智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(四川文理學(xué)院 智能制造學(xué)院，四川 達(dá)州 635000)

0 引言

近年來(lái)，火災(zāi)、煤氣中毒、入室搶劫盜竊等安全事件屢有發(fā)生，使人們的生命財(cái)產(chǎn)遭受損失，同時(shí)也造成了極大的負(fù)面社會(huì)影響。人們對(duì)生活空間的安全性的需求更加迫切。財(cái)產(chǎn)和人身安全已成為人們對(duì)智能家居的首要要求。因此家庭安防系統(tǒng)成為了智能家居中的必不可少的一部分[1]。

智能家居系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)在整個(gè)家居系統(tǒng)中起著十分重要的紐帶作用?，F(xiàn)有的家庭安防系統(tǒng)中的信息傳輸大多是采用有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞?，存在著布線困難、線路老化以及維護(hù)維修成本高等缺陷。

為提高智能家居安防系統(tǒng)的可靠性和靈活性，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于ZigBee和GSM網(wǎng)絡(luò)的智能家居安防系統(tǒng)。GSM網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)的通信連接，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)組建內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。

1 總體設(shè)計(jì)

智能家居安防系統(tǒng)是為了能在突發(fā)狀況發(fā)生時(shí)能夠快速準(zhǔn)確的識(shí)別并發(fā)出報(bào)警。該智能家居安防系統(tǒng)的功能主要包括以下幾個(gè)方面：防火災(zāi)功能、防可燃?xì)怏w泄漏、智能門禁防盜功能。這就要求該安防系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控家庭環(huán)境狀況，并根據(jù)傳感器采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)分析處理。

系統(tǒng)主要分為3個(gè)部分，分別是傳感器模塊、ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊、GSM網(wǎng)絡(luò)模塊。傳感器模塊主要包括了煤氣監(jiān)測(cè)傳感器MQ-7、溫度傳感器、煙霧傳感器及無(wú)線門磁傳感器等。ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)有3中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別是星型網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)狀型網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)是安裝在室內(nèi)，且有墻壁、家具等障礙物，使得兩個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的通信距離會(huì)大大減小。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)選擇了可以以多跳形式增加傳輸距離的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)包括了3中類型的節(jié)點(diǎn)，分別是終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。路由器節(jié)點(diǎn)可以直接與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，但終端節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)之間不能直接通信。在設(shè)計(jì)時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)以點(diǎn)播的方式傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。為了降低功耗，終端節(jié)點(diǎn)在完成信息傳輸之后會(huì)進(jìn)入休眠模式。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)再通過(guò)串口與GSM網(wǎng)絡(luò)模塊相連，GSM網(wǎng)絡(luò)模塊會(huì)將報(bào)警信息以短信的方式傳送給用戶，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。圖1為該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要是針對(duì)ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊、傳感器模塊。由系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖可知，ZigBee節(jié)點(diǎn)分為三組，分別用于火災(zāi)監(jiān)控、煤氣泄漏監(jiān)控及智能門禁防盜。所以每一組ZigBee節(jié)點(diǎn)連接的傳感器是不一樣的。但ZigBee節(jié)點(diǎn)核心控制模塊的硬件設(shè)計(jì)是相同的。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主要功能是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，并通過(guò)串口將處理結(jié)果傳輸給GSM網(wǎng)絡(luò)模塊，該網(wǎng)絡(luò)模塊再將報(bào)警信息發(fā)送給用戶。所以協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)無(wú)需連接傳感器模塊，但需要通過(guò)串口與GSM網(wǎng)絡(luò)模塊連接。圖2為ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖。

圖2 ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖

2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊

典型的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有ZigBee技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、WiFi技術(shù)、超寬頻技術(shù)(UWB)等。WiFi技術(shù)傳輸速率較快，但功耗較高，這對(duì)于需要大范圍分布在家居內(nèi)的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)并不適用。藍(lán)牙技術(shù)使用的ISM頻段是開(kāi)放頻段，會(huì)受到微波爐、電話等家用設(shè)備的干擾。超寬頻技術(shù)(UWB)采用的是高速非正弦脈沖，工作時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)功率較大，可能會(huì)影響到無(wú)線通信系統(tǒng)的工作。ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用的頻段為免費(fèi)頻段，還具有定時(shí)休眠、自動(dòng)組網(wǎng)等功能。相對(duì)其他無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而言，ZigBee技術(shù)具有節(jié)點(diǎn)容量大、功耗低、體積小、成本低、安全性高、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)[2]。因此在設(shè)計(jì)時(shí)選擇了ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee節(jié)點(diǎn)的核心控制模塊采用的是TI公司推出的CC2530芯片。該芯片功能強(qiáng)大，所需外圍電路較少。它包含了整個(gè)8051內(nèi)核，其中斷控制器能夠提供18個(gè)中斷源，一些中斷設(shè)備還可以從睡眠模式喚醒設(shè)備。它所具有的8KB-SRAM在數(shù)字部分掉電時(shí)能夠保留自己的內(nèi)容，是一個(gè)超低功耗的SRAM。除此之外，它還具有3個(gè)8位的通用I/O端口，在使用時(shí)可根據(jù)需要使用寄存器PxDIR來(lái)設(shè)置每個(gè)端口引腳為輸入或輸出。該芯片是一款低功耗芯片，其電源工作模式一共有3中，分別是PW1、PW2和 PW3。其中PW1不僅功耗較高而且休眠時(shí)間較短。雖然PW3功耗最小，但是在該電源模式下需要RESET或外部中斷喚醒，不符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。PW2可通過(guò)RESET或外部中斷喚醒也可以通過(guò)定時(shí)休眠的方式喚醒[3-4]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，綜合比較之后，本文在設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)時(shí)采用的是電源模式2。

CC2530芯片是一個(gè)功能比較完善的片上系統(tǒng)芯片。它除了集成了整個(gè)8051內(nèi)核之外還自帶射頻功能。由于ZigBee節(jié)點(diǎn)是安裝在戶內(nèi)，有墻壁和家具等障礙物，使得其通信距離大大減小。為保證其通信距離，在設(shè)計(jì)時(shí)增加了射頻功放芯片RFX2401C。該芯片使用的頻段為2.4 GHz，該頻段為免費(fèi)頻段，由此可降低智能家居系統(tǒng)的成本。此款芯片的適用環(huán)境溫度在負(fù)50攝氏度到正125攝氏度，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)集成了PA、LNA、傳輸和接收切換電路。圖3為其外部電路原理圖，如圖3所示，RFX2401C的端口4為射頻單向傳輸端，它與控制芯片CC2530的RFN/RFP端進(jìn)行連接，端口13置空，端口10連接天線，端口5為發(fā)送使能端口，端口4是接收使能端，其余端口均接地。RFX2401C擁有靈敏度好、效率高、噪音小、低成本、外形小等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于所需帶寬的擴(kuò)展是一款完美的芯片。除此之外，RFX2401C還擁有簡(jiǎn)單低壓的COMS控制邏輯，所需外圍電路也非常簡(jiǎn)單[5-6]。

圖3 RFX2401C外部電路原理圖

GSM網(wǎng)絡(luò)模塊采用的是西門子公司以TC35I為核心研發(fā)的一款體積小、集成度高的無(wú)線模塊。該GSM無(wú)線傳輸模塊具有成本低、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，能夠進(jìn)行語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的傳輸。傳輸速率最小為300 B/s，最大為115 kB/s。在使用時(shí)采用直流電源供電，其供電范圍在3.3～4.8 V之間。雖然該模塊是安裝在戶內(nèi)，但是為避免停電的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有采用家庭電源進(jìn)行供電，而是外接電池進(jìn)行供電。為節(jié)省功耗，在沒(méi)有信息傳輸時(shí)，該模塊都處于待機(jī)狀態(tài)。在進(jìn)行信息的傳輸時(shí)是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的AT命令控制GSM模塊將報(bào)警信息遠(yuǎn)程傳輸?shù)绞謾C(jī)終端[7]。

2.2 傳感器模塊

對(duì)于煤氣監(jiān)測(cè)在設(shè)計(jì)時(shí)采用煤氣傳感器對(duì)甲烷、丁烷、一氧化碳等可燃性氣體進(jìn)行檢測(cè)。多晶結(jié)構(gòu)的二氧化錫薄膜是其核心材料。在正常情況下，該材料的電阻率較低。當(dāng)空氣中的可燃性氣體增加時(shí)，其電阻率將會(huì)增加，使得輸出電平發(fā)生變化，從而得知空氣中可燃性氣體的濃度[8]。通過(guò)比較，在設(shè)計(jì)時(shí)采用的是MQ-5氣敏傳感器，并采用的CC2530的P1.0來(lái)檢測(cè)其輸出的數(shù)據(jù)信息。而CC2530的P0.1口接蜂鳴器，當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)超過(guò)閾值時(shí)，則打開(kāi)蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)。MQ-5氣敏傳感器煤氣濃度監(jiān)測(cè)范圍在300-10000 ppm。由于煤氣泄漏的危險(xiǎn)性，為保證家庭安全，起到預(yù)防煤氣泄漏的作用，在設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到煤氣濃度值超過(guò)300ppm就發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒住戶進(jìn)行煤氣泄漏檢查。圖4為MQ-5的電路設(shè)計(jì)圖。

圖4 MQ-5的電路設(shè)計(jì)圖

智能門禁防盜功能主要是利用門磁傳感器監(jiān)測(cè)家中門窗是否在未經(jīng)允許的情況下被打開(kāi)。該門磁傳感器的主要原理是：當(dāng)磁鐵和觸片的距離很近時(shí)，該傳感器處于工作等待狀態(tài)。當(dāng)門窗被打開(kāi)，磁鐵和觸片的距離會(huì)增大，磁場(chǎng)對(duì)觸片的作用力就會(huì)減小，干簧管內(nèi)的觸片會(huì)閉合，從而連通電路，使得傳感器輸出電平信號(hào)發(fā)生變化。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低且易于擴(kuò)展。在設(shè)計(jì)時(shí)使用CC2530的P1.1跟該傳感器進(jìn)行連接。圖5為其電路設(shè)計(jì)圖。

圖5 門磁傳感器電路設(shè)計(jì)圖

對(duì)于家庭火災(zāi)監(jiān)控，一般情況下會(huì)采用多個(gè)傳感器對(duì)多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行探測(cè)。本文在設(shè)計(jì)時(shí)采用了溫度傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鳌Ｔ谠O(shè)計(jì)時(shí)溫度傳感器選擇的是DS18B20，該傳感器是一種數(shù)字式的溫度傳感器。測(cè)溫范圍在-55～+125℃之間，完全滿足家庭溫度的測(cè)量。該傳感器一共有3個(gè)外接引腳，且外部電路簡(jiǎn)單，在使用時(shí)可以直接從兩個(gè)字節(jié)的溫度寄存器中讀取數(shù)據(jù)[9]。圖6為其我為其外部電路設(shè)計(jì)圖。

火焰?zhèn)鞲衅鬟x擇的是遠(yuǎn)紅外傳感器JNHB1004，該傳感工作溫度在-25～+85℃，能夠檢測(cè)到760～1 100 nm范圍內(nèi)波長(zhǎng)的紅外光。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，該傳感器可檢測(cè)到火焰輻射出的紅外線強(qiáng)度變化，并將紅外線強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)變成電流的變化，使用時(shí)通過(guò)外接分壓電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出[10]。在設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)CC2530芯片的A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成0～2047范圍內(nèi)的數(shù)字信號(hào)。圖7為其外部電路設(shè)計(jì)圖。

3 軟件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)時(shí)選擇的ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。所以對(duì)該網(wǎng)絡(luò)中3種不同類型的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。其中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建，它向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信標(biāo)幀，對(duì)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行密匙匹配，并為其分配網(wǎng)絡(luò)地址，然后對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，若出現(xiàn)異常，則將報(bào)警信息通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)及時(shí)發(fā)送給用戶。路由器節(jié)點(diǎn)主要具備兩個(gè)作用：一是通過(guò)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將自身采集到數(shù)據(jù)以點(diǎn)播的形式發(fā)送給上一個(gè)父節(jié)點(diǎn)，然后判斷是否需要打開(kāi)報(bào)警模塊；二是中轉(zhuǎn)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)離協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)，不能直接將自身采集到的數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器時(shí)，就會(huì)自動(dòng)選擇最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)路徑通過(guò)路由器將自身的數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器。由于路由器節(jié)點(diǎn)要隨時(shí)待命中轉(zhuǎn)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，所以路由器節(jié)點(diǎn)是不能進(jìn)入休眠模式的。但是路由器節(jié)點(diǎn)不能一直采集數(shù)據(jù)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)為避免數(shù)據(jù)的冗余，要控制路由器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的次數(shù)。終端節(jié)點(diǎn)同樣要完成數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，其最大的特點(diǎn)是可以進(jìn)入休眠模式，達(dá)到節(jié)省功耗的目的。本文設(shè)計(jì)的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式2，通過(guò)定時(shí)器喚醒。設(shè)計(jì)時(shí)將終端節(jié)點(diǎn)設(shè)置為每隔5秒進(jìn)行一次數(shù)據(jù)的采集和傳輸。Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸速率最大為250 kb/s，最小為20 kb/s，完全滿足家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求。終端節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)每經(jīng)過(guò)一次路由器進(jìn)行中轉(zhuǎn)，就會(huì)延時(shí)10 ms，但對(duì)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間來(lái)說(shuō)影響不大。圖8為終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)程序流程圖。

圖8 終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)程序流程圖

4 測(cè)試結(jié)果

在設(shè)計(jì)完成之后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用7個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)。這7個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，剩下6個(gè)節(jié)點(diǎn)分為3組，分別用于火災(zāi)監(jiān)測(cè)、煤氣泄漏監(jiān)測(cè)和智能門禁防盜3個(gè)功能。每一組都由一個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)組成。設(shè)定各節(jié)點(diǎn)每隔5秒進(jìn)行一次數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

表1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)丟包測(cè)試結(jié)果

首先對(duì)ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了組網(wǎng)測(cè)試。ZigBee節(jié)點(diǎn)程序編譯下載好之后，首先打開(kāi)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的電源，然后依次打開(kāi)路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的電源。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)先給自己分配網(wǎng)絡(luò)地址為0X0000，然后進(jìn)行無(wú)線監(jiān)聽(tīng)，是否有其他節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。若有則判斷密匙是否相同，若相同就為其為其分配網(wǎng)絡(luò)地址。為測(cè)試其網(wǎng)絡(luò)良好的自愈功能，適當(dāng)調(diào)整終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的距離，使其無(wú)法將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，然后在終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間放置路由器節(jié)點(diǎn)，使得終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。通過(guò)串口調(diào)試助手可直接觀察到終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸情況[11]。然后關(guān)閉路由器節(jié)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)無(wú)數(shù)據(jù)傳來(lái)。打開(kāi)路由器節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)又自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)，并為終端節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果表明，該網(wǎng)絡(luò)具有良好的自愈功能。

接下來(lái)對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了丟包測(cè)試。設(shè)定每個(gè)節(jié)點(diǎn)以點(diǎn)播的方式傳輸1000個(gè)數(shù)據(jù)包到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并利用串口調(diào)試助手觀察數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果。其測(cè)試結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該網(wǎng)絡(luò)丟包率極低，穩(wěn)定性良好，滿足系統(tǒng)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前家居安防系統(tǒng)存在的不足，依托于ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)及GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套智能家居安防系統(tǒng)，并給出了傳感器模塊的硬件設(shè)計(jì)及ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件軟件設(shè)計(jì)。由于數(shù)據(jù)的傳輸采用的是ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，且ZigBee終端節(jié)點(diǎn)還可以通過(guò)休眠模式來(lái)節(jié)省功耗，所以該系統(tǒng)具有無(wú)需布線、性能穩(wěn)定、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)家庭火災(zāi)、煤氣泄漏的監(jiān)測(cè)及智能門禁的防盜功能，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。