基于ZigBee技術(shù)的家庭智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中國(guó)計(jì)量學(xué)院 袁敬坤 謝汪智 王俊偉 王 波 李弘洋 王燕杰

基于ZigBee技術(shù)的家庭智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中國(guó)計(jì)量學(xué)院 袁敬坤 謝汪智 王俊偉 王 波 李弘洋 王燕杰

為實(shí)現(xiàn)家庭安全無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的家庭智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)由CC2530收發(fā)模塊和各種探測(cè)傳感器組成。傳感器采集的信號(hào)經(jīng)由CC2530收發(fā)模塊傳至智能網(wǎng)關(guān)，通過(guò)Internet方式發(fā)送至服務(wù)器，人們可以通過(guò)手機(jī)等終端連接到服務(wù)器獲取相應(yīng)信息并驅(qū)動(dòng)攝像頭抓拍現(xiàn)場(chǎng)，并發(fā)出聲光報(bào)警，實(shí)現(xiàn)家庭的消防、防盜以及遠(yuǎn)程傳輸監(jiān)控功能。系統(tǒng)具有警報(bào)響應(yīng)快、可靠性高、易于擴(kuò)展、便于推廣等特點(diǎn)。

ZigBee；智能安防；自動(dòng)監(jiān)控；信息

1 引言

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，使得很多原本存在的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)也漸漸地往這種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)上靠近，IEEE802.11無(wú)線(xiàn)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的普及也使無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路技術(shù)越來(lái)越重要，有很多的相關(guān)產(chǎn)品及應(yīng)用出現(xiàn)。無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)絡(luò)漸受到關(guān)注，基于IEEE802.11的ZigBee技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)。與此同時(shí)，部分芯片廠(chǎng)商（比如TI、Freescale）推出了在單顆芯片上同時(shí)集成了物理層的收發(fā)和單片機(jī)功能的單Soc解決方案，由于它不需要額外單片機(jī)，因此節(jié)約了成本，并且簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)電路。這些公司免費(fèi)提供了基于自家芯片的ZigBee協(xié)議棧，大大加速了ZigBee的普及和應(yīng)用，進(jìn)而也推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展。無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給傳統(tǒng)智能家居帶來(lái)了全新的產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)，安防系統(tǒng)作為智能家居重要的組成部分，無(wú)疑是至關(guān)重要的，隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、智能化技術(shù)應(yīng)用發(fā)展到一定階段疊加，傳統(tǒng)安防領(lǐng)域也產(chǎn)生了劇變，基于此，本文設(shè)計(jì)了這樣一套基于ZigBee技術(shù)的家庭智能安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1-3]。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

檢測(cè)部分：火焰檢測(cè)器、煙霧檢測(cè)器、煤氣檢測(cè)器、CO檢測(cè)器、門(mén)磁傳感器、空氣檢測(cè)器、IP攝像頭等。

通信部分：ZigBee CC2530

網(wǎng)絡(luò)連接部分：網(wǎng)關(guān)、路由器、云服務(wù)器。

終端部分：手機(jī)/PAD等。

2.2 系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)介

火焰檢測(cè)器、煙霧檢測(cè)器、煤氣檢測(cè)器、CO檢測(cè)器、門(mén)磁傳感器、空氣檢測(cè)器、IP攝像頭等檢測(cè)報(bào)警報(bào)警配件與CC2530模塊構(gòu)成ZigBee監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，采集到信息后將信息發(fā)送給智能網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)路由器連接到云服務(wù)器。用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)/PAD等終端通過(guò)GPRS、3G、4G、WiFi等方式連接到云服務(wù)器查看相關(guān)信息。同時(shí)，可以通過(guò)終端來(lái)控制節(jié)點(diǎn)。另外，服務(wù)器還可以通過(guò)短信方式發(fā)送信息給用戶(hù)，以免客戶(hù)因無(wú)法聯(lián)網(wǎng)而收不到信息（此服務(wù)客戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際情況選擇需要與否）。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

3 硬件構(gòu)成部分

3.1 傳感器與相關(guān)響應(yīng)電路

3．1．1 火焰檢測(cè)器

由于紫外線(xiàn)對(duì)對(duì)火焰非常敏感，火焰?zhèn)鞲衅骼么颂攸c(diǎn)，利用特別的紫外線(xiàn)接收管檢測(cè)火焰，可以把亮度轉(zhuǎn)化為高低有變化的電信號(hào)，輸入到ZigBee CC2530芯片中，CC2530根據(jù)信號(hào)的變化做出相應(yīng)的程序處理火。外界紫外光越強(qiáng)，數(shù)值越大；紅外光越弱，數(shù)值越小。

3．1．2 煙霧檢測(cè)器

煙霧檢測(cè)器是家庭常用的火災(zāi)報(bào)警器，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度，并且有報(bào)警的功能。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙霧使傳感器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。該信號(hào)傳給ZigBee CC2530后，一方面聯(lián)動(dòng)排風(fēng)扇，把煙霧排出室外；另一方面，將信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送給服務(wù)器。

3．1．3 天然氣檢測(cè)器

一般采用高品質(zhì)的氣體傳感器，ZigBee芯片結(jié)合精密的溫度傳感器，可以智能補(bǔ)償氣敏元件的漂移，環(huán)境適應(yīng)范圍比較寬，無(wú)需調(diào)試，工作相當(dāng)穩(wěn)定，同時(shí)采用一種掛片壁掛式安裝，接線(xiàn)便捷，廣泛用于家庭、公寓、賓館、等存在可燃?xì)怏w的地方進(jìn)行監(jiān)控，可以檢測(cè)天然氣、液化石油氣，人工煤氣等。

3.1.4 IP攝像頭

通過(guò)IP攝像頭可以快速、輕松地從任何地方通過(guò)wifi和3g連接查看攝像頭捕捉到的內(nèi)容。不用擔(dān)心不在家的時(shí)候家里會(huì)不會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題。無(wú)論是晚上在辦公室加班或出門(mén)度假，IP攝像頭都能讓人保持對(duì)所關(guān)注的事物的監(jiān)視，從云端照看你的房子。

3.2 ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊

3.2.1 ZigBee無(wú)線(xiàn)技術(shù)

ZigBee[4-6]是一種自組網(wǎng)功能的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，低復(fù)雜度、低速率、短距離、低功耗的雙向通信，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的一般分為傳感器節(jié)點(diǎn)（EndDevice）、路由器（Router）、協(xié)調(diào)器（Coordinator）三種，常用于遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制等領(lǐng)域。ZigBee無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備的該系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：低功耗，低速率，可靠性高。

3.2.2 通信模塊

本系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信模塊的核心是德州儀器（TI）公司推出的ZigBee CC2530。它可以以非常低的材料成本建立起超強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。其中，CC2530結(jié)合了很多強(qiáng)大的功能，如業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM，領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能等。CC2530提供了四種不同的閃存版本：CC2530F256/128/64/32，分別具有256/128/64/32KB的閃存。由于CC2530還可以同時(shí)提供不同的運(yùn)行模式，而且它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間極短的轉(zhuǎn)換時(shí)間則進(jìn)一步保證了低能消耗。此外，CC2530在設(shè)計(jì)上還具有非常良好的拓展性，可以做很多拓展。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，家庭安防系統(tǒng)也在時(shí)時(shí)刻刻不斷發(fā)展和完善，因此，CC2530片上系統(tǒng)為家庭安防系統(tǒng)的拓展與推進(jìn)創(chuàng)造了良好的條件。

3.3 智能網(wǎng)關(guān)

利用ZigBee CC2530芯片和上海漢楓電子科技公司生產(chǎn)的漢楓HF-LPT200-1 WiFi透?jìng)髂K構(gòu)成智能網(wǎng)關(guān)。CC2530芯片作為協(xié)調(diào)器將接收到的信息通過(guò)uart串口發(fā)送給WiFi透?jìng)髂K，進(jìn)而上傳給服務(wù)器。

HF-LPT200超低功耗嵌入式Wi-Fi模組提供了一種將用戶(hù)的物理設(shè)備連接到Wi-Fi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上，并提供UART、SPI串口等接口傳輸數(shù)據(jù)的解決方案。該模塊硬件上集成了MAC，功率放大器，射頻收發(fā)單元，基頻芯片；嵌入式的固件支持組網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議棧，以及Wi-Fi協(xié)議及配置。HF-LPT200是一款一體化的801.11 b/g/n Wi-Fi的低功耗解決方案，通過(guò)該模組，傳統(tǒng)的MCU控制的設(shè)備或低端串口設(shè)備均可以方便簡(jiǎn)單地接入Wi-Fi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的控制與管理。

4 移動(dòng)終端

智能安全系統(tǒng)可利用現(xiàn)有的移動(dòng)設(shè)備如Android智能手機(jī)、iPhone、iPad等，通過(guò)安裝在設(shè)備上的智能安防系統(tǒng)的相關(guān)客戶(hù)端軟件[7]，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)與管理。利用2G、3G、4G、wifi等方式訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器服務(wù)來(lái)獲得各監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖2 無(wú)線(xiàn)收發(fā)程序流程圖

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于軟件設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)采用了模塊化思路，包括節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)層與客戶(hù)端部分軟件設(shè)計(jì)。

5.1 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

5．1．1 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊

如圖2所示，系統(tǒng)上電后使傳感器節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)議棧初始化后，向協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)申請(qǐng)。CC2530收發(fā)模塊接到中斷請(qǐng)求后，觸發(fā)中斷激活傳感節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入工作模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，并將結(jié)果經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)后通過(guò)串口傳至智能網(wǎng)關(guān)。

圖3 串口操作流程圖

圖4 系統(tǒng)層與客戶(hù)端軟件設(shè)計(jì)

5．1．2 串口通信模塊

串口操作流程如圖3所示。首先初始化系統(tǒng)時(shí)鐘并打開(kāi)串口，然后配置相應(yīng)參數(shù)，配置好后，把UART當(dāng)作文件進(jìn)行讀寫(xiě)。由于智能網(wǎng)關(guān)有UART接口，此處獲得的信息可以直接發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

5.2 系統(tǒng)層與客戶(hù)端部分軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)服務(wù)器端采用的是基于Linux Centos版本的操作系統(tǒng)，并運(yùn)用文件存儲(chǔ)方式，將收到的傳感器的數(shù)據(jù)寫(xiě)入相應(yīng)用戶(hù)的文件中，既方便客戶(hù)端進(jìn)行讀取操作，又生成了相應(yīng)的日志文件，極大地方便了日后的管理與查找。以下為系統(tǒng)層與客戶(hù)端部分軟件設(shè)計(jì)（圖4）。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套家庭智能安防系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)硬件構(gòu)成進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)工作原理進(jìn)行了分析。設(shè)計(jì)了安防系統(tǒng)控制軟件，分析了軟件程序流程。本系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，靈敏度高，擁有很高性?xún)r(jià)比，操作簡(jiǎn)單，安裝方便，成本低廉，推廣前景非常好。

[1]李正民,張興偉．基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)智能安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2012:97-98．

[2]黃文龍,徐道連,游穎敏,等．基于ZigBee和ARM的嵌入式智能家庭安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．重慶工學(xué)院學(xué)報(bào),2009:152-155．

[3]王作成,擺玉龍．基于ZigBee技術(shù)的智能車(chē)庫(kù)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J]．測(cè)控技術(shù),2013:69-71．

[4]法拉哈尼,沈建華,王維華．ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與收發(fā)器ZigBee wireless networks and transceivers,58-67．

[5]高守瑋,吳燦陽(yáng)．ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程,P105-120．

[6]王小強(qiáng),歐陽(yáng)駿,黃寧淋 ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012:10-20．

[7]陳橋云,賈金玲．基于智能手機(jī)與PC機(jī)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電子設(shè)計(jì)工程,2009:304-307．

袁敬坤（1992—），浙江杭州人，現(xiàn)就讀于中國(guó)計(jì)量學(xué)院。

注：該項(xiàng)目為2015年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目。