基于ZigBee技术的智能防盗窗报警系统

黄炯，王志明

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

基于ZigBee技术的智能防盗窗报警系统

黄炯，王志明

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

针对传统防盗窗的不足以及有线方式传输的缺点，以S3C2410处理器为主控芯片，并以实时操作系统uC/OS-II为核心，利用多传感器采集报警信号，通过ZigBee短距离无线网络将信号发送至主控模块进行处理和分析，一方面经GSM网络以短消息形式将报警信息发送至用户手机，另一方面经RS485传输至物业上位机显示，设计并实现了智能防盗窗报警系统。

ZigBee；GSM网络；多传感器；智能防盗

0 引言

随着经济的迅速发展，人们生活水平的不断提高，家庭财物被盗的严重性不仅日益得到人们的关注，而且促使家庭智能防盗技术的快速发展。家庭智能防盗系统[1-2]可对家庭的安全环境进行实时监控，而智能防盗窗是此系统中的重要组成部分。目前大多相关的产品都是采用有线方式进行信号的传输，针对有线方式的布线复杂、线路易损坏和不易维护等特点，设计了基于ZigBee短距离无线传输方式[3]的智能防盗窗系统。本设计以移植了uC/OS-II[4]实时操作系统的S3C2410为开发平台，通过ZigBee和GSM无线网络传输多传感器检测到的报警信号，实现无线远程报警。

1 系统总体方案设计

智能防盗窗报警系统原理如图1所示。

该系统采用模块化的结构设计思路，主要由传感器模块、信号调理模块、电源模块、ZigBee无线收发模块、主控模块和GSM模块等组成。传感器模块将采集到的盗贼入侵信号经信号调理模块放大滤波得到有效信号，经ZigBee无线收发模块的终端节点无线发送至协调器节点，通过S3C2410处理器的处理和分析，将报警信号通过GSM网络发送至用户手机，并通过RS485发送至物业上位机显示，同时开启摄像头进行视频监控，以留下盗贼偷盗的证据。

图1 系统工作原理图

2 系统硬件设计

2.1 传感器模块与信号处理模块

由振动传感器、红外传感器和人体接近传感器组成了传感器模块。其中振动传感器采用SW-18020P振动传感器，该传感器无方向性，任何角度均可触发工作，主要用于检测窗户的振动，通过电路设计可调节其振动灵敏度，其外围电路如图2所示，通过LM393电压比较器输出数字量0和1。人体接近传感器采用YTM8631型传感器，具有穿透性能好、探测灵敏度可调、距离可设置和探测方向可调等特点，且不受温度、湿度、噪声、气流、尘埃、光线等影响,适合恶劣环境。当有人进入传感器感应范围时，会探测到人体的红外光谱，接通负载，输出报警信号。红外反射光电传感器主要用于检测盗贼从窗户进入，当人体挡住射线，就会输出报警信号，同时会启动摄像头进行录像。信号处理模块主要对传感器输出的模拟信号进行放大滤波。为了避免误报警，三传感器中的两个检测到信号才向主控模块发送报警信息。

图2 振动传感器外围电路

2.2 单片机与电源模块

前端主控模块采用AT89S52单片机，是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8k在系统可编程Flash存储器。主要对采集到的信号进行简单处理，并触发蜂鸣器报警。电源模块部分选用CD4066模拟开关对采集部分即传感器模块电源通断的控制，以达到系统在不采集数据时，数据采集部分的功耗为零。

2.3S3C2410处理器和ZigBee射频模块

S3C2410是一款基于ARM920T处理器核的32位低功耗嵌入式微控制器，具有独立的16kB指令Cache和数据Cache,集成LCD，UART，IIC，SPI，IIS，USB，SD控制器等片内外围设备，支持NAND Flash启动，适合应用于手持设备。该处理器作为防盗窗报警系统的核心部分极大的起到降低功耗的作用。选用移植了Z-Stack协议栈的CC2430[5]射频芯片作为射频模块的核心，该芯片结合了一个高性能的2.4GHz直接序列(DSSS)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的增强型8051控制器，并满足2.4 GHzISM波段应用中对低成本、低功耗的要求。该模块通过RS232串口分别与前端单片机和主控模块的S3C2410进行通信，其硬件系统结构如图3所示。

图3 CC2430硬件系统结构图

2.4GSM短信模块与摄像头模块

以华为公司生产的EM310模块为GSM[6]短信收发模块，其电路图如图4所示。该模块是一款工作在EGSM900/GSM1800双频段可支持GSM和GPRS的手机短消息模块，通过UART串行接口与主控模块通信，主控模块通过发送AT指令的方式完成短消息的收发。摄像头模块采用的是主控芯片为OV511的USB摄像头，OV511是一款低成本，高集成度的USB摄像头，不仅支持VGA(640×480)(10-15fps)，CIF(352×288)(30fps)等格式，而且在CPU利用率低的情况下能快速解压。采集图像的输出格式可以是YUV/YCbCr4：2：0/4：2：2 或者RGB16。该模块主要记录盗贼盗窃过程，用于取证。

图4 EM310模块电路图

3 系统软件设计

3.1ZigBee短距离无线网络组建

该短距离无线网络采用星型拓扑结构，包含一个协调器节点和若干终端节点，其网络结构图如图5所示。其网络的组建主要包括协调器建立网络和终端节点加入网络。通过修改TI公司开发的Z-Stack[7]协议栈完成网络组建、设备入网和数据采集，并在IAR EWB开发环境下调试运行。协调器节点的网络建立和终端节点的入网软件流程图如图6所示。

图5 ZigBee无线传感网络结构图

图6 终端节点

3.2 主控模块软件设计

在S3C2410处理器上移植uC/OS-II实时操作系统，该系统是占先式操作系统，可对系统资源和多个任务进行管理，具有足够的安全性和稳定性，其对任务的调度是按优先级进行的。该系统任务的优先由高到底依次为：红外光电反射处理任务、振动处理任务、人体接近处理任务、摄像头开关处理任务和GSM短信处理任务。该系统主函数如下：

Int main(void)

{

OSInit(); //初始化uC/OS-II系统

OSTaskCreate(TaskStart,(void*)0,

TaskStartStk[TASK_STK_SIZE-1],0);

OSStart(); //启动uC/OS-II任务管理

return 0;

}

该主控模块软件流程图如图7所示。

4 结语

以S3C2410处理器为主控芯片，实时操作系统uC/OS-II为核心，ZigBee短距离无线网络和GSM网络为通信平台，利用多传感器检测信号，设计了智能防盗窗报

图7 主控模块软件流程图

警系统。该系统解决了有线方式传输和传统防盗窗不能报警、无安全性等缺点，具有易维护安装、稳定性好、扩展性好等特点。

[1] 张橙.家庭智能防盗报警系统的设计[J].湖南工业大学学报,2009,23(3):97-99.

[2] 霍银龙,赵芙生.基于DSP的智能家居远程监控系统的设计[J].机械制造与自动化,2012,41(3):151-155.

[3] 张周,周剑,扬闫沫.ZigBee在智能家居系统中的应用研究[J].工业控制计算机,2006,19(12):7-9.

[4] 何雅琴.基于UCOS_II的智能窗系统的设计[D].上海：华东师范大学，2008.

[5] 宁炳武,刘军民.基于CC2430的ZigBee网络节点设计[J].电子技术应用,2008,3:95-99.

[6] 孙增军,胡延平.基于GSM的移动监控定位系统设计[J].现代电子技术,2003,1(9):44-48.

[7] 夏飞.基于Z-Stack协议的无线传感器网络节点研究[J].电子元器件应用，2009,11(12):74-76.

Intelligent Alarm System of Security Window Based on ZigBee Technology

HUANG Jiong, WANG Zhi-ming

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Aiming at the disadvantage of traditional security window and wired transmission, this paper designs an intelligent alarm system of security window. S3C2410 processor is taken as the master chip and the real-time operating system of uC/OS-II as the core, the muti-sensor is used to collect the alarm signal,which is transmitted to the main control module for processing and analysis through the ZigBee short-range wireless network. On the one hand, the alarm information is sent to the user's mobile phone as a short message through GSM, on the other hand, it is sent to the property host computer and display through RS485.

ZigBee; GSM network; muti-sensor; intelligent guard

黄炯(1988-)，男，安徽合肥人，硕士研究生，研究方向为智能检测与控制技术。

TP277

B

1671-5276(2014)02-0204-03

2013-01-28