可靠的工作。下載調(diào)試接口負(fù)責(zé)智能家居管理終端軟件操作系統(tǒng)的定制、安裝和應(yīng)用程序的下載調(diào)試。ZigBee模塊作為協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與各種智能家電和安防傳感器之間的通信。SD卡可以作為事件記錄。監(jiān)控設(shè)備可以是多個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭，通過網(wǎng)線與路由器相連接，在對(duì)其進(jìn)項(xiàng)相關(guān)設(shè)置。LCD觸摸顯示屏和音頻模塊組合可以實(shí)現(xiàn)家居安防里的可視對(duì)講分機(jī)的功能。智能家居管理終端本地控制的功能是通過LCD觸摸顯示屏來實(shí)現(xiàn)的。WiFi模塊、GPRS模塊和SCS模塊使智能家居管理終端可以通過無線和有線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)音頻視頻圖像傳輸和遠(yuǎn)程控制。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ?安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)主要程序設(shè)計(jì)

安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)連接外網(wǎng)和家庭內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換，確保不同的網(wǎng)絡(luò)之間能夠正常通信。在本系統(tǒng)中ZigBee/SCS智能網(wǎng)關(guān)把SCS協(xié)議或ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議。采集節(jié)點(diǎn)將監(jiān)控的信息進(jìn)行打包處理，包括該節(jié)點(diǎn)的地址信息與檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息，無線部分以ZigBee幀的方式發(fā)送給ZigBee/SCS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，有線部分將SCS幀轉(zhuǎn)化為OpenWebNet幀，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到信息后，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，接著再以以TCP/IP協(xié)議進(jìn)行打包處理。圖5為安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)主程序流程圖。

圖5 ?安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)主程序流程圖

在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，首先對(duì)硬件進(jìn)行上電操作，啟動(dòng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Linux，同時(shí)對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行初始化。安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)起初是處于監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)過來時(shí)，將進(jìn)入中斷處理狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)來自ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)顯示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行存儲(chǔ)打包發(fā)給外網(wǎng)，最終回到監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)是SCS數(shù)據(jù)，則執(zhí)行指令信息，把安防監(jiān)測(cè)信息發(fā)送給主機(jī)，與ZigBee數(shù)據(jù)信息一樣，最終回歸到監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

3.2 ?ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)能夠成功通信的條件是協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)建立的新網(wǎng)絡(luò)在可用的信道上，即空閑信道上。圖6為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)設(shè)計(jì)主程序流程圖。首先對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行上電操作，硬件進(jìn)行初始化，同時(shí)要求協(xié)議棧進(jìn)行初始化。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)通過掃描搜索可用信道嘗試建立新的網(wǎng)絡(luò)。在射頻單元搜索過程中，如果有任何一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)在該信道上，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)將認(rèn)為該信道已經(jīng)被占用，為不可用信道。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)將重復(fù)此過程直到搜索到可用信道。成功建立新的網(wǎng)絡(luò)后，節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求時(shí)，將產(chǎn)生中斷，判斷是否為安防監(jiān)測(cè)終端數(shù)據(jù)，如果是將進(jìn)行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與處理，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)最終回歸于監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

3.3 ?安防監(jiān)控終端入網(wǎng)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)需要完成兩項(xiàng)工作，一是網(wǎng)絡(luò)之間的通信，二是對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行操作。在終端節(jié)點(diǎn)中，采集節(jié)點(diǎn)需要采集家庭安防數(shù)據(jù)信息，再發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接收處理發(fā)送給它的查詢信息?？刂乒?jié)點(diǎn)在接收到控制命令后對(duì)家電進(jìn)行控制，同時(shí)也要完成射頻信息接收的工作，這要求設(shè)備操作與網(wǎng)絡(luò)通信之間建立連接。安防節(jié)點(diǎn)相對(duì)簡單一些，只需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行安防數(shù)據(jù)采集與發(fā)送。進(jìn)行終端節(jié)點(diǎn)操作時(shí)已經(jīng)確定終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)了，因此，終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行上電操作與系統(tǒng)初始化后，開始搜尋ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，直至確認(rèn)無線網(wǎng)絡(luò)所載的信道，否則將重復(fù)進(jìn)行搜尋過程。申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)成功后，終端節(jié)點(diǎn)將進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)與接收命令。

圖6 ?協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)主程序設(shè)計(jì)

4 ?結(jié) ?語

設(shè)計(jì)的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)是針對(duì)家庭住宅未裝修的情況，它采取無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)安防監(jiān)控功能。該系統(tǒng)是以ARM9為硬件平臺(tái)，Linux為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，SCS協(xié)議為智能家居總線協(xié)議，ZigBee/SCS為智能網(wǎng)關(guān)，將家庭內(nèi)部無線傳感采集節(jié)點(diǎn)采集的安防數(shù)據(jù)信息發(fā)送到控制主機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非法闖入，火災(zāi)險(xiǎn)情，電路故障等狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該設(shè)計(jì)可以使安防監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)獲得穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)通信，同時(shí)該系統(tǒng)在實(shí)際布線過程中可實(shí)現(xiàn)無線電控制器與SCS（結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)）執(zhí)行器的相互控制，對(duì)智能家居系統(tǒng)的發(fā)展與建設(shè)有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]田正濤.家庭智能控制終端產(chǎn)品開發(fā)研究[D]. 山東：山東科技大學(xué)，2011

[2]敖志剛.智能家庭網(wǎng)絡(luò)及其控制技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[3] Wikipedia.BUS SCS[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/Bus_SCS，2013

[4]熊少義.基于ARM9的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2012

[5]許東.基于CC2530的環(huán)境監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，33（S2）：17-20，24.

[6]邢銳.基于ARM處理器的ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].光機(jī)電信息，2011，28（3）：42-46.

[7] 智能家居世界網(wǎng). 智能家居行業(yè)大老虎來了[EB/OL]. http：//www.fcuhome.com/article-1246-1.html，2014.

[8]嚴(yán)建新. 智能家居市場(chǎng)發(fā)展分析思考[J]. 中國安防，2012（5）：60-62.

[9] Chen Bo， Wu Ming-guang， Yao Shuai， et al. ZigBee Technology and Its Application on Wireless Meter-reading System[A].Industrial Informatics，2006 IEEE International Conference[C]，2006：1257-1260.

[10]鐘建國. 基于Internet的智能家居控制終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（16）：109-115.

圖3 ?協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.3 ?終端硬件電路設(shè)計(jì)

安防監(jiān)控報(bào)警模塊通過布置在室內(nèi)外的安防傳感器來探測(cè)警報(bào)事件，由智能家居管理終端向用戶和小區(qū)保安系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息。安防傳感器主要有門磁、窗磁、煤氣泄露傳感器、煙霧傳感器、紅外探頭等。

采用的技術(shù)路線：無線部分采用ZigBee芯片作為安防傳感器的執(zhí)行器，安防傳感器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與智能家居管理終端的通信。有線部分智能家居管理終端可以通過SCS口連接來實(shí)現(xiàn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備定時(shí)上傳安防傳感器的參數(shù)，通過智能家居管理終端可以查詢安防傳感器的工作狀態(tài)和警報(bào)信息。圖4為安防監(jiān)控系統(tǒng)終端管理硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖4 ?安防監(jiān)控終端系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

控制器S3C2440A核心板是智能家居管理終端的中央控制器，負(fù)責(zé)分析處理各功能模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并作出相應(yīng)的決策來實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。底板上的電源和復(fù)位模塊負(fù)責(zé)為核心板和各功能模塊提供工作電壓，復(fù)位電路使管理終端穩(wěn)定可靠的工作。下載調(diào)試接口負(fù)責(zé)智能家居管理終端軟件操作系統(tǒng)的定制、安裝和應(yīng)用程序的下載調(diào)試。ZigBee模塊作為協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與各種智能家電和安防傳感器之間的通信。SD卡可以作為事件記錄。監(jiān)控設(shè)備可以是多個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭，通過網(wǎng)線與路由器相連接，在對(duì)其進(jìn)項(xiàng)相關(guān)設(shè)置。LCD觸摸顯示屏和音頻模塊組合可以實(shí)現(xiàn)家居安防里的可視對(duì)講分機(jī)的功能。智能家居管理終端本地控制的功能是通過LCD觸摸顯示屏來實(shí)現(xiàn)的。WiFi模塊、GPRS模塊和SCS模塊使智能家居管理終端可以通過無線和有線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)音頻視頻圖像傳輸和遠(yuǎn)程控制。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ?安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)主要程序設(shè)計(jì)

安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)連接外網(wǎng)和家庭內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換，確保不同的網(wǎng)絡(luò)之間能夠正常通信。在本系統(tǒng)中ZigBee/SCS智能網(wǎng)關(guān)把SCS協(xié)議或ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議。采集節(jié)點(diǎn)將監(jiān)控的信息進(jìn)行打包處理，包括該節(jié)點(diǎn)的地址信息與檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息，無線部分以ZigBee幀的方式發(fā)送給ZigBee/SCS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，有線部分將SCS幀轉(zhuǎn)化為OpenWebNet幀，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到信息后，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，接著再以以TCP/IP協(xié)議進(jìn)行打包處理。圖5為安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)主程序流程圖。

圖5 ?安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)主程序流程圖

在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，首先對(duì)硬件進(jìn)行上電操作，啟動(dòng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Linux，同時(shí)對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行初始化。安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)起初是處于監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)過來時(shí)，將進(jìn)入中斷處理狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)來自ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)顯示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行存儲(chǔ)打包發(fā)給外網(wǎng)，最終回到監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)是SCS數(shù)據(jù)，則執(zhí)行指令信息，把安防監(jiān)測(cè)信息發(fā)送給主機(jī)，與ZigBee數(shù)據(jù)信息一樣，最終回歸到監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

3.2 ?ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)能夠成功通信的條件是協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)建立的新網(wǎng)絡(luò)在可用的信道上，即空閑信道上。圖6為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)設(shè)計(jì)主程序流程圖。首先對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行上電操作，硬件進(jìn)行初始化，同時(shí)要求協(xié)議棧進(jìn)行初始化。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)通過掃描搜索可用信道嘗試建立新的網(wǎng)絡(luò)。在射頻單元搜索過程中，如果有任何一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)在該信道上，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)將認(rèn)為該信道已經(jīng)被占用，為不可用信道。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)將重復(fù)此過程直到搜索到可用信道。成功建立新的網(wǎng)絡(luò)后，節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求時(shí)，將產(chǎn)生中斷，判斷是否為安防監(jiān)測(cè)終端數(shù)據(jù)，如果是將進(jìn)行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與處理，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)最終回歸于監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

3.3 ?安防監(jiān)控終端入網(wǎng)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)需要完成兩項(xiàng)工作，一是網(wǎng)絡(luò)之間的通信，二是對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行操作。在終端節(jié)點(diǎn)中，采集節(jié)點(diǎn)需要采集家庭安防數(shù)據(jù)信息，再發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接收處理發(fā)送給它的查詢信息。控制節(jié)點(diǎn)在接收到控制命令后對(duì)家電進(jìn)行控制，同時(shí)也要完成射頻信息接收的工作，這要求設(shè)備操作與網(wǎng)絡(luò)通信之間建立連接。安防節(jié)點(diǎn)相對(duì)簡單一些，只需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行安防數(shù)據(jù)采集與發(fā)送。進(jìn)行終端節(jié)點(diǎn)操作時(shí)已經(jīng)確定終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)了，因此，終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行上電操作與系統(tǒng)初始化后，開始搜尋ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，直至確認(rèn)無線網(wǎng)絡(luò)所載的信道，否則將重復(fù)進(jìn)行搜尋過程。申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)成功后，終端節(jié)點(diǎn)將進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)與接收命令。

圖6 ?協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)主程序設(shè)計(jì)

4 ?結(jié) ?語

設(shè)計(jì)的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)是針對(duì)家庭住宅未裝修的情況，它采取無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)安防監(jiān)控功能。該系統(tǒng)是以ARM9為硬件平臺(tái)，Linux為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，SCS協(xié)議為智能家居總線協(xié)議，ZigBee/SCS為智能網(wǎng)關(guān)，將家庭內(nèi)部無線傳感采集節(jié)點(diǎn)采集的安防數(shù)據(jù)信息發(fā)送到控制主機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非法闖入，火災(zāi)險(xiǎn)情，電路故障等狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該設(shè)計(jì)可以使安防監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)獲得穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)通信，同時(shí)該系統(tǒng)在實(shí)際布線過程中可實(shí)現(xiàn)無線電控制器與SCS（結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)）執(zhí)行器的相互控制，對(duì)智能家居系統(tǒng)的發(fā)展與建設(shè)有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]田正濤.家庭智能控制終端產(chǎn)品開發(fā)研究[D]. 山東：山東科技大學(xué)，2011

[2]敖志剛.智能家庭網(wǎng)絡(luò)及其控制技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[3] Wikipedia.BUS SCS[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/Bus_SCS，2013

[4]熊少義.基于ARM9的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2012

[5]許東.基于CC2530的環(huán)境監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，33（S2）：17-20，24.

[6]邢銳.基于ARM處理器的ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].光機(jī)電信息，2011，28（3）：42-46.

[7] 智能家居世界網(wǎng). 智能家居行業(yè)大老虎來了[EB/OL]. http：//www.fcuhome.com/article-1246-1.html，2014.

[8]嚴(yán)建新. 智能家居市場(chǎng)發(fā)展分析思考[J]. 中國安防，2012（5）：60-62.

[9] Chen Bo， Wu Ming-guang， Yao Shuai， et al. ZigBee Technology and Its Application on Wireless Meter-reading System[A].Industrial Informatics，2006 IEEE International Conference[C]，2006：1257-1260.

[10]鐘建國. 基于Internet的智能家居控制終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（16）：109-115.