一種基于ZigBee及GSM混合網(wǎng)絡(luò)的輕智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江丹丹，唐煜程，唐冬

（1.廣州大學(xué)，廣東廣州510006；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥230009）

一種基于ZigBee及GSM混合網(wǎng)絡(luò)的輕智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江丹丹1，唐煜程2，唐冬1

（1.廣州大學(xué)，廣東廣州510006；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥230009）

針對(duì)傳統(tǒng)智能家居成本高，系統(tǒng)復(fù)雜，安裝維護(hù)困難，未實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee及GSM網(wǎng)絡(luò)的輕智能家居安防系統(tǒng)，包括系統(tǒng)整體架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)方案以及多樣化遠(yuǎn)程監(jiān)控方式。該系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GSM網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行信息采集、指令控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，可廣泛應(yīng)用于防火防盜、安全監(jiān)控和安防等領(lǐng)域。

輕智能家居；遠(yuǎn)程監(jiān)控；ZigBee；GSM

0 引言

傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)普遍存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝繁瑣、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。若讓智能家居產(chǎn)品得到普遍認(rèn)可，它必須便于安裝、價(jià)格低廉、使用方便直觀。輕智能家居是指無(wú)需施工部署、功能可自由搭配組合、價(jià)格相對(duì)便宜、可直接面對(duì)最終消費(fèi)者銷售的產(chǎn)品或系統(tǒng)[1]。輕智能家居系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)化、易用、安全、輕巧的特點(diǎn)，改變了傳統(tǒng)智能家居的面貌，符合市場(chǎng)需求。基于輕智能家居的要求，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee和GSM混合網(wǎng)絡(luò)的輕智能家居安防系統(tǒng)，一方面利用無(wú)線ZigBee低功耗、小體積、長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)信息的采集和特定事件下的信息傳輸，另一方面利用GSM實(shí)現(xiàn)事件信息到用戶的長(zhǎng)距離傳輸，使得系統(tǒng)具有安裝布設(shè)簡(jiǎn)單靈活、功能模塊化、使用簡(jiǎn)便直觀和成本較低等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)

基于ZigBee及GSM網(wǎng)絡(luò)的輕智能家居安防系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要由ZigBee模塊、GSM模塊、PC機(jī)控制中心、手機(jī)終端四部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)采用ZigBee模塊進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的收集；PC機(jī)作為主控中心，負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的顯示，模塊間的通信，家庭安全的監(jiān)控；智能手機(jī)作為遠(yuǎn)程監(jiān)控的終端。模塊化結(jié)構(gòu)有利于本系統(tǒng)的功能可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行自由搭配，符合輕智能家居的要求[2]。

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了家居安全監(jiān)測(cè)防范、危險(xiǎn)狀況報(bào)警及遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，可應(yīng)用于各種家庭、小區(qū)、倉(cāng)庫(kù)、財(cái)務(wù)重要地點(diǎn)、無(wú)人值守機(jī)房等的監(jiān)控和報(bào)警。本系統(tǒng)運(yùn)用ZigBee網(wǎng)絡(luò)無(wú)線組網(wǎng)[3]，部署簡(jiǎn)單，符合輕智能家居易于安裝維護(hù)的理念。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 系統(tǒng)工作流程

ZigBee選用CC2530模塊，其中RFD設(shè)備為終端節(jié)點(diǎn)，利用溫度傳感器DS18B20、光敏電阻5516、煙霧傳感器和人體紅外傳感器來(lái)分別檢測(cè)房間溫度、光強(qiáng)、瓦斯氣體值、是否有小偷侵入等情況。具體流程是RFD設(shè)備收集傳感器信息，然后將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送給FFD設(shè)備，F(xiàn)FD設(shè)備將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和分析。若檢測(cè)值超過(guò)警戒值，一方面，由PC機(jī)將房間傳感器數(shù)值通過(guò)GSM模塊發(fā)送給用戶，必要時(shí)也可以發(fā)送報(bào)警信息至小區(qū)安保處，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能；另一方面，PC機(jī)直接控制ZigBee模塊進(jìn)行警情處理，如關(guān)閉總電閘。另外，用戶可發(fā)送信息至GSM模塊，或者通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)登錄特定網(wǎng)站進(jìn)行住宅安全狀態(tài)查詢，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。本系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程圖

2 ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計(jì)

針對(duì)輕智能家居中對(duì)系統(tǒng)低功耗的要求，選擇Zig?Bee構(gòu)建家庭個(gè)域網(wǎng)，IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，ZigBee具有低功耗，網(wǎng)絡(luò)容量大，成本低的特點(diǎn)[3]。ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊硬件選用CC2530，CC2530芯片集成了RF收發(fā)器，增強(qiáng)型8051 CPU，8 KB RAM以及系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存[4]，特點(diǎn)是以極低的總材料成本建立較為健壯的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

本系統(tǒng)采用星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，所有成員節(jié)點(diǎn)只需與簇頭進(jìn)行通信，避免了復(fù)雜的路由過(guò)程，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)利用FFD設(shè)備，具有建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，收集數(shù)據(jù)的功能；傳感器節(jié)點(diǎn)采用RFD設(shè)備，負(fù)責(zé)采集傳輸傳感器數(shù)據(jù)，在收到控制器的查詢命令時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，功耗較低，可由電池供電。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念為瘦節(jié)點(diǎn)和胖控制端，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)只需完成數(shù)據(jù)采集和傳輸功能，而控制、存儲(chǔ)、分析數(shù)據(jù)的功能由系統(tǒng)控制中心完成，這樣可以降低無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的能量消耗[5]。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

ZigBee模塊的軟件實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)Z?Stack協(xié)議棧。利用Z?Stack協(xié)議棧進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，可通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：首先，調(diào)用協(xié)議棧提供的組網(wǎng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立與節(jié)點(diǎn)的加入；然后發(fā)送設(shè)備調(diào)用協(xié)議棧提供的無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，Z?Stack中發(fā)送數(shù)據(jù)通過(guò)在應(yīng)用層調(diào)用函數(shù)void SampleApp_SendFlashMes?sage（uint16 flashTime）完成，這個(gè)函數(shù)在應(yīng)用中通過(guò)調(diào)用afStatus_t AF_DataRequest（afAddrType_t*dstAddr，endPointDesc_t*srcEP，uint16 cID，uint16 len，uint8 *buf，uint8*transID，uint8 options，uint8 radius）函數(shù)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。

ZigBee模塊軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖3所示。

圖3 ZigBee模塊軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

3 系統(tǒng)控制中心

3.1 通信協(xié)議

以家庭普遍擁有的PC機(jī)作為系統(tǒng)控制中心，Zig?Bee模塊與PC主控系統(tǒng)的通信具有通信協(xié)議，通信采用主從式，由PC機(jī)發(fā)起請(qǐng)求，ZigBee模塊應(yīng)答。協(xié)議采用

異步串口通信方式，通信波特率為38 400 b/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位[6]，無(wú)校驗(yàn)位。協(xié)議命令格式包括幀頭，命令字、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)和、幀尾，如表1所示。校驗(yàn)和為命令字，數(shù)據(jù)之和。首先，PC機(jī)向ZigBee模塊發(fā)送握手命令，ZigBee模塊回送握手命令，實(shí)現(xiàn)二者聯(lián)機(jī)。然后當(dāng)ZigBee模塊收到上傳命令時(shí)，向PC機(jī)發(fā)送相應(yīng)的檢測(cè)值，如收到上傳溫度值命令時(shí)發(fā)送溫度值。ZigBee與PC機(jī)的通信框圖如圖4所示。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

圖4 ZigBee與PC機(jī)的通信框圖

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用C++語(yǔ)言編寫MFC AppWizard用于顯示ZigBee模塊上傳的溫度，光強(qiáng)，瓦斯氣體等物理量的數(shù)值，并顯示檢測(cè)值的動(dòng)態(tài)數(shù)值變化曲線?；赯igBee及GSM網(wǎng)絡(luò)的輕智能安防家居系統(tǒng)結(jié)果界面如圖5所示。

圖5 基于ZigBee及GSM網(wǎng)絡(luò)的輕智能安防家居系統(tǒng)結(jié)果界面

由于GSM/GPRS模塊和ZigBee模塊均連接到PC主控制器，因此PC主控系統(tǒng)軟件編寫涉及到多串口多線程編程，本系統(tǒng)采用CSerialPort類進(jìn)行多線程多串口通信編程[7]。CSerialPort類屬于第三方的串口通信類[8]，使編程可控性強(qiáng)，拓展性好，易實(shí)現(xiàn)多串口通信編程。具體步驟如下：首先，添加兩個(gè)CserialPort類對(duì)象，分別對(duì)應(yīng)GSM/GPRS模塊串口以及ZigBee模塊串口；然后利用串口初始化函數(shù)m_port.InitPor（t）初始化串口及啟動(dòng)監(jiān)聽(tīng)線程，添加串口消息映射機(jī)制BEGIN_MES?SAGE_MAP（CmySeralPortView，CView），最后分別處理每個(gè)串口發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。PC主控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖6所示。

圖6 PC主控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

4 智能手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控方式

ZigBee網(wǎng)絡(luò)范圍僅限于家庭住宅內(nèi)，用戶如果離開(kāi)家庭就無(wú)法得知家庭狀態(tài)，因此ZigBee網(wǎng)絡(luò)必須與其他網(wǎng)絡(luò)連接以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。遠(yuǎn)程監(jiān)控的方式包括GSM網(wǎng)絡(luò)、GPRS和Internet網(wǎng)絡(luò)三種，如圖7所示。GSM網(wǎng)絡(luò)方式是指用戶可以通過(guò)手機(jī)發(fā)送短信至GSM模塊進(jìn)行房間實(shí)時(shí)狀態(tài)查詢。GPRS方式是指通過(guò)GPRS傳輸網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)包。Internet技術(shù)以HTTP技術(shù)為基礎(chǔ)，利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[9]，Socket技術(shù)及面向?qū)ο蟮燃夹g(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，例如制作智能安防家居系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)，并將房間數(shù)據(jù)上傳至此網(wǎng)頁(yè)，用戶在遠(yuǎn)程登錄網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)。本系統(tǒng)采用GSM網(wǎng)絡(luò)作為遠(yuǎn)程通信監(jiān)控的方式，簡(jiǎn)單易行，可靠性好，穩(wěn)定性強(qiáng)。

圖7 遠(yuǎn)程監(jiān)控方式

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于ZigBee和GSM網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)用、靈活、輕量化和模塊化為設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一套輕智能家居安防檢測(cè)控制系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)對(duì)火災(zāi)、非法闖入、煤氣泄露、緊急呼救等應(yīng)急事件進(jìn)行監(jiān)控[10]，實(shí)現(xiàn)了以移動(dòng)終端遠(yuǎn)程監(jiān)控安全狀態(tài)的功能[11]。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可滿足用戶對(duì)家庭安防的需求。

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Design of light smart home security system based on ZigBee and GSM hybrid network

JIANG Dan?dan1，TANG Yu?cheng2，TANG Dong1
（1.Guangzhou University，Guangzhou 510006，China；2.Heifei University of Technology，Hefei 230009，China）

Because of the shortcomings of the traditional smart home system like high cost，complexity，difficulties of instal?lation and maintenance，missing of personalized customization and so on，a light smart home security system based on ZigBee and GSM network，including the overall system architecture，implementation scheme and various ways of remote monitoring was designed.The system combines ZigBee network with GSM network to realize the functions of information acquisition，command control and RMON，and can be widely used in fire alarm，guard against theft，security monitoring，security and other fields.

light smart home；RMON；ZigBee；GSM

TN926+.2?34

A

1004?373X（2015）03?0006?03

江丹丹（1991—），女，廣東河源人，在讀研究生。研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器、無(wú)線通信、無(wú)線資源管理。

2014?08?18

廣東省重大科技專項(xiàng)（2012A010800009）；廣州市科技計(jì)劃（12C42011656，2014J4100142，2014J4100233）；廣州市教育局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012A082）資助

唐冬，廣州大學(xué)教授，廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院副院長(zhǎng)。研究方向?yàn)橄乱淮苿?dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，MIMO、OFDM，無(wú)線資源管理。