基于ZigBee的智能家居安防系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

摘要：綜合利用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)、無線傳感器技術(shù)、GSM技術(shù)，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種智能家居安防系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括感應(yīng)節(jié)點(diǎn)、ZigBee協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)以及后端控制系統(tǒng)。通過感應(yīng)結(jié)點(diǎn)實(shí)時監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境以及安防信息并利用ZigBee自組織無線網(wǎng)絡(luò)傳送給控制系統(tǒng)進(jìn)行處理。經(jīng)過實(shí)驗測試表明：該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、實(shí)時性強(qiáng)，具有一定的實(shí)用市場價值。

關(guān)鍵詞：ZigBee;無線傳感器技術(shù);安防系統(tǒng);自組織無線網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP309 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Al

文章編號：1009-3044（2020）22-0173-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：j

隨著ZigBee技術(shù)、傳感器技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能家居市場日趨成熟，人們對于家居室內(nèi)的安全越來越重視，智能家居安防系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生并受到關(guān)注。文獻(xiàn)[1]提出并實(shí)現(xiàn)了一種利用ARM平臺的智能安防系統(tǒng)，文獻(xiàn)[2]結(jié)合ZigBee技術(shù)和GSM設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種混合網(wǎng)絡(luò)的智能家居安防系統(tǒng)。

本文基于已有的智能家居安防系統(tǒng)方案，從經(jīng)濟(jì)性、實(shí)時可靠性等方面考慮，使用ZigBee模塊、無線傳感器設(shè)備結(jié)合GSM技術(shù)設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種可以同時在控制端和手機(jī)端實(shí)時查看室內(nèi)家居環(huán)境信息和安防信息的智能家居安防系統(tǒng)。

1 智能家居安防系統(tǒng)架構(gòu)

本智能家居安防系統(tǒng)主要包括三個部分：基于傳感器的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)，基于ZigBee設(shè)備的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)以及后端智能家居安防控制系統(tǒng)。感應(yīng)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)溫濕度、空氣PM2.5值、火情以及安防信息的采集，基于ZigBee的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，智能家居安防控制系統(tǒng)包含兩部分：智能家居網(wǎng)關(guān)和手機(jī)端，負(fù)責(zé)室內(nèi)環(huán)境信息和安防信息的查看和控制。傳感器采集相應(yīng)的環(huán)境信息和安防信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給后端智能家居安防控制系統(tǒng)中的智能網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)利用GSM網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)以短信的形式發(fā)送給手機(jī)端，從而實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)關(guān)和手機(jī)端實(shí)時查看相關(guān)的環(huán)境信息和安防信息。

2 智能家居安防系統(tǒng)硬件設(shè)計

設(shè)計實(shí)現(xiàn)的智能家居安防系統(tǒng)主要利用部署在室內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時采集溫度、濕度、火情等環(huán)境信息以及安防信息，通過ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)后，可以在智能家居安防控制系統(tǒng)中的智能網(wǎng)關(guān)和手機(jī)端實(shí)時查看室內(nèi)的環(huán)境情況，當(dāng)室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)、空氣中存在易燃?xì)怏w或者非法闖入的時候，能夠及時發(fā)出預(yù)警。

2.1 ZigBee芯片

從智能家居安防系統(tǒng)的整體性能以及經(jīng)濟(jì)性、可靠性、穩(wěn)定性考慮，系統(tǒng)采用的ZigBee芯片為TI公司的CC2530，其外設(shè)功能強(qiáng)大，數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)，使用成本和功耗方面均較低[3]，因此在智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)之中廣泛被使用。

2.2 火焰檢測傳感器

火焰檢測傳感器作為系統(tǒng)中重要的傳感器之一，主要負(fù)責(zé)實(shí)時監(jiān)測家居環(huán)境里的火情，當(dāng)室內(nèi)出現(xiàn)明火的時候，火焰?zhèn)鞲衅魃蠒袩艄忾W爍，同時與之相連的蜂鳴器會及時發(fā)聲報警，同時將火情信息通過GSM網(wǎng)絡(luò)，以短信的形式發(fā)送給戶主或者相關(guān)的消防部門。其電路圖如圖2所示。

2.3 氣體檢測傳感器

對于室內(nèi)引起火災(zāi)安全的易燃?xì)怏w，例如天然氣、煤氣、液化氣等，系統(tǒng)中利用氣體檢測傳感器進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測相關(guān)易燃?xì)怏w的濃度。綜合使用的靈敏度、監(jiān)測的氣體的范圍以及功能的穩(wěn)定性等方面考慮，系統(tǒng)中選用的傳感器型號為MQ-2氣體傳感器，該傳感器可以實(shí)現(xiàn)對液化氣、一氧化碳、乙醇、煙霧等多種物質(zhì)的監(jiān)測，而且使用的期限長，具備較高的使用價值[4]。

2.4 溫濕度傳感器

為了實(shí)時采集室內(nèi)的溫度和濕度等環(huán)境信息，系統(tǒng)中采用了溫濕度傳感器DHTlI，DHTII傳感器采用了專用的溫濕度傳感技術(shù)結(jié)合數(shù)字模塊采集技術(shù)，通過校準(zhǔn)的數(shù)字信號輸出采集到的溫濕度，其使用成本低、傳送數(shù)據(jù)的速度快、響應(yīng)及時、抗干擾能力強(qiáng)，具有較高的可靠性和穩(wěn)定的性能[5]。其電路圖如圖3所示。

2.5 PM2.5檢測傳感器

PM2.5值是空氣質(zhì)量的重要參數(shù)，其表示空氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物[6]。它的數(shù)值越大表示空氣質(zhì)量越差。系統(tǒng)中采用PM2.5檢測傳感器及時采集空氣中的PM2.5數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后計算出PM2.5數(shù)值，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)及時傳送給后端的控制系統(tǒng)，以便于及時了解室內(nèi)的空氣情況。當(dāng)空氣中的PM2.5數(shù)值超過預(yù)設(shè)的閾值后，會及時發(fā)出預(yù)警。

2.6 熱釋電紅外傳感器

為了監(jiān)測進(jìn)入室內(nèi)的人員情況，系統(tǒng)中部署了紅外傳感器，從靈敏度、可靠性、功耗等方面考慮，系統(tǒng)中采用HC-SR501傳感器，其工作原理是利用熱釋電元件去接收人體紅外輻射溫度發(fā)生的變化，從而失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)過檢測處理后從而產(chǎn)生報警信號[7]。當(dāng)紅外傳感器檢測到非法闖入時，會觸發(fā)報警裝置，并及時發(fā)送信息給戶主進(jìn)行預(yù)警。傳感器的電路圖如圖4所示。

3 智能家居安防系統(tǒng)軟件設(shè)計與測試

系統(tǒng)軟件采用的開發(fā)軟件是IAR Embedded Workbenchversion 8.11.該軟件集成了功能強(qiáng)大的編輯器和項目管理器，適用于多種芯片的開發(fā)[8]。

3.1系統(tǒng)整體軟件設(shè)計

智能家居安防系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件設(shè)計是基于Z-Stack協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)完成的，該協(xié)議棧采用任務(wù)輪詢機(jī)制的操作系統(tǒng)。首先Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行相關(guān)軟件和硬件的初始化，接著啟動OSAL操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)輪詢，當(dāng)檢測有事件發(fā)生時，則調(diào)用相應(yīng)的事件處理函數(shù)，如果沒有檢測到事件發(fā)生，則輪詢下一個任務(wù)。

用來傳送傳感器檢測到的數(shù)據(jù)的ZigBee自組織網(wǎng)絡(luò)，是ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過檢測到傳感器節(jié)點(diǎn)后，將其加入自組織網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)所有的傳感器節(jié)點(diǎn)都加入網(wǎng)絡(luò)后，通過OSAL操作系統(tǒng)輪詢機(jī)制檢測到有傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的需求時，調(diào)用發(fā)送函數(shù)，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送給接收方;接收方需要調(diào)用接收函數(shù)執(zhí)行接收的步驟，從而實(shí)現(xiàn)傳感器檢測到的數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送到后端系統(tǒng)的過程。

3.2 安防信息短信收發(fā)的實(shí)現(xiàn)

智能家居網(wǎng)關(guān)與手機(jī)終端之間的短信通信，主要通過網(wǎng)關(guān)中的SIM卡進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，利用AT指令集，當(dāng)網(wǎng)關(guān)中的SIM卡接收到網(wǎng)關(guān)進(jìn)程中的安防信息后，設(shè)置好短信的發(fā)送格式，通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給戶主的手機(jī)終端，從而實(shí)現(xiàn)安防信息的遠(yuǎn)程接收和查詢。

3.3 智能家居網(wǎng)關(guān)界面設(shè)計

智能家居網(wǎng)關(guān)的功能是實(shí)現(xiàn)前端傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的溫濕度信息、安防監(jiān)控信息、空氣質(zhì)量信息的數(shù)據(jù)處理和實(shí)時顯示，其界面設(shè)計主要包括溫度監(jiān)測、濕度監(jiān)測、空氣質(zhì)量、安防監(jiān)控四個模塊，如圖5所示。

3.4 系統(tǒng)測試

3.4.1 溫濕度監(jiān)測模塊測試

經(jīng)過測試，本智能家居安防系統(tǒng)利用終端濕度傳感器監(jiān)測到環(huán)境中的溫濕度信息，經(jīng)過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)處理，利用組織的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街悄芫W(wǎng)關(guān)后，可以在界面上實(shí)時顯示。

3.4.2 空氣質(zhì)量測試

設(shè)計的智能家居安防系統(tǒng)在終端節(jié)點(diǎn)中部署了空氣質(zhì)量監(jiān)測功能。即空氣中的PM2.5值的實(shí)時監(jiān)測。采集完數(shù)據(jù)后，傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)發(fā)給智能家居網(wǎng)關(guān)，同時會和預(yù)先設(shè)置的閾值進(jìn)行對比，當(dāng)超過閾值時，觸發(fā)蜂鳴器進(jìn)行報警。

3.4.3 安防監(jiān)控測試

安防監(jiān)控是本系統(tǒng)中的重要組成部分，安防信息主要包括非法闖入、室內(nèi)是否存在明火以及空氣中是否存在易燃?xì)怏w，系統(tǒng)中部署的紅外傳感器負(fù)責(zé)檢測非法闖人信息，火焰檢測傳感器負(fù)責(zé)檢測室內(nèi)的明火信息，氣體檢測傳感器檢測空氣中包含的易燃?xì)怏w信息，通過測試，智能網(wǎng)關(guān)可以實(shí)時顯示有無非法闖入、有無明火、空氣中有無易燃?xì)怏w等安防信息，同時當(dāng)室內(nèi)出現(xiàn)安防信息異常時，會及時發(fā)送短信給手機(jī)終端，同時相應(yīng)的報警裝置會發(fā)出響聲預(yù)警。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的基于ZigBee的智能家居安防系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測并顯示空氣中的環(huán)境信息，主要包括溫濕度信息、空氣中的PM2.5濃度、室內(nèi)的安防信息，具體包括是否有異常闖人、空氣中的易燃?xì)怏w情況和室內(nèi)明火情況、如果存在異常安防情況，系統(tǒng)會及時預(yù)警并發(fā)送短信給戶主手機(jī)。本安防系統(tǒng)設(shè)計方案在提供安防信息的同時，可以讓用戶實(shí)時掌握室內(nèi)的環(huán)境信息，豐富了安防系統(tǒng)的功能，具有一定的市場推廣價值。

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【通聯(lián)編輯：梁書】

基金項目：蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)研究項目（Wzyzr202015）

作者簡介：陶奉春（1989-），男，安徽馬鞍山人，助教，碩士研究生，主要從事物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等研究工作。