一种基于ZigBee及GSM混合网络的轻智能家居安防系统设计

江丹丹，唐煜程，唐冬

（1.广州大学，广东广州510006；2.合肥工业大学，安徽合肥230009）

一种基于ZigBee及GSM混合网络的轻智能家居安防系统设计

江丹丹1，唐煜程2，唐冬1

（1.广州大学，广东广州510006；2.合肥工业大学，安徽合肥230009）

针对传统智能家居成本高，系统复杂，安装维护困难，未实现个性化定制等问题，设计了一套基于ZigBee及GSM网络的轻智能家居安防系统，包括系统整体架构、实现方案以及多样化远程监控方式。该系统采用ZigBee网络与GSM网络相结合技术实现了对家居设备进行信息采集、指令控制、远程监控的功能，可广泛应用于防火防盗、安全监控和安防等领域。

轻智能家居；远程监控；ZigBee；GSM

0 引言

传统的智能家居系统普遍存在系统结构复杂、安装繁琐、维护成本高等缺点。若让智能家居产品得到普遍认可，它必须便于安装、价格低廉、使用方便直观。轻智能家居是指无需施工部署、功能可自由搭配组合、价格相对便宜、可直接面对最终消费者销售的产品或系统[1]。轻智能家居系统具有网络化、易用、安全、轻巧的特点，改变了传统智能家居的面貌，符合市场需求。基于轻智能家居的要求，本文设计了一种基于ZigBee和GSM混合网络的轻智能家居安防系统，一方面利用无线ZigBee低功耗、小体积、长寿命的优点实现监控现场信息的采集和特定事件下的信息传输，另一方面利用GSM实现事件信息到用户的长距离传输，使得系统具有安装布设简单灵活、功能模块化、使用简便直观和成本较低等特点。

1 系统总体设计

1.1 系统结构及功能特点

基于ZigBee及GSM网络的轻智能家居安防系统采用模块化结构，主要由ZigBee模块、GSM模块、PC机控制中心、手机终端四部分组成，系统结构框图如图1所示。本系统采用ZigBee模块进行传感器数据的收集；PC机作为主控中心，负责传感器数据的显示，模块间的通信，家庭安全的监控；智能手机作为远程监控的终端。模块化结构有利于本系统的功能可以根据用户的需求进行自由搭配，符合轻智能家居的要求[2]。

系统主要实现了家居安全监测防范、危险状况报警及远程监控功能，可应用于各种家庭、小区、仓库、财务重要地点、无人值守机房等的监控和报警。本系统运用ZigBee网络无线组网[3]，部署简单，符合轻智能家居易于安装维护的理念。

图1 系统结构框图

1.2 系统工作流程

ZigBee选用CC2530模块，其中RFD设备为终端节点，利用温度传感器DS18B20、光敏电阻5516、烟雾传感器和人体红外传感器来分别检测房间温度、光强、瓦斯气体值、是否有小偷侵入等情况。具体流程是RFD设备收集传感器信息，然后将检测数据传送给FFD设备，FFD设备将数据通过串口发送给PC机进行实时显示和分析。若检测值超过警戒值，一方面，由PC机将房间传感器数值通过GSM模块发送给用户，必要时也可以发送报警信息至小区安保处，实现报警功能；另一方面，PC机直接控制ZigBee模块进行警情处理，如关闭总电闸。另外，用户可发送信息至GSM模块，或者通过互联网登录特定网站进行住宅安全状态查询，实现远程监控。本系统工作流程如图2所示。

图2 工作流程图

2 ZigBee无线传感网络设计

2.1 无线传感器节点低功耗设计

针对轻智能家居中对系统低功耗的要求，选择Zig⁃Bee构建家庭个域网，IEEE 802.15.4/ZigBee协议构建无线传感器网络，ZigBee具有低功耗，网络容量大，成本低的特点[3]。ZigBee无线收发模块硬件选用CC2530，CC2530芯片集成了RF收发器，增强型8051 CPU，8 KB RAM以及系统内可编程闪存[4]，特点是以极低的总材料成本建立较为健壮的网络节点。

本系统采用星型拓扑网络，所有成员节点只需与簇头进行通信，避免了复杂的路由过程，网关节点利用FFD设备，具有建立和维护网络，收集数据的功能；传感器节点采用RFD设备，负责采集传输传感器数据，在收到控制器的查询命令时发送数据，功耗较低，可由电池供电。本系统的设计理念为瘦节点和胖控制端，无线传感器节点和网关节点只需完成数据采集和传输功能，而控制、存储、分析数据的功能由系统控制中心完成，这样可以降低无线传感器节点和网关节点的能量消耗[5]。

2.2 软件实现

ZigBee模块的软件实现主要通过Z⁃Stack协议栈。利用Z⁃Stack协议栈进行数据通信时，可通过以下步骤实现：首先，调用协议栈提供的组网函数，实现网络的建立与节点的加入；然后发送设备调用协议栈提供的无线数据发送函数，实现数据的发送，Z⁃Stack中发送数据通过在应用层调用函数void SampleApp_SendFlashMes⁃sage（uint16 flashTime）完成，这个函数在应用中通过调用afStatus_t AF_DataRequest（afAddrType_t*dstAddr，endPointDesc_t*srcEP，uint16 cID，uint16 len，uint8 *buf，uint8*transID，uint8 options，uint8 radius）函数完成数据的发送。

ZigBee模块软件实现流程图如图3所示。

图3 ZigBee模块软件实现流程图

3 系统控制中心

3.1 通信协议

以家庭普遍拥有的PC机作为系统控制中心，Zig⁃Bee模块与PC主控系统的通信具有通信协议，通信采用主从式，由PC机发起请求，ZigBee模块应答。协议采用

异步串口通信方式，通信波特率为38 400 b/s，8位数据位，1位停止位[6]，无校验位。协议命令格式包括帧头，命令字、数据、校验和、帧尾，如表1所示。校验和为命令字，数据之和。首先，PC机向ZigBee模块发送握手命令，ZigBee模块回送握手命令，实现二者联机。然后当ZigBee模块收到上传命令时，向PC机发送相应的检测值，如收到上传温度值命令时发送温度值。ZigBee与PC机的通信框图如图4所示。

表1 数据帧格式

图4 ZigBee与PC机的通信框图

3.2 软件实现

本系统采用C++语言编写MFC AppWizard用于显示ZigBee模块上传的温度，光强，瓦斯气体等物理量的数值，并显示检测值的动态数值变化曲线。基于ZigBee及GSM网络的轻智能安防家居系统结果界面如图5所示。

图5 基于ZigBee及GSM网络的轻智能安防家居系统结果界面

由于GSM/GPRS模块和ZigBee模块均连接到PC主控制器，因此PC主控系统软件编写涉及到多串口多线程编程，本系统采用CSerialPort类进行多线程多串口通信编程[7]。CSerialPort类属于第三方的串口通信类[8]，使编程可控性强，拓展性好，易实现多串口通信编程。具体步骤如下：首先，添加两个CserialPort类对象，分别对应GSM/GPRS模块串口以及ZigBee模块串口；然后利用串口初始化函数m_port.InitPor（t）初始化串口及启动监听线程，添加串口消息映射机制BEGIN_MES⁃SAGE_MAP（CmySeralPortView，CView），最后分别处理每个串口发来的数据。PC主控系统软件实现流程图如图6所示。

图6 PC主控系统软件实现流程图

4 智能手机远程监控方式

ZigBee网络范围仅限于家庭住宅内，用户如果离开家庭就无法得知家庭状态，因此ZigBee网络必须与其他网络连接以实现远程监控。远程监控的方式包括GSM网络、GPRS和Internet网络三种，如图7所示。GSM网络方式是指用户可以通过手机发送短信至GSM模块进行房间实时状态查询。GPRS方式是指通过GPRS传输网络协议数据包。Internet技术以HTTP技术为基础，利用网络通信技术[9]，Socket技术及面向对象等技术实现远程监控，例如制作智能安防家居系统网页，并将房间数据上传至此网页，用户在远程登录网页进行数据访问。本系统采用GSM网络作为远程通信监控的方式，简单易行，可靠性好，稳定性强。

图7 远程监控方式

5 结语

本文基于ZigBee和GSM网络，以实现实用、灵活、轻量化和模块化为设计目标，设计了一套轻智能家居安防检测控制系统，可实时对火灾、非法闯入、煤气泄露、紧急呼救等应急事件进行监控[10]，实现了以移动终端远程监控安全状态的功能[11]。本系统结构简单，可满足用户对家庭安防的需求。

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Design of light smart home security system based on ZigBee and GSM hybrid network

JIANG Dan⁃dan1，TANG Yu⁃cheng2，TANG Dong1
（1.Guangzhou University，Guangzhou 510006，China；2.Heifei University of Technology，Hefei 230009，China）

Because of the shortcomings of the traditional smart home system like high cost，complexity，difficulties of instal⁃lation and maintenance，missing of personalized customization and so on，a light smart home security system based on ZigBee and GSM network，including the overall system architecture，implementation scheme and various ways of remote monitoring was designed.The system combines ZigBee network with GSM network to realize the functions of information acquisition，command control and RMON，and can be widely used in fire alarm，guard against theft，security monitoring，security and other fields.

light smart home；RMON；ZigBee；GSM

TN926+.2⁃34

A

1004⁃373X（2015）03⁃0006⁃03

江丹丹（1991—），女，广东河源人，在读研究生。研究方向为无线传感器、无线通信、无线资源管理。

2014⁃08⁃18

广东省重大科技专项（2012A010800009）；广州市科技计划（12C42011656，2014J4100142，2014J4100233）；广州市教育局科技计划项目（2012A082）资助

唐冬，广州大学教授，广州大学机械与电气工程学院副院长。研究方向为下一代移动通信系统关键技术，MIMO、OFDM，无线资源管理。