基于ZigBee 技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)的研究

陳建云++魏道熙++鄧峰

摘要：該文探討了智能家居系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢，分析了當(dāng)前智能家居安防系統(tǒng)的不足，并對ZigBee技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了安防系統(tǒng)的總體架構(gòu)以及硬件部分，對安防系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、硬件的選型、外圍模塊的設(shè)計(jì)、搭建以及部分傳感器模塊做了詳細(xì)論證和設(shè)計(jì)，采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，ZigBee技術(shù)能很好地實(shí)現(xiàn)普通家庭內(nèi)部的信息傳輸，且可以對室內(nèi)煙霧、煤氣、溫度進(jìn)行監(jiān)測、報(bào)警。該方案解決了有限傳輸?shù)木窒扌?，大大提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展功能，且能使報(bào)警信息及時(shí)有效的傳送給用戶，在一定程度上解決了目前智能家居安防系統(tǒng)存在的不足。

關(guān)鍵詞：智能家居；安防系統(tǒng)；ZigBee

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）17-0160-05

Abstract：This paper discusses the development status and trend of smart home security system，analyzes the shortcomings of the current smart home security system，and analyzes the ZigBee technology，designed the overall architecture of the security system and the hardware part. The data transmission is a specific condition.According to the test data analysis of the transmission distance of ZigBee， the ZigBee can realize the information transmission function of the ordinary family，and verify the feasibility of the scheme.

Key words：Smart Home；Security system；ZigBee

1 引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來，科學(xué)技術(shù)水平快速發(fā)展，人們生活水平也隨之迅速提高，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在一定程度上面正潛移默化的改變?nèi)藗兊纳罘绞剑F(xiàn)在，人們正逐漸開始要求自動化、智能化的生活，人們對于家居的要求程度逐步提高，智能化、自動化、人性化、逐步成為當(dāng)今的人們對生活家居一種新的要求。目前智能信息技術(shù)、自動化技術(shù)、電子信息技術(shù)正在逐步應(yīng)用于生活的各個(gè)領(lǐng)域，我們的衣食住行與其關(guān)系越來越緊密，其應(yīng)用領(lǐng)域包括智能家居領(lǐng)域。伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展與普及，家居生活進(jìn)入了一個(gè)新階段。智能家居產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，家居設(shè)備的智能化已經(jīng)成為了一種趨勢，在不久的將來會走入千家萬戶。

智能家居是人們的一種居住環(huán)境，讓家庭更加安全、節(jié)能、智能、便利和舒適，智能家居是建立在普通生活技術(shù)上的，與普通家居相比，智能家居具有的特點(diǎn)：操作隨意性，服務(wù)便利性，功能擴(kuò)展性，系統(tǒng)可靠性。

自從世界上第一幢智能建筑于1984年在美國出現(xiàn)后，美國、加拿大、歐洲、澳大利亞和東南亞等經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的國家先后提出了各種智能家居安防系統(tǒng)方案，近來，以美國摩托羅拉公司及微軟公司等為首的一批國際著名企業(yè)，先后躋身于智能家居安防系統(tǒng)的研究與開發(fā)中，3COM公司也一直在通過因特網(wǎng)向用戶宣傳智能家居安防系統(tǒng)這一概念，并積極研發(fā)家用無線網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。此外托馬杜多媒體公司、Intel公司、韓國三星公司、新加坡科技電子公司、日本松下電器公司等知名企業(yè)也紛紛投身于于智能家居安防系統(tǒng)的研發(fā)工作中。

本文在分析了國內(nèi)外智能家居系統(tǒng)以及智能家居安防系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對當(dāng)前智能家居安防系統(tǒng)的不足，提出了基于Zigbee技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)組網(wǎng)的解決方案，增強(qiáng)了系統(tǒng)的人機(jī)互交性。闡述了系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)，采用星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建系統(tǒng)，溫度檢測、一氧化碳監(jiān)測等模塊進(jìn)行論證和設(shè)計(jì)。安防系統(tǒng)經(jīng)過研究對比，選用無線單片機(jī)CC2530。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ZigBee能很好地實(shí)現(xiàn)溫度檢測、一氧化碳檢測及報(bào)警功能，且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x型

ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持3種功能設(shè)備，分別為協(xié)調(diào)器、路由器、以及終端設(shè)備。

a）ZigBee協(xié)調(diào)器的主要作用是負(fù)責(zé)發(fā)動和配置網(wǎng)絡(luò)。Zigbee協(xié)調(diào)器還能支持關(guān)聯(lián)，同時(shí)設(shè)計(jì)以及執(zhí)行其他程序活動，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)之間保持正常的通信，且信息傳輸也能協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

b）ZigBee路由器主要負(fù)責(zé)多個(gè)設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)及數(shù)據(jù)傳輸，將信息從一個(gè)設(shè)備傳送到另一個(gè)設(shè)備。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)定，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中允許有多個(gè)ZigBee路由器共同存在。

c）ZigBee終端設(shè)備主要用來執(zhí)行其他的相關(guān)功能，通過使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需要，ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成成三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文是采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)件智能家居系統(tǒng)。如圖1所示。

2.3 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)

本文采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來進(jìn)行家庭無線網(wǎng)絡(luò)的搭建，家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)分為終端的信息采集節(jié)點(diǎn)、安防系統(tǒng)兩類設(shè)備。其中安防系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)的控制中心，其作用是負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立，且將終端節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)發(fā)給無線路由器。終端節(jié)點(diǎn)的功能是監(jiān)控周圍的環(huán)境信息、采集家庭環(huán)境數(shù)據(jù)，例如溫度、電濕度、一氧化碳濃度，并對數(shù)據(jù)處理，然后把數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器，執(zhí)行安防系統(tǒng)傳送來的控制信息。

（2）網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

網(wǎng)關(guān)是家庭網(wǎng)絡(luò)的核心，是處于廣域網(wǎng)和家庭網(wǎng)絡(luò)中間的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，作為入口節(jié)點(diǎn)，它應(yīng)具有網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器的功能，一方面，網(wǎng)關(guān)要支持TCP協(xié)議議并能提供服務(wù)，從而允許客戶遠(yuǎn)程訪問它，以ARM微處理器為中心建立網(wǎng)關(guān)硬件平臺，對外通過寬帶接入公共網(wǎng)絡(luò)，對內(nèi)將家用電器及其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)施通過家庭內(nèi)部無線局域網(wǎng)連接成一體，用戶通過遠(yuǎn)端PC就能接收家里環(huán)境信息。網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

網(wǎng)關(guān)從功能結(jié)構(gòu)上主要是處理遠(yuǎn)程用戶控制信息。家庭內(nèi)部信息網(wǎng)的通信協(xié)議比較簡單，要實(shí)現(xiàn)它與外部TCP/IP的互聯(lián)，必須實(shí)現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，這是網(wǎng)關(guān)一個(gè)非常重要的作用。從結(jié)構(gòu)上來看，網(wǎng)關(guān)就是外部TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與家庭內(nèi)部信息網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)連接點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)并不只是一個(gè)簡單的協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備，更是一個(gè)對外的家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)控制接口。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee無線單片機(jī)CC2530

CC2530是一個(gè)超低消耗功率的真正系統(tǒng)單晶片，它將微控制器、主機(jī)端及應(yīng)用程序整合在一個(gè)元件上。CC2530可讓主控以及從屬式節(jié)點(diǎn)以很低的成本來構(gòu)建，它擁有很低的睡眠模式功率消耗和不同工作模式之間很短暫的轉(zhuǎn)換時(shí)間，適用于所有超低消耗功率系統(tǒng)。

3.2 ARM處理器

ARM架構(gòu)具有極高的性價(jià)比和代碼密度，并且在實(shí)時(shí)中斷響應(yīng)以及功耗方面比其他微處理器更有競爭力，因此ARM架構(gòu)是智能家居系統(tǒng)中比較理想的平臺。

3.3 GPRS模塊

GPRS是以GSM技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一項(xiàng)高速數(shù)據(jù)處理技術(shù)。它采用分組交換技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。與GSM技術(shù)的數(shù)據(jù)通信方式相比，GPRS采用了4種編碼方式，數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)到171.2Kbps。它還可以保證始終處于在線狀態(tài)，即在無需數(shù)據(jù)通信的狀態(tài)下仍保持與網(wǎng)絡(luò)的連接。此外，GPRS核心網(wǎng)絡(luò)層采用了IP技術(shù)，可以與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)無縫接入。

3.4 供電電源電路

ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備為終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)三類。三類設(shè)備的功能、工作環(huán)境、工作時(shí)間都不一樣，其中協(xié)調(diào)器任務(wù)最重，工作時(shí)間最長，工作環(huán)境相對較好；路由器任務(wù)最輕，大部分時(shí)間處在休眠狀態(tài)，但是路由器工作條件惡劣，工作在野外或者其他更加惡劣的環(huán)境中?；谏厦娴脑?，本設(shè)計(jì)采用了兩種供電方案：一種是使用開關(guān)電源供電，另外一種是采用干電池組來供電。這里選擇了MAX8860EUA芯片和API117芯片來提供1.25V電壓，對芯片和芯片的外圍設(shè)備進(jìn)行供電，其具體的電路原理圖如圖3所示：

3.5 接口電路設(shè)計(jì)

本文的串口電路使用了MAX3232芯片，實(shí)現(xiàn)RS-232串口數(shù)據(jù)電平的轉(zhuǎn)換，與家居網(wǎng)關(guān)連接后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳輸工作。圖4為串口轉(zhuǎn)換的電路設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

智能家居安防系統(tǒng)選用CC2530芯片作為安防系統(tǒng)的核心組成部分，軟件部分則采用ZigBee2006協(xié)議棧來實(shí)現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸，開發(fā)環(huán)境采用IAR System公司推出的IAR Embedded Workbench for 80517.60。本文采用IAR Embedded Workbench用于Z-stack協(xié)議棧的開發(fā)，它是一種高精密度、方便使用的嵌入式集成開發(fā)環(huán)境，集成了匯編工具、編譯器、庫管理器、工程管理器等多種開發(fā)常用的工具。對于不同的芯片，IAR開發(fā)環(huán)境內(nèi)置了相對應(yīng)的代碼優(yōu)化器。支持眾多知名半導(dǎo)體公司的微處理器。IAR Embedded Workbench不僅具有編譯下載的功能，還可以跟編程器相結(jié)合，進(jìn)行單步調(diào)試跟蹤監(jiān)測片上寄存器、Flash數(shù)據(jù)等信息。Z-Stack實(shí)際上是幫助程序員方便開發(fā)ZigBee的一套系統(tǒng)。Z-stack使用瑞典公司IAR開發(fā)的IAR Embedded Workbench作為它的集成開發(fā)環(huán)境。

4.2 協(xié)調(diào)器應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的主要任務(wù)是啟動網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行首先要運(yùn)行協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器首先選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID，用于識別網(wǎng)絡(luò)身份，然后再對Z-stack協(xié)議棧初始化，并打開中斷。隨后將整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)啟動，所有的終端節(jié)點(diǎn)接入?yún)f(xié)調(diào)器。

協(xié)調(diào)器在完成網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建后，立刻等待信息中斷，當(dāng)出現(xiàn)中斷信息，首先進(jìn)行的是判斷該中斷信息是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息中斷還是網(wǎng)絡(luò)管理信息中斷，如果是數(shù)據(jù)信息中斷，在本地儲存數(shù)據(jù)信息并管理。最終將應(yīng)答信息傳送給網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)。若該中斷信息為管理層中斷信息，對該中斷進(jìn)行處理，最后產(chǎn)生應(yīng)答信息傳送給網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，最終完成信息的應(yīng)答過程，協(xié)調(diào)器工作詳細(xì)流程如圖5所示。

4.3 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)

4.3.1 溫濕度采集節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

溫濕度采集節(jié)點(diǎn)的工作流程圖如圖6所示：開始后首先對溫濕度采集節(jié)點(diǎn)初始化處理，定時(shí)采集周圍環(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù)，若采集到的數(shù)據(jù)有效，對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并發(fā)送到協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)傳送給主控中心。

4.3.2 煙霧傳感器程序設(shè)計(jì)

采用型號為MQ-2的粉塵傳感器檢測周圍煙霧濃度，MQ-2可以檢測空氣中的丙烷、氫氣等有害氣體，它價(jià)格低廉，使用時(shí)間長。MQ-2粉塵傳感器工作流程圖如圖7所示，開始后，首先進(jìn)行初始化，然后檢測周圍環(huán)境中有害氣體濃度，如果氣體的濃度超過了閾值則進(jìn)行第二次確認(rèn)，第二次確認(rèn)濃度超過了閾值，然后發(fā)送報(bào)警信息，繼續(xù)輪回，檢測周圍氣體濃度，若兩次檢測氣體濃度有一次確認(rèn)并沒有超過閾值，則返回繼續(xù)檢測有害氣體濃度。

4.3.3 安防報(bào)警系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

通過傳感器對獲取的進(jìn)行檢測。單片機(jī)讀取數(shù)值，經(jīng)過比較判定是否超出閾值，若超出閾值則通過GPRS進(jìn)行報(bào)警相應(yīng)的報(bào)警，否則繼續(xù)對溫濕度、粉塵濃度、一氧化碳濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測。其中溫度的閾值為60℃，在空氣中一氧化碳的濃度一般為5ppm以內(nèi)，設(shè)定當(dāng)一氧化碳濃度大于300ppm的時(shí)候進(jìn)行報(bào)警，粉塵濃度為80ppm的時(shí)候，或者有人進(jìn)入室內(nèi)的時(shí)候進(jìn)行報(bào)警。安防報(bào)警系統(tǒng)流程圖如圖8所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 安防系統(tǒng)溫度監(jiān)測報(bào)警實(shí)驗(yàn)

無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)由多個(gè)獨(dú)立的終端節(jié)點(diǎn)、一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和一臺PC機(jī)組成星形網(wǎng)絡(luò)。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)分布于需要檢測的區(qū)域，負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的感知和處理，并通過無線射頻信號發(fā)射出去；協(xié)調(diào)器接收各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的無線射頻信號，通過RS-232的串口線送入PC主機(jī)；PC主機(jī)負(fù)責(zé)存儲及對數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。

只要在該平臺的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)應(yīng)用層的程序就能實(shí)現(xiàn)無線溫度監(jiān)測，無需設(shè)計(jì)物理層、MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的代碼。每隔10秒進(jìn)行一次溫度采集，兩次溫度采集期間節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，以減少功耗。某一時(shí)刻對節(jié)點(diǎn)1加熱，溫濕度監(jiān)測界面如圖9所示。

從圖10可以看出，在60秒左右時(shí)，采集的數(shù)據(jù)明顯地增大。而節(jié)點(diǎn)2在時(shí)刻采集環(huán)境溫度，可以看出，采集到的數(shù)據(jù)基本為一直線。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)大于設(shè)定的閾值，蜂鳴器報(bào)警，且手機(jī)收到一條報(bào)警信息。

將一支一氧化碳傳感器節(jié)點(diǎn)先置于室外30分鐘，再置于辦公室中。辦公室環(huán)境溫度30℃，面積30m3。在200秒時(shí)候放入一個(gè)為完全燃燒的煤炭，觀察一小時(shí)內(nèi)室內(nèi)一氧化碳濃度的變化，相應(yīng)的變化曲線圖如圖12所示。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)大于設(shè)定的閾值的時(shí)候，蜂鳴器報(bào)警且設(shè)定的手機(jī)收到一條報(bào)警信息。

分析：從圖11中可以看到一氧化碳傳感器節(jié)點(diǎn)響應(yīng)過程的曲線，在第180秒的時(shí)候一氧化碳濃度迅速增大，后趨于平穩(wěn)，可以看到該傳感器能很迅速的響應(yīng)到濃度變化，當(dāng)350s打開窗戶后，一氧化碳濃度逐漸下降，最后穩(wěn)定。說明該系統(tǒng)在一定程度上能較好的監(jiān)測室內(nèi)一氧化碳濃度。

6 結(jié)束語

本文提出了基于ZigBee技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)的研究，智能家居是未來家居的發(fā)展方向，選擇了具有明顯優(yōu)勢的ZigBee方式組建智能家居安防網(wǎng)絡(luò)，并對其硬軟件進(jìn)行闡述。最后對智能家居安防系統(tǒng)系統(tǒng)穩(wěn)定性及安防系統(tǒng)溫度、粉塵、一氧化碳監(jiān)測部分分別進(jìn)行了測試和分析。傳統(tǒng)的、舊式的智能家居安防系統(tǒng)一般采用有線方式組網(wǎng)，本文采用了基于ZigBee技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)的研究，將有線轉(zhuǎn)化為無線，增強(qiáng)了系統(tǒng)的簡潔性；融合了多種傳感器，系統(tǒng)的擴(kuò)展性提高了；將GPRS技術(shù)應(yīng)用到安防系統(tǒng)中，用戶能在最短的時(shí)間內(nèi)接收報(bào)警信息。

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