基于ZigBee 技术的智能家居安防系统的研究

陈建云++魏道熙++邓峰

摘要：该文探讨了智能家居系统的发展状况及趋势，分析了当前智能家居安防系统的不足，并对ZigBee技术进行了研究，设计了安防系统的总体架构以及硬件部分，对安防系统的拓扑结构、硬件的选型、外围模块的设计、搭建以及部分传感器模块做了详细论证和设计，采用星形拓扑结构搭建系统。实验证明，ZigBee技术能很好地实现普通家庭内部的信息传输，且可以对室内烟雾、煤气、温度进行监测、报警。该方案解决了有限传输的局限性，大大提高了系统的扩展功能，且能使报警信息及时有效的传送给用户，在一定程度上解决了目前智能家居安防系统存在的不足。

关键词：智能家居；安防系统；ZigBee

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）17-0160-05

Abstract：This paper discusses the development status and trend of smart home security system，analyzes the shortcomings of the current smart home security system，and analyzes the ZigBee technology，designed the overall architecture of the security system and the hardware part. The data transmission is a specific condition.According to the test data analysis of the transmission distance of ZigBee， the ZigBee can realize the information transmission function of the ordinary family，and verify the feasibility of the scheme.

Key words：Smart Home；Security system；ZigBee

1 引言

进入新世纪以来，科学技术水平快速发展，人们生活水平也随之迅速提高，科学技术的发展，在一定程度上面正潜移默化的改变人们的生活方式，现在，人们正逐渐开始要求自动化、智能化的生活，人们对于家居的要求程度逐步提高，智能化、自动化、人性化、逐步成为当今的人们对生活家居一种新的要求。目前智能信息技术、自动化技术、电子信息技术正在逐步应用于生活的各个领域，我们的衣食住行与其关系越来越紧密，其应用领域包括智能家居领域。伴随着网络技术与通信技术的发展与普及，家居生活进入了一个新阶段。智能家居产业蓬勃发展，家居设备的智能化已经成为了一种趋势，在不久的将来会走入千家万户。

智能家居是人们的一种居住环境，让家庭更加安全、节能、智能、便利和舒适，智能家居是建立在普通生活技术上的，与普通家居相比，智能家居具有的特点：操作随意性，服务便利性，功能扩展性，系统可靠性。

自从世界上第一幢智能建筑于1984年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居安防系统方案，近来，以美国摩托罗拉公司及微软公司等为首的一批国际著名企业，先后跻身于智能家居安防系统的研究与开发中，3COM公司也一直在通过因特网向用户宣传智能家居安防系统这一概念，并积极研发家用无线网关等网络产品。此外托马杜多媒体公司、Intel公司、韩国三星公司、新加坡科技电子公司、日本松下电器公司等知名企业也纷纷投身于于智能家居安防系统的研发工作中。

本文在分析了国内外智能家居系统以及智能家居安防系统的基础上，针对当前智能家居安防系统的不足，提出了基于Zigbee技术的智能家居安防系统组网的解决方案，增强了系统的人机互交性。阐述了系统的硬件、软件设计，采用星型的拓扑结构搭建系统，温度检测、一氧化碳监测等模块进行论证和设计。安防系统经过研究对比，选用无线单片机CC2530。实验结果表明，ZigBee能很好地实现温度检测、一氧化碳检测及报警功能，且系统稳定可靠。

2 系统架构

2.1 ZigBee网络拓扑选型

ZigBee网络拓扑结构支持3种功能设备，分别为协调器、路由器、以及终端设备。

a）ZigBee协调器的主要作用是负责发动和配置网络。Zigbee协调器还能支持关联，同时设计以及执行其他程序活动，负责网络之间保持正常的通信，且信息传输也能协调网络内部不同设备之间的数据传输。

b）ZigBee路由器主要负责多个设备之间的关联及数据传输，将信息从一个设备传送到另一个设备。ZigBee网络协议规定，在一个网络中允许有多个ZigBee路由器共同存在。

c）ZigBee终端设备主要用来执行其他的相关功能，通过使用ZigBee网络能够与其他网络设备进行数据交换。

2.2 拓扑结构

根据实际的应用需要，ZigBee网络可以构成成三种拓扑结构：星形网络拓扑结构、网状网络拓扑结构以及树状网络拓扑结构。本文是采用星形网络拓扑结构构件智能家居系统。如图1所示。

2.3 网关系统设计

（1）内部网络

本文采用星形网络拓扑结构来进行家庭无线网络的搭建，家庭内部网络分为终端的信息采集节点、安防系统两类设备。其中安防系统是网络的控制中心，其作用是负责ZigBee网络的建立，且将终端节点传输的数据处理转发给无线路由器。终端节点的功能是监控周围的环境信息、采集家庭环境数据，例如温度、电湿度、一氧化碳浓度，并对数据处理，然后把数据传输给协调器，执行安防系统传送来的控制信息。

（2）网关系统

网关是家庭网络的核心，是处于广域网和家庭网络中间的一个节点，作为入口节点，它应具有网关和服务器的功能，一方面，网关要支持TCP协议议并能提供服务，从而允许客户远程访问它，以ARM微处理器为中心建立网关硬件平台，对外通过宽带接入公共网络，对内将家用电器及其他联网设施通过家庭内部无线局域网连接成一体，用户通过远端PC就能接收家里环境信息。网关结构框图如图2所示：

网关从功能结构上主要是处理远程用户控制信息。家庭内部信息网的通信协议比较简单，要实现它与外部TCP/IP的互联，必须实现协议的转换，这是网关一个非常重要的作用。从结构上来看，网关就是外部TCP/IP网络与家庭内部信息网络的一个连接点，网关并不只是一个简单的协议转换设备，更是一个对外的家庭内部网络控制接口。

3 系统硬件设计

3.1 ZigBee无线单片机CC2530

CC2530是一个超低消耗功率的真正系统单晶片，它将微控制器、主机端及应用程序整合在一个元件上。CC2530可让主控以及从属式节点以很低的成本来构建，它拥有很低的睡眠模式功率消耗和不同工作模式之间很短暂的转换时间，适用于所有超低消耗功率系统。

3.2 ARM处理器

ARM架构具有极高的性价比和代码密度，并且在实时中断响应以及功耗方面比其他微处理器更有竞争力，因此ARM架构是智能家居系统中比较理想的平台。

3.3 GPRS模块

GPRS是以GSM技术为基础发展起来的一项高速数据处理技术。它采用分组交换技术，可以实现点到点的数据通信。与GSM技术的数据通信方式相比，GPRS采用了4种编码方式，数据传输速率可高达到171.2Kbps。它还可以保证始终处于在线状态，即在无需数据通信的状态下仍保持与网络的连接。此外，GPRS核心网络层采用了IP技术，可以与现有网络无缝接入。

3.4 供电电源电路

ZigBee节点设备为终端节点、路由节点以及协调器节点三类。三类设备的功能、工作环境、工作时间都不一样，其中协调器任务最重，工作时间最长，工作环境相对较好；路由器任务最轻，大部分时间处在休眠状态，但是路由器工作条件恶劣，工作在野外或者其他更加恶劣的环境中。基于上面的原因，本设计采用了两种供电方案：一种是使用开关电源供电，另外一种是采用干电池组来供电。这里选择了MAX8860EUA芯片和API117芯片来提供1.25V电压，对芯片和芯片的外围设备进行供电，其具体的电路原理图如图3所示：

3.5 接口电路设计

本文的串口电路使用了MAX3232芯片，实现RS-232串口数据电平的转换，与家居网关连接后，进行数据采集传输工作。图4为串口转换的电路设计。

4 系统软件设计

4.1 系统开发环境

智能家居安防系统选用CC2530芯片作为安防系统的核心组成部分，软件部分则采用ZigBee2006协议栈来实现ZigBee无线网络与模块之间的数据传输，开发环境采用IAR System公司推出的IAR Embedded Workbench for 80517.60。本文采用IAR Embedded Workbench用于Z-stack协议栈的开发，它是一种高精密度、方便使用的嵌入式集成开发环境，集成了汇编工具、编译器、库管理器、工程管理器等多种开发常用的工具。对于不同的芯片，IAR开发环境内置了相对应的代码优化器。支持众多知名半导体公司的微处理器。IAR Embedded Workbench不仅具有编译下载的功能，还可以跟编程器相结合，进行单步调试跟踪监测片上寄存器、Flash数据等信息。Z-Stack实际上是帮助程序员方便开发ZigBee的一套系统。Z-stack使用瑞典公司IAR开发的IAR Embedded Workbench作为它的集成开发环境。

4.2 协调器应用程序设计

网络协调器的主要任务是启动网络，网络运行首先要运行协调器。协调器首先选择一个信道和一个网络ID，用于识别网络身份，然后再对Z-stack协议栈初始化，并打开中断。随后将整个无线网络启动，所有的终端节点接入协调器。

协调器在完成网络创建后，立刻等待信息中断，当出现中断信息，首先进行的是判断该中断信息是网络数据信息中断还是网络管理信息中断，如果是数据信息中断，在本地储存数据信息并管理。最终将应答信息传送给网络中节点。若该中断信息为管理层中断信息，对该中断进行处理，最后产生应答信息传送给网络中的节点，最终完成信息的应答过程，协调器工作详细流程如图5所示。

4.3 ZigBee无线网络软件设计

4.3.1 温湿度采集节点程序设计

温湿度采集节点的工作流程图如图6所示：开始后首先对温湿度采集节点初始化处理，定时采集周围环境中的温湿度数据，若采集到的数据有效，对数据进行数据转换并发送到协调器，由协调器将数据传送给主控中心。

4.3.2 烟雾传感器程序设计

采用型号为MQ-2的粉尘传感器检测周围烟雾浓度，MQ-2可以检测空气中的丙烷、氢气等有害气体，它价格低廉，使用时间长。MQ-2粉尘传感器工作流程图如图7所示，开始后，首先进行初始化，然后检测周围环境中有害气体浓度，如果气体的浓度超过了阈值则进行第二次确认，第二次确认浓度超过了阈值，然后发送报警信息，继续轮回，检测周围气体浓度，若两次检测气体浓度有一次确认并没有超过阈值，则返回继续检测有害气体浓度。

4.3.3 安防报警系统软件流程设计

通过传感器对获取的进行检测。单片机读取数值，经过比较判定是否超出阈值，若超出阈值则通过GPRS进行报警相应的报警，否则继续对温湿度、粉尘浓度、一氧化碳浓度等数据进行检测。其中温度的阈值为60℃，在空气中一氧化碳的浓度一般为5ppm以内，设定当一氧化碳浓度大于300ppm的时候进行报警，粉尘浓度为80ppm的时候，或者有人进入室内的时候进行报警。安防报警系统流程图如图8所示。

5 实验结果与分析

5.1 安防系统温度监测报警实验

无线温度监测系统由多个独立的终端节点、一个网络协调器和一台PC机组成星形网络。其中，传感器节点分布于需要检测的区域，负责对数据的感知和处理，并通过无线射频信号发射出去；协调器接收各个传感器节点发出的无线射频信号，通过RS-232的串口线送入PC主机；PC主机负责存储及对数据的进一步处理。

只要在该平台的基础上设计应用层的程序就能实现无线温度监测，无需设计物理层、MAC层和网络层的代码。每隔10秒进行一次温度采集，两次温度采集期间节点进入休眠状态，以减少功耗。某一时刻对节点1加热，温湿度监测界面如图9所示。

从图10可以看出，在60秒左右时，采集的数据明显地增大。而节点2在时刻采集环境温度，可以看出，采集到的数据基本为一直线。当采集到的数据大于设定的阈值，蜂鸣器报警，且手机收到一条报警信息。

将一支一氧化碳传感器节点先置于室外30分钟，再置于办公室中。办公室环境温度30℃，面积30m3。在200秒时候放入一个为完全燃烧的煤炭，观察一小时内室内一氧化碳浓度的变化，相应的变化曲线图如图12所示。当采集到的数据大于设定的阈值的时候，蜂鸣器报警且设定的手机收到一条报警信息。

分析：从图11中可以看到一氧化碳传感器节点响应过程的曲线，在第180秒的时候一氧化碳浓度迅速增大，后趋于平稳，可以看到该传感器能很迅速的响应到浓度变化，当350s打开窗户后，一氧化碳浓度逐渐下降，最后稳定。说明该系统在一定程度上能较好的监测室内一氧化碳浓度。

6 结束语

本文提出了基于ZigBee技术的智能家居安防系统的研究，智能家居是未来家居的发展方向，选择了具有明显优势的ZigBee方式组建智能家居安防网络，并对其硬软件进行阐述。最后对智能家居安防系统系统稳定性及安防系统温度、粉尘、一氧化碳监测部分分别进行了测试和分析。传统的、旧式的智能家居安防系统一般采用有线方式组网，本文采用了基于ZigBee技术的智能家居安防系统的研究，将有线转化为无线，增强了系统的简洁性；融合了多种传感器，系统的扩展性提高了；将GPRS技术应用到安防系统中，用户能在最短的时间内接收报警信息。

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