基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

福州大學(xué)至誠學(xué)院 藍(lán)麗金 陳良偉

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和帶動(dòng)下，人民的生活質(zhì)量不斷提高，在家庭住宅和財(cái)產(chǎn)的安全方面有了更高的要求。為了滿足當(dāng)代人們對(duì)家庭住宅安全防范方面上的要求，本文利用ZigBee技術(shù)與各類傳感器形成無線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過LCD液晶顯示屏將監(jiān)測(cè)到的參數(shù)顯示出來，達(dá)到視覺信息交互的效果，配合上GSM遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)，當(dāng)住宅內(nèi)發(fā)生異常情況時(shí)，用戶能及時(shí)的接受到報(bào)警消息，將險(xiǎn)情消滅在萌芽狀態(tài)。

1 研究背景

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，人們對(duì)居住環(huán)境也有了更高的要求，不僅要舒適、簡(jiǎn)潔，還要能夠保障人身安全和家庭財(cái)產(chǎn)安全。傳統(tǒng)的防盜措施已經(jīng)起不到很好的效果。除了外來的安全隱患外，住宅內(nèi)部也有許多不安全因素，像熱水器、煤氣灶一些大功率的電器，因?yàn)槔匣驌p壞的原因，很有可能會(huì)導(dǎo)致漏水、漏電、甚至火災(zāi)。針對(duì)這些問題，本文利用ZigBee無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)各類安防傳感器的多點(diǎn)布置，對(duì)室內(nèi)各處環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。配合GSM遠(yuǎn)程無線通信，當(dāng)監(jiān)測(cè)到異常情況時(shí)，及時(shí)的向用戶發(fā)送報(bào)警短信。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是以STM32為主控制器，分為圖1系統(tǒng)框圖，嵌入式最小系統(tǒng)、GSM短信發(fā)送模塊、ZigBee無線收發(fā)模塊、LCD液晶顯示模塊、各安防傳感模塊等，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

3 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控芯片選用的是ST公司生產(chǎn)的大容量增強(qiáng)性芯片STM32F103ZET6。通過學(xué)習(xí)該系列芯片對(duì)應(yīng)的固件庫實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的編寫[1]。

系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和短信報(bào)警功能，主控制器需要與SIM800A模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行USART通信。除此之外，為還通過TTL轉(zhuǎn)串口芯片與PC上位機(jī)進(jìn)行通信，使用串口調(diào)試助手軟件可以獲取模塊之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，可以檢驗(yàn)通信的成功與否和數(shù)據(jù)的完整性，模塊間的通信如圖2所示。

圖2 模塊間的通訊圖Fig.2 Communication diagram between modules

3.2 GSM模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的GSM模塊采用高性能SIM800A芯片（如圖3所示），該芯片有68個(gè)引腳，能夠?qū)崿F(xiàn)撥號(hào)呼叫、消息發(fā)送、數(shù)據(jù)上傳等功能。支持多類通信接口，包括USB接口、串行接口、IIC、SIM接口[2]。MCU通過串行接口可以發(fā)送AT指令直接控制SIM800A芯片執(zhí)行相應(yīng)操作。在使用短信報(bào)警功能時(shí)，需要給該模塊裝上SIM手機(jī)卡[3]。

圖3 GSM模塊Fig.3 GSM module

3.3 ZigBee無線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中使用的ZigBee無線收發(fā)模塊（如圖4所示）是采用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片，該集成芯片專門用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。與其他單片機(jī)最為與眾不同之處的地方是該芯片擁有一對(duì)RF收發(fā)器[4-5]，也正是使用RF收發(fā)器與ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)組建與通信，該芯片擁有低功耗和低成本來組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。

圖4 ZigBee模塊Fig.4 ZigBee module

4 系統(tǒng)軟件分析

4.1 主程序流程圖設(shè)計(jì)

主控制器程序中初始化串口是用于實(shí)現(xiàn)與ZigBee、GSM模塊的通信，配置系統(tǒng)定時(shí)器用于精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)。其中對(duì)接收數(shù)據(jù)的類型識(shí)別與存儲(chǔ)操作在中斷函數(shù)中進(jìn)行。主程序?qū)?shù)據(jù)的判斷是不斷循環(huán)的，當(dāng)滿足報(bào)警條件時(shí)，通過發(fā)送AT指令和調(diào)用轉(zhuǎn)碼函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)中英文短信發(fā)送。如圖5所示為主程序流程圖。

圖5 主控制器流程圖Fig.5 Flow chart of the main controller

4.2 ZigBee模塊程序流程圖設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和傳輸由ZigBee模塊來實(shí)現(xiàn)，ZigBee模塊通過協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建和數(shù)據(jù)的無線傳輸，并能將多個(gè)安防設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與區(qū)分。在本系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，其工作流程圖如圖6所示。

圖6 ZigBee模塊流程圖Fig.6 ZigBee module flow chart

5 硬件測(cè)試及測(cè)試結(jié)果分析

硬件調(diào)試過程，如圖7所示，通過PC將協(xié)調(diào)器發(fā)送給主控器的數(shù)據(jù)顯示出來，這些數(shù)據(jù)是各傳感器采集到的，是經(jīng)協(xié)調(diào)器分類處理好的。

圖7 數(shù)據(jù)傳輸Fig.7 Data transmission

如圖8所示對(duì)顯示屏進(jìn)行合理的布局，將系統(tǒng)名稱、各環(huán)境參數(shù)信息顯示出來。

圖8 液晶顯示Fig.8 LCD display

如圖9所示，滿足報(bào)警條件時(shí)，用戶手機(jī)會(huì)收到報(bào)警短信。短信內(nèi)容為各環(huán)境參數(shù)的值，能夠直觀的進(jìn)行判斷。亦可通過程序修改短信報(bào)警內(nèi)容。

圖9 手機(jī)端報(bào)警信息顯示Fig.9 Mobile phone alarm information display

6 結(jié)論

家庭財(cái)產(chǎn)的安全問題是每家每戶都關(guān)注的，傳統(tǒng)的安防措施已經(jīng)不能滿足人們的需求，人們迫切的需要一種可靠的、智能的、多功能的智能安防設(shè)備。本設(shè)計(jì)通過將無線通信技術(shù)引入到家居安防系統(tǒng)中去，能夠?qū)崿F(xiàn)安防設(shè)備的無線數(shù)據(jù)傳輸，避免了大量的人力用于布線，通過結(jié)合ZigBee和GSM技術(shù)完成了一套安防系統(tǒng)，有如下功能：（1）對(duì)室內(nèi)溫度、濕度、氣體濃度進(jìn)行采集，并探測(cè)是否有入侵者；（2）組建ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)安防設(shè)備多點(diǎn)布置和無線通信；（3）LCD顯示監(jiān)測(cè)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)信息交互；（4）監(jiān)測(cè)安全隱患時(shí)進(jìn)行GSM 遠(yuǎn)程短信報(bào)警。

本設(shè)計(jì)通過應(yīng)用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了安防設(shè)備的多點(diǎn)布置與數(shù)據(jù)的無線傳輸，增加了布局的靈活性和隱蔽性。GSM技術(shù)能夠讓用戶及時(shí)的接收到預(yù)警消息，將險(xiǎn)情消滅在萌芽。由于時(shí)間有限，該系統(tǒng)仍有不足之處，但能夠滿足人們對(duì)家居安防的基本要求，能實(shí)現(xiàn)防火、防煤氣泄漏、防盜功能。