基于ZigBee/SCS智能家居安防监控系统设计
2014-12-24杨慧
杨慧
摘 要：智能家居安防系统网络在网络传输质量，传输速度，网络安全以及移动性与灵活性上有很高的要求，基于这些特点设计ZigBee/SCS智能家居安防监控系统。该系统网络采用无线网络与有线网络，系统无线家庭网络部分选用ZigBee网络，有线网络部分系统选用SCS双总线协议网络。重点对系统的网关，协调节点，终端硬件电路与系统软件部分进行了设计，实现安防监控系统网络的稳定、快速、安全通信 。
关键词：ZigBee;SCS;网关;安防监控
中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：2095-1302（2014）11-00-03
0 引 言
智能家居是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境。在智能家居系统中安防监控技术在可视对讲，防盗报警，家庭监控，小区一卡通等领域都有广泛的应用。根据不同的家庭建筑情况，智能家居系统可采取不同的家庭网络设计，对于已经装修过的建筑可以采取无线自动控制系统，而未装修的建筑，可以采取无线与有线相结合的控制方法，这样弥补了无线不稳定等问题。
1 系统构建概述
安防监控报警系统针对非法闯入、火灾险情、煤气泄漏、水管泄漏、电路故障等危险状况进行紧急求助与报警。该安防监控系统重点阐述三个设计：ZigBee/SCS智能网关，ZigBee无线家庭网络以及安防终端设计。ZigBee/SCS智能网关连接ZigBee无线和SCS总线系统，可以使无线控制器控制SCS总线设备。ZigBee无线家庭网络是无线局域网，主要由ZigBee终端节点和ZigBee协调节点组成。用户通过无线网络把查询和控制信息发送给智能网关，智能网关对接收到的信息进行处理，进而发送给协调器，协调器根据接收的信息地址，最终把指令信息发送给ZigBee终端节点，实现对智能家居系统的安防监测。此外，ZigBee/SCS智能网关具有语音识别单元，通过语音识别功能可以实现智能家居设备的语音控制。图1为智能家居系统结构图。
2 系统硬件设计
2.1 安防监控网关设计
安防监控网关是该系统的核心设计，是外网和家庭内部ZigBee网络的一个节点。系统设计的是基于SCS协议的ZigBee/SCS智能网关，该网关主要接收采集节点，安防节点，控制节点传输过来的数据，并对其进行转换，同时对外网传来的数据信息进行转发以及传递采集节点的数据，把SCS协议或ZigBee协议转换到TCP协议。该ZigBee/SCS智能网关可以连接到ZigBee无线系统和SCS总线系统，在智能家居实际实施过程中，在该网关的作用下，可以实现无线电控制器控制结构化布线系统（SCS）执行器，同时结构化布线系统（SCS）控制器能够控制无线电ZigBee调光器开关。
图1 系统结构图
网关的硬件电路主要有7个部分组成，分别是控制器模块ARM9处理器，64 MB的存储单元NAND FLASH和64MB SDRAM，ZigBee模块（ZigBee协调器CC2530），LCD显示模块，JTAG调试接口模块以及SCS/BUS接口模块。图2为安防监控网关硬件电路结构框图。
图2 安防监控网关硬件电路结构框图
安防监控网关设计的核心是控制器的选择，该设计选择ARM9芯片（S3C2440A）作为主控制器，它是以ARM920T为核心的RISC微处理器。该处理器集成了外部存储控制器，中断控制器，LCD控制器，DMA控制器，时钟和电源管理等丰富资源。同时，通过外扩存储器，串口，JTAG调试接口和SCS/SCS接口等构成硬件开发平台。
SCS-BUS是指结构化布线/总线系统，SCS（Sistema Cablaggio Semplificato，简化布线系统）是一个现场总线网络协议，目前在Bticino和罗格朗得到广泛的应用。SCS总线基于护套双绞线，可以调制4种不同的信号：电力供应信号、数据信号、音频信号、视频信号。其传输控制协议是CSMA/CA（载波侦听/碰撞避免）。该网关是双向的，他们将SCS帧转化为OpenWebNet帧，相反，开放协议OpenWebNet让大家来构建软件与SCS interact设备。SCS协议是一种专有Bticino协议。与其他现场总线交互必须仅使用OpenWebNet编写软件。
ZigBee模块选择CC2530作为射频收发器，完成与主控制器之间的数据通信。CC2530 芯片是2.4 GHz的片上系统，建立在基于IEEE 802.15.4标准协议上面，或是专门的网络协议上面。CC2530模块大致可以分为CPU 和内存相关的模块，外设、时钟和电源管理相关的模块，无线电相关的模块。此外，CC2530提供了一个IEEE 802.15.4兼容无线收发器，RF内核控制模拟无线模块。
系统无线网络部分，主控制器通过串口与无线收发模块CC2530连接，同时对无线模块进行相应的设置，并对采集节点，安防节点，控制节点的数据信息接收与处理。有线设计部分，实在网关硬件平台外扩一个SCS接口，实现与终端设备的连接，进行数据采集，传输数据，主控机根据接收到的信息进行控制。
2.2 协调节点设计
ZigBee网络的根本是充当多个网络之间的桥梁，每个网络必须有一个协调器，可以存储其所属网络的信息，并且充当安全键的保险装置。该系统中ZigBee/SCS网关的协调器必须是ZigBee协调器。
本系统协调节点选择无线片上系统设计的CC2530射频芯片作为ZigBee芯片，该芯片集成了系统所需要的一般基本电路，只需设计简单的外围电路就可以实现系统的无线收发功能。图3为协调节点结构图。
图3 协调节点结构图
2.3 终端硬件电路设计
安防监控报警模块通过布置在室内外的安防传感器来探测警报事件，由智能家居管理终端向用户和小区保安系统发出报警信息。安防传感器主要有门磁、窗磁、煤气泄露传感器、烟雾传感器、红外探头等。
采用的技术路线：无线部分采用ZigBee芯片作为安防传感器的执行器，安防传感器通过ZigBee网络实现与智能家居管理终端的通信。有线部分智能家居管理终端可以通过SCS口连接来实现。ZigBee网络终端节点设备定时上传安防传感器的参数，通过智能家居管理终端可以查询安防传感器的工作状态和警报信息。图4为安防监控系统终端管理硬件结构图。
图4 安防监控终端系统硬件结构图
控制器S3C2440A核心板是智能家居管理终端的中央控制器，负责分析处理各功能模块传输的数据，并作出相应的决策来实现智能家居系统的各项功能。底板上的电源和复位模块负责为核心板和各功能模块提供工作电压，复位电路使管理终端稳定可靠的工作。下载调试接口负责智能家居管理终端软件操作系统的定制、安装和应用程序的下载调试。ZigBee模块作为协调器负责组建ZigBee网络，实现与各种智能家电和安防传感器之间的通信。SD卡可以作为事件记录。监控设备可以是多个网络摄像头，通过网线与路由器相连接，在对其进项相关设置。LCD触摸显示屏和音频模块组合可以实现家居安防里的可视对讲分机的功能。智能家居管理终端本地控制的功能是通过LCD触摸显示屏来实现的。WiFi模块、GPRS模块和SCS模块使智能家居管理终端可以通过无线和有线网络，实现音频视频图像传输和远程控制。
3 系统软件设计
3.1 安防监控网关主要程序设计
安防监控网关连接外网和家庭内部ZigBee网络，进行不同的协议转换，确保不同的网络之间能够正常通信。在本系统中ZigBee/SCS智能网关把SCS协议或ZigBee协议转换成TCP/IP协议。采集节点将监控的信息进行打包处理，包括该节点的地址信息与检测到的数据信息，无线部分以ZigBee帧的方式发送给ZigBee/SCS网关节点，有线部分将SCS帧转化为OpenWebNet帧，网关节点接收到信息后，对原始数据进行处理，接着再以以TCP/IP协议进行打包处理。图5为安防监控网关主程序流程图。
图5 安防监控网关主程序流程图
在硬件平台的基础上，首先对硬件进行上电操作，启动实时操作系统Linux，同时对应用程序进行初始化。安防监控网关起初是处于监听网络状态，当有数据信息转发过来时，将进入中断处理状态。如果数据来自ZigBee网络节点，则对数据进行处理，同时显示节点数据，进行存储打包发给外网，最终回到监听网络状态。如果数据是SCS数据，则执行指令信息，把安防监测信息发送给主机，与ZigBee数据信息一样，最终回归到监听网络状态。
3.2 ZigBee协调节点入网设计
协调节点能够成功通信的条件是协调节点建立的新网络在可用的信道上，即空闲信道上。图6为协调节点的入网设计主程序流程图。首先对节点进行上电操作，硬件进行初始化，同时要求协议栈进行初始化。协调节点通过扫描搜索可用信道尝试建立新的网络。在射频单元搜索过程中，如果有任何一个ZigBee网络在该信道上，协调节点将认为该信道已经被占用，为不可用信道。协调节点将重复此过程直到搜索到可用信道。成功建立新的网络后，节点将进入监听网络状态。当终端节点发送入网请求时，将产生中断，判断是否为安防监测终端数据，如果是将进行数据数据转发与处理，协调节点最终回归于监听网络状态。
3.3 安防监控终端入网设计
终端节点需要完成两项工作，一是网络之间的通信，二是对终端设备进行操作。在终端节点中，采集节点需要采集家庭安防数据信息，再发送给协调节点，同时接收处理发送给它的查询信息。控制节点在接收到控制命令后对家电进行控制，同时也要完成射频信息接收的工作，这要求设备操作与网络通信之间建立连接。安防节点相对简单一些，只需要在规定的时间内进行安防数据采集与发送。进行终端节点操作时已经确定终端节点的网络了，因此，终端节点进行上电操作与系统初始化后，开始搜寻ZigBee无线网络，直至确认无线网络所载的信道，否则将重复进行搜寻过程。申请加入网络，入网成功后，终端节点将进行发送数据与接收命令。
图6 协调节点入网主程序设计
4 结 语
设计的智能家居安防监控系统是针对家庭住宅未装修的情况，它采取无线网络与有线网络相结合的方法，实现安防监控功能。该系统是以ARM9为硬件平台，Linux为实时操作系统，SCS协议为智能家居总线协议，ZigBee/SCS为智能网关，将家庭内部无线传感采集节点采集的安防数据信息发送到控制主机，实现了对非法闯入，火灾险情，电路故障等状况的实时监测。该设计可以使安防监控报警系统获得稳定的网络通信，同时该系统在实际布线过程中可实现无线电控制器与SCS（结构化布线系统）执行器的相互控制，对智能家居系统的发展与建设有重要的意义。
参考文献
[1]田正涛.家庭智能控制终端产品开发研究[D]. 山东：山东科技大学，2011
[2]敖志刚.智能家庭网络及其控制技术[M].北京：人民邮电出版社，2011.
[3] Wikipedia.BUS SCS[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/Bus_SCS，2013
[4]熊少义.基于ARM9的无线传感器网络设计[D]. 成都：电子科技大学，2012
[5]许东.基于CC2530的环境监测无线传感器网络节点设计[J].计算机应用，2013，33（S2）：17-20，24.
[6]邢锐.基于ARM处理器的ZigBee网关设计[J].光机电信息，2011，28（3）：42-46.
[7] 智能家居世界网. 智能家居行业大老虎来了[EB/OL]. http：//www.fcuhome.com/article-1246-1.html，2014.
[8]严建新. 智能家居市场发展分析思考[J]. 中国安防，2012（5）：60-62.
[9] Chen Bo， Wu Ming-guang， Yao Shuai， et al. ZigBee Technology and Its Application on Wireless Meter-reading System[A].Industrial Informatics，2006 IEEE International Conference[C]，2006：1257-1260.
[10]钟建国. 基于Internet的智能家居控制终端的设计与实现[J]. 现代电子技术，2008，31（16）：109-115.
图3 协调节点结构图
2.3 终端硬件电路设计
安防监控报警模块通过布置在室内外的安防传感器来探测警报事件，由智能家居管理终端向用户和小区保安系统发出报警信息。安防传感器主要有门磁、窗磁、煤气泄露传感器、烟雾传感器、红外探头等。
采用的技术路线：无线部分采用ZigBee芯片作为安防传感器的执行器，安防传感器通过ZigBee网络实现与智能家居管理终端的通信。有线部分智能家居管理终端可以通过SCS口连接来实现。ZigBee网络终端节点设备定时上传安防传感器的参数，通过智能家居管理终端可以查询安防传感器的工作状态和警报信息。图4为安防监控系统终端管理硬件结构图。
图4 安防监控终端系统硬件结构图
控制器S3C2440A核心板是智能家居管理终端的中央控制器，负责分析处理各功能模块传输的数据，并作出相应的决策来实现智能家居系统的各项功能。底板上的电源和复位模块负责为核心板和各功能模块提供工作电压，复位电路使管理终端稳定可靠的工作。下载调试接口负责智能家居管理终端软件操作系统的定制、安装和应用程序的下载调试。ZigBee模块作为协调器负责组建ZigBee网络，实现与各种智能家电和安防传感器之间的通信。SD卡可以作为事件记录。监控设备可以是多个网络摄像头，通过网线与路由器相连接，在对其进项相关设置。LCD触摸显示屏和音频模块组合可以实现家居安防里的可视对讲分机的功能。智能家居管理终端本地控制的功能是通过LCD触摸显示屏来实现的。WiFi模块、GPRS模块和SCS模块使智能家居管理终端可以通过无线和有线网络，实现音频视频图像传输和远程控制。
3 系统软件设计
3.1 安防监控网关主要程序设计
安防监控网关连接外网和家庭内部ZigBee网络，进行不同的协议转换，确保不同的网络之间能够正常通信。在本系统中ZigBee/SCS智能网关把SCS协议或ZigBee协议转换成TCP/IP协议。采集节点将监控的信息进行打包处理，包括该节点的地址信息与检测到的数据信息，无线部分以ZigBee帧的方式发送给ZigBee/SCS网关节点，有线部分将SCS帧转化为OpenWebNet帧，网关节点接收到信息后，对原始数据进行处理，接着再以以TCP/IP协议进行打包处理。图5为安防监控网关主程序流程图。
图5 安防监控网关主程序流程图
在硬件平台的基础上，首先对硬件进行上电操作，启动实时操作系统Linux，同时对应用程序进行初始化。安防监控网关起初是处于监听网络状态，当有数据信息转发过来时，将进入中断处理状态。如果数据来自ZigBee网络节点，则对数据进行处理，同时显示节点数据，进行存储打包发给外网，最终回到监听网络状态。如果数据是SCS数据，则执行指令信息，把安防监测信息发送给主机，与ZigBee数据信息一样，最终回归到监听网络状态。
3.2 ZigBee协调节点入网设计
协调节点能够成功通信的条件是协调节点建立的新网络在可用的信道上，即空闲信道上。图6为协调节点的入网设计主程序流程图。首先对节点进行上电操作，硬件进行初始化，同时要求协议栈进行初始化。协调节点通过扫描搜索可用信道尝试建立新的网络。在射频单元搜索过程中，如果有任何一个ZigBee网络在该信道上，协调节点将认为该信道已经被占用，为不可用信道。协调节点将重复此过程直到搜索到可用信道。成功建立新的网络后，节点将进入监听网络状态。当终端节点发送入网请求时，将产生中断，判断是否为安防监测终端数据，如果是将进行数据数据转发与处理，协调节点最终回归于监听网络状态。
3.3 安防监控终端入网设计
终端节点需要完成两项工作，一是网络之间的通信，二是对终端设备进行操作。在终端节点中，采集节点需要采集家庭安防数据信息，再发送给协调节点，同时接收处理发送给它的查询信息。控制节点在接收到控制命令后对家电进行控制，同时也要完成射频信息接收的工作，这要求设备操作与网络通信之间建立连接。安防节点相对简单一些，只需要在规定的时间内进行安防数据采集与发送。进行终端节点操作时已经确定终端节点的网络了，因此，终端节点进行上电操作与系统初始化后，开始搜寻ZigBee无线网络，直至确认无线网络所载的信道，否则将重复进行搜寻过程。申请加入网络，入网成功后，终端节点将进行发送数据与接收命令。
图6 协调节点入网主程序设计
4 结 语
设计的智能家居安防监控系统是针对家庭住宅未装修的情况，它采取无线网络与有线网络相结合的方法，实现安防监控功能。该系统是以ARM9为硬件平台，Linux为实时操作系统，SCS协议为智能家居总线协议，ZigBee/SCS为智能网关，将家庭内部无线传感采集节点采集的安防数据信息发送到控制主机，实现了对非法闯入，火灾险情，电路故障等状况的实时监测。该设计可以使安防监控报警系统获得稳定的网络通信，同时该系统在实际布线过程中可实现无线电控制器与SCS（结构化布线系统）执行器的相互控制，对智能家居系统的发展与建设有重要的意义。
参考文献
[1]田正涛.家庭智能控制终端产品开发研究[D]. 山东：山东科技大学，2011
[2]敖志刚.智能家庭网络及其控制技术[M].北京：人民邮电出版社，2011.
[3] Wikipedia.BUS SCS[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/Bus_SCS，2013
[4]熊少义.基于ARM9的无线传感器网络设计[D]. 成都：电子科技大学，2012
[5]许东.基于CC2530的环境监测无线传感器网络节点设计[J].计算机应用，2013，33（S2）：17-20，24.
[6]邢锐.基于ARM处理器的ZigBee网关设计[J].光机电信息，2011，28（3）：42-46.
[7] 智能家居世界网. 智能家居行业大老虎来了[EB/OL]. http：//www.fcuhome.com/article-1246-1.html，2014.
[8]严建新. 智能家居市场发展分析思考[J]. 中国安防，2012（5）：60-62.
[9] Chen Bo， Wu Ming-guang， Yao Shuai， et al. ZigBee Technology and Its Application on Wireless Meter-reading System[A].Industrial Informatics，2006 IEEE International Conference[C]，2006：1257-1260.
[10]钟建国. 基于Internet的智能家居控制终端的设计与实现[J]. 现代电子技术，2008，31（16）：109-115.
图3 协调节点结构图
2.3 终端硬件电路设计
安防监控报警模块通过布置在室内外的安防传感器来探测警报事件，由智能家居管理终端向用户和小区保安系统发出报警信息。安防传感器主要有门磁、窗磁、煤气泄露传感器、烟雾传感器、红外探头等。
采用的技术路线：无线部分采用ZigBee芯片作为安防传感器的执行器，安防传感器通过ZigBee网络实现与智能家居管理终端的通信。有线部分智能家居管理终端可以通过SCS口连接来实现。ZigBee网络终端节点设备定时上传安防传感器的参数，通过智能家居管理终端可以查询安防传感器的工作状态和警报信息。图4为安防监控系统终端管理硬件结构图。
图4 安防监控终端系统硬件结构图
控制器S3C2440A核心板是智能家居管理终端的中央控制器，负责分析处理各功能模块传输的数据，并作出相应的决策来实现智能家居系统的各项功能。底板上的电源和复位模块负责为核心板和各功能模块提供工作电压，复位电路使管理终端稳定可靠的工作。下载调试接口负责智能家居管理终端软件操作系统的定制、安装和应用程序的下载调试。ZigBee模块作为协调器负责组建ZigBee网络，实现与各种智能家电和安防传感器之间的通信。SD卡可以作为事件记录。监控设备可以是多个网络摄像头，通过网线与路由器相连接，在对其进项相关设置。LCD触摸显示屏和音频模块组合可以实现家居安防里的可视对讲分机的功能。智能家居管理终端本地控制的功能是通过LCD触摸显示屏来实现的。WiFi模块、GPRS模块和SCS模块使智能家居管理终端可以通过无线和有线网络，实现音频视频图像传输和远程控制。
3 系统软件设计
3.1 安防监控网关主要程序设计
安防监控网关连接外网和家庭内部ZigBee网络，进行不同的协议转换，确保不同的网络之间能够正常通信。在本系统中ZigBee/SCS智能网关把SCS协议或ZigBee协议转换成TCP/IP协议。采集节点将监控的信息进行打包处理，包括该节点的地址信息与检测到的数据信息，无线部分以ZigBee帧的方式发送给ZigBee/SCS网关节点，有线部分将SCS帧转化为OpenWebNet帧，网关节点接收到信息后，对原始数据进行处理，接着再以以TCP/IP协议进行打包处理。图5为安防监控网关主程序流程图。
图5 安防监控网关主程序流程图
在硬件平台的基础上，首先对硬件进行上电操作，启动实时操作系统Linux，同时对应用程序进行初始化。安防监控网关起初是处于监听网络状态，当有数据信息转发过来时，将进入中断处理状态。如果数据来自ZigBee网络节点，则对数据进行处理，同时显示节点数据，进行存储打包发给外网，最终回到监听网络状态。如果数据是SCS数据，则执行指令信息，把安防监测信息发送给主机，与ZigBee数据信息一样，最终回归到监听网络状态。
3.2 ZigBee协调节点入网设计
协调节点能够成功通信的条件是协调节点建立的新网络在可用的信道上，即空闲信道上。图6为协调节点的入网设计主程序流程图。首先对节点进行上电操作，硬件进行初始化，同时要求协议栈进行初始化。协调节点通过扫描搜索可用信道尝试建立新的网络。在射频单元搜索过程中，如果有任何一个ZigBee网络在该信道上，协调节点将认为该信道已经被占用，为不可用信道。协调节点将重复此过程直到搜索到可用信道。成功建立新的网络后，节点将进入监听网络状态。当终端节点发送入网请求时，将产生中断，判断是否为安防监测终端数据，如果是将进行数据数据转发与处理，协调节点最终回归于监听网络状态。
3.3 安防监控终端入网设计
终端节点需要完成两项工作，一是网络之间的通信，二是对终端设备进行操作。在终端节点中，采集节点需要采集家庭安防数据信息，再发送给协调节点，同时接收处理发送给它的查询信息。控制节点在接收到控制命令后对家电进行控制，同时也要完成射频信息接收的工作，这要求设备操作与网络通信之间建立连接。安防节点相对简单一些，只需要在规定的时间内进行安防数据采集与发送。进行终端节点操作时已经确定终端节点的网络了，因此，终端节点进行上电操作与系统初始化后，开始搜寻ZigBee无线网络，直至确认无线网络所载的信道，否则将重复进行搜寻过程。申请加入网络，入网成功后，终端节点将进行发送数据与接收命令。
图6 协调节点入网主程序设计
4 结 语
设计的智能家居安防监控系统是针对家庭住宅未装修的情况，它采取无线网络与有线网络相结合的方法，实现安防监控功能。该系统是以ARM9为硬件平台，Linux为实时操作系统，SCS协议为智能家居总线协议，ZigBee/SCS为智能网关，将家庭内部无线传感采集节点采集的安防数据信息发送到控制主机，实现了对非法闯入，火灾险情，电路故障等状况的实时监测。该设计可以使安防监控报警系统获得稳定的网络通信，同时该系统在实际布线过程中可实现无线电控制器与SCS（结构化布线系统）执行器的相互控制，对智能家居系统的发展与建设有重要的意义。
参考文献
[1]田正涛.家庭智能控制终端产品开发研究[D]. 山东：山东科技大学，2011
[2]敖志刚.智能家庭网络及其控制技术[M].北京：人民邮电出版社，2011.
[3] Wikipedia.BUS SCS[EB/OL].http：//en.wikipedia.org/wiki/Bus_SCS，2013
[4]熊少义.基于ARM9的无线传感器网络设计[D]. 成都：电子科技大学，2012
[5]许东.基于CC2530的环境监测无线传感器网络节点设计[J].计算机应用，2013，33（S2）：17-20，24.
[6]邢锐.基于ARM处理器的ZigBee网关设计[J].光机电信息，2011，28（3）：42-46.
[7] 智能家居世界网. 智能家居行业大老虎来了[EB/OL]. http：//www.fcuhome.com/article-1246-1.html，2014.
[8]严建新. 智能家居市场发展分析思考[J]. 中国安防，2012（5）：60-62.
[9] Chen Bo， Wu Ming-guang， Yao Shuai， et al. ZigBee Technology and Its Application on Wireless Meter-reading System[A].Industrial Informatics，2006 IEEE International Conference[C]，2006：1257-1260.
[10]钟建国. 基于Internet的智能家居控制终端的设计与实现[J]. 现代电子技术，2008，31（16）：109-115.
