基于ZigBee的節(jié)能門(mén)窗智能安防系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

陳淑春，王文忠（.河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院； .保定眾騰電氣科技有限公司，河北 保定 0700）

基于ZigBee的節(jié)能門(mén)窗智能安防系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

陳淑春1，王文忠2
（1.河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院； 2.保定眾騰電氣科技有限公司，河北 保定 071001）

基于ZigBee技術(shù)，采用S3C2440的TQ2440開(kāi)發(fā)板作為嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)，CC2530作為微處理器的智能家居系統(tǒng)進(jìn)行可行性研究。對(duì)智能家居系統(tǒng)中的重要分支—智能節(jié)能窗系統(tǒng)的信息采集、安全報(bào)警、機(jī)械傳動(dòng)控制進(jìn)行分析和軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了智能網(wǎng)關(guān)對(duì)窗戶安防及傳動(dòng)控制。最后，通過(guò)功能測(cè)試，驗(yàn)證了測(cè)試數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)相符，系統(tǒng)可以完成家居內(nèi)所有窗戶的檢測(cè)、控制，可達(dá)到節(jié)能與智能的完美效果。

ZigBee；智能家居；嵌入式系統(tǒng)

0　引言

近年來(lái)，信息產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，人們進(jìn)入了無(wú)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法生活的時(shí)代。網(wǎng)絡(luò)通訊，無(wú)線傳輸，信息采集等先進(jìn)技術(shù)已走入人們的日常生活中。越來(lái)越多的人們走上科技的時(shí)尚高端，享受著信息時(shí)代帶來(lái)的生活便利和居家安全。智能家居系統(tǒng)走入尋常百姓家中，物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使原本獨(dú)立的個(gè)體家電、門(mén)窗和室內(nèi)環(huán)境聯(lián)姻，并能和主人的手機(jī)、PC機(jī)遠(yuǎn)程互答。

在智能家居系統(tǒng)中，門(mén)窗的智能安防和控制在整個(gè)系統(tǒng)中的地位尤為重要。但是，目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的系統(tǒng)案例中，對(duì)門(mén)的防盜、人臉識(shí)別、對(duì)講研究技術(shù)較成熟，但是對(duì)窗戶的相關(guān)研究往往被忽略，一般只重視窗戶的開(kāi)關(guān)控制上，對(duì)它的安全防范等作用研究較少。因?yàn)楣?jié)能和舒適性要求，窗戶占建筑墻體的面積越來(lái)越大，窗戶的防盜、防小孩墜樓，防風(fēng)雨以及隨室內(nèi)環(huán)境開(kāi)關(guān)的智能性需求也越來(lái)越大。本文在智能家居系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)上重點(diǎn)闡述智能家居的重要分支——智能節(jié)能窗系統(tǒng)。目前很多新住宅在窗戶材料上都實(shí)現(xiàn)了節(jié)能要求，在此基礎(chǔ)上綜合利用傳感器技術(shù)，ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，現(xiàn)代通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)窗戶內(nèi)外各種信息采集、處理、安全報(bào)警和自動(dòng)開(kāi)關(guān)控制。窗戶作為室內(nèi)外互通的重要環(huán)節(jié)，對(duì)智能家居系統(tǒng)中安全防范系數(shù)的提高具有極其關(guān)鍵的作用［1］。

1　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用一臺(tái)家居PC機(jī)接入WIFI 無(wú)線網(wǎng)作為控制中心，利用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)建立家庭內(nèi)部設(shè)備、環(huán)境和門(mén)窗的局域網(wǎng)，利用GSM模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與移動(dòng)4G手機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊和遠(yuǎn)程控制。總體框圖如圖1。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

智能節(jié)能窗系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，它主要包括窗戶內(nèi)外信息采集、智能開(kāi)關(guān)控制、安全報(bào)警。實(shí)現(xiàn)的功能是當(dāng)室內(nèi)出現(xiàn)煙霧等有害氣體時(shí)能給控制中心反饋信息并自動(dòng)開(kāi)窗、當(dāng)接到主人發(fā)出的開(kāi)窗命令時(shí)能自動(dòng)開(kāi)窗，當(dāng)室外檢測(cè)到風(fēng)雨信息時(shí)能自動(dòng)關(guān)窗，當(dāng)窗戶內(nèi)外檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)物體存在時(shí)能給控制中心反饋信息并安全報(bào)警。

子系統(tǒng)主要由CC2530微處理器、各種傳感器終端，報(bào)警終端，機(jī)械傳動(dòng)裝置組成，利用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，建立一個(gè)樹(shù)簇型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

圖2　子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　子系統(tǒng)終端硬件設(shè)計(jì)

該部分主要包括各種傳感器組成的信息采集模塊，終端報(bào)警模塊和機(jī)械傳動(dòng)模塊，采集到的信號(hào)傳送到控制中心，進(jìn)行信息加工和處理，控制中心發(fā)出的命令由報(bào)警終端和傳動(dòng)裝置執(zhí)行［3］。

2.1信息采集系模塊

（1）煙霧濃度檢測(cè) 。煙霧濃度檢測(cè)采用的傳感器選用深圳市浩時(shí)健電子科技有限公司提供的普通氣體煙霧傳感器M Q-2，輸出電壓為5.0V±0.2V，靈敏度：R in air/Rin typical gas≥5，溫度：-20℃～+55℃，它是一種壽命長(zhǎng)、成本低對(duì)液化氣、丙烷、氫氣等可燃?xì)怏w具有良好的靈敏度的氣敏傳感器。通過(guò)氣敏傳感器監(jiān)測(cè)家居內(nèi)液化氣、煙霧等參數(shù)主要是為實(shí)現(xiàn)如下兩個(gè)功能：

1）實(shí)現(xiàn)有毒氣體報(bào)警，并執(zhí)行自動(dòng)開(kāi)窗降低有毒氣體濃度的操作；

2）火災(zāi)報(bào)警，在判讀是否有火災(zāi)發(fā)生時(shí)還結(jié)合了室內(nèi)溫度傳感器采集到的溫度進(jìn)行判斷，即當(dāng)室內(nèi)煙霧濃度和溫度都超過(guò)某閡值時(shí)判斷可能發(fā)生了火災(zāi)，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警。

（2）風(fēng)雨天氣檢測(cè)。風(fēng)雨傳感器采用深圳德力智能科技有限公司提供的dree-s6c風(fēng)雨傳感器。工作電壓12v，工作溫度-10～75（℃），探測(cè)距離30米，可設(shè)置1～9級(jí)風(fēng)速、光照、雨量檔位，是目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的風(fēng)雨傳感器，風(fēng)速辨認(rèn)，利用光速感應(yīng)，幾乎0誤差，雨水感應(yīng)速度準(zhǔn)確， 支持聲光報(bào)警，達(dá)到設(shè)定等級(jí)風(fēng)速或者雨水量自動(dòng)發(fā)出信號(hào)至控制中心，控制中心可根據(jù)設(shè)定風(fēng)速和雨水量判定是否關(guān)窗，從而驅(qū)動(dòng)控制單元關(guān)閉窗戶。

（3）運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)。對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的檢測(cè)目的是判斷在開(kāi)窗狀態(tài)下，室內(nèi)小孩或其他人員扒窗存在墜窗危險(xiǎn)和盜賊通過(guò)窗戶入室行竊造成的人身和財(cái)產(chǎn)安全。是基于紅外線技術(shù)，根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程所發(fā)射的紅外線波長(zhǎng)在9到10μm之間， 設(shè)計(jì)中采用熱釋電傳感器LH1778，當(dāng)檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)人體入侵窗口外3米內(nèi)范圍時(shí)，熱釋電傳感器產(chǎn)生電信號(hào)變化，開(kāi)關(guān)自動(dòng)接通負(fù)載，延時(shí)2S仍然有電信號(hào)存在，判斷窗外有人入侵，聲光報(bào)警器報(bào)警，從而驅(qū)逐入侵者。當(dāng)檢測(cè)到窗口內(nèi)1米有運(yùn)動(dòng)人體時(shí)紅光閃爍提醒扒窗有危險(xiǎn)。以上兩種情況傳感器采集到的信息可同步傳給控制中心，控制中心通過(guò)GSM模塊發(fā)給手機(jī)，主人可根據(jù)情況發(fā)出關(guān)窗命令。

2.2終端報(bào)警模塊

終端報(bào)警模塊主要是在檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)物體和煙霧濃度超標(biāo)時(shí)開(kāi)啟聲光報(bào)警裝置并在液晶顯示單元上提示主人報(bào)警原因。

2.3機(jī)械傳動(dòng)模塊

此模塊主要包括3個(gè)組成部分：控制芯片，紅外收發(fā)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)?？刂菩酒捎肧TC89C52芯片作為微控制器，紅外收發(fā)采用紅外對(duì)管，電機(jī)采用減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。功能框圖如圖3。

圖3　傳動(dòng)功能框圖

主要是實(shí)現(xiàn)窗戶的開(kāi)關(guān)控制，通過(guò)紅外信號(hào)與ZigBee終端實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單通信，ZigBee終端設(shè)備可以將來(lái)自手機(jī)的控制數(shù)據(jù)發(fā)送給傳動(dòng)設(shè)備控制器，傳動(dòng)設(shè)備控制器接收到該控制數(shù)據(jù)后執(zhí)行相關(guān)操作，并在操作結(jié)束后回復(fù)數(shù)據(jù)給ZigBee終端以告知ZigBee終端設(shè)備相關(guān)操作己完成。

3　子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

利用Vc++6.0開(kāi)發(fā)平臺(tái)，MFC方式進(jìn)行編程。首先，控制中心通過(guò)串口與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行通訊，而ZigBee協(xié)調(diào)器作為內(nèi)網(wǎng)“核心”，既能接收來(lái)自終端設(shè)備采集的信息，同時(shí)又能向任何節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)傳輸紐帶，程序流程圖如圖4。機(jī)械傳動(dòng)模塊是ZigBee終端通過(guò)紅外收發(fā)功能控制的，是ZigBee協(xié)調(diào)器間接控制的設(shè)備，對(duì)窗戶的控制程序流程圖如圖5。

圖4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序流程圖

圖5　傳動(dòng)模塊程序流程圖

4　功能測(cè)試

采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)試手段對(duì)ZigBee的組網(wǎng)功能、網(wǎng)絡(luò)通訊功能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示ZigBee終端設(shè)備和路由器上電后能正常加入ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)ZigBee終端設(shè)備和路由設(shè)備因?yàn)楫惓Ｔ蚨x開(kāi)ZigBee網(wǎng)絡(luò)時(shí)，ZigBee協(xié)調(diào)器能判斷出有節(jié)點(diǎn)離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以正常進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，家居智能網(wǎng)關(guān)可以和ZigBee網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

對(duì)傳動(dòng)控制模塊進(jìn)行測(cè)試。主要是對(duì)電機(jī)每轉(zhuǎn)一周窗戶開(kāi)關(guān)的距離S1，與在不同頻率f下控制信號(hào)控制電機(jī)行進(jìn)距離達(dá)到S2（取10組不同頻率，每組測(cè)試10次取平均值），記錄每次所用時(shí)間T1和理論時(shí)間T2進(jìn)行比較得到測(cè)試數(shù)據(jù)如表1。

表1　測(cè)試數(shù)據(jù)

結(jié)果表明，ZigBee模塊和紅外遙感可實(shí)現(xiàn)對(duì)窗戶的控制，測(cè)試數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)基本相符，同時(shí)報(bào)警功能完備，測(cè)試結(jié)果達(dá)到理想要求。

5　結(jié)論

本文主要研究了一種基于支持ZigBee協(xié)議的CC2530微處理器的智能窗系統(tǒng)。綜合利用現(xiàn)代通訊技術(shù)，傳感器技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，對(duì)硬件電路合理搭建，在VC++6.0基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，完成了智能窗系統(tǒng)的內(nèi)部組網(wǎng)并依托互聯(lián)網(wǎng)與手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊，實(shí)現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)中窗戶的自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，賦予窗戶更好的節(jié)能和智能作用，有效增強(qiáng)了家居環(huán)境的舒適性和安全性。本系統(tǒng)組網(wǎng)靈活，安裝方便，更重要的是智能化指數(shù)較高，在未來(lái)將有很好的應(yīng)用前景。

［1］崔斌，韓峻峰，梁晉昌.基于嵌入式系統(tǒng)的智能門(mén)窗設(shè)計(jì)［J］.嵌入式技術(shù)，2010（06）：78-80.

［2］周顯恩.基于ZigBee技術(shù)的人臉識(shí)別智能家居系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］.東華理工大學(xué)，2010.

［3］楊璐，劉寶棟，王銀濤.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)門(mén)窗聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（08）：297-300.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.056

河北省保定市科技局，科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)15ZG037。

陳淑春（1979-），女，碩士研究生，研究方向：自動(dòng)控制與檢測(cè)技術(shù)。