基于物联网的智能家居安防系统设计*

福州大学至诚学院 蓝丽金 陈良伟

在我国经济的持续发展和带动下，人民的生活质量不断提高，在家庭住宅和财产的安全方面有了更高的要求。为了满足当代人们对家庭住宅安全防范方面上的要求，本文利用ZigBee技术与各类传感器形成无线传感网络对室内环境进行监测，并通过LCD液晶显示屏将监测到的参数显示出来，达到视觉信息交互的效果，配合上GSM远程无线通信技术，当住宅内发生异常情况时，用户能及时的接受到报警消息，将险情消灭在萌芽状态。

1 研究背景

随着人们生活质量的不断提高，人们对居住环境也有了更高的要求，不仅要舒适、简洁，还要能够保障人身安全和家庭财产安全。传统的防盗措施已经起不到很好的效果。除了外来的安全隐患外，住宅内部也有许多不安全因素，像热水器、煤气灶一些大功率的电器，因为老化或损坏的原因，很有可能会导致漏水、漏电、甚至火灾。针对这些问题，本文利用ZigBee无线通信技术实现各类安防传感器的多点布置，对室内各处环境进行实时的监测。配合GSM远程无线通信，当监测到异常情况时，及时的向用户发送报警短信。

2 系统总体方案设计

本系统是以STM32为主控制器，分为图1系统框图，嵌入式最小系统、GSM短信发送模块、ZigBee无线收发模块、LCD液晶显示模块、各安防传感模块等，系统框图如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 System block diagram

3 系统主要模块设计与实现

3.1 主控系统设计

主控芯片选用的是ST公司生产的大容量增强性芯片STM32F103ZET6。通过学习该系列芯片对应的固件库实现应用程序的编写[1]。

系统要实现数据的监测和短信报警功能，主控制器需要与SIM800A模块、ZigBee协调器进行USART通信。除此之外，为还通过TTL转串口芯片与PC上位机进行通信，使用串口调试助手软件可以获取模块之间传输的数据包，可以检验通信的成功与否和数据的完整性，模块间的通信如图2所示。

图2 模块间的通讯图Fig.2 Communication diagram between modules

3.2 GSM模块设计

本系统的GSM模块采用高性能SIM800A芯片（如图3所示），该芯片有68个引脚，能够实现拨号呼叫、消息发送、数据上传等功能。支持多类通信接口，包括USB接口、串行接口、IIC、SIM接口[2]。MCU通过串行接口可以发送AT指令直接控制SIM800A芯片执行相应操作。在使用短信报警功能时，需要给该模块装上SIM手机卡[3]。

图3 GSM模块Fig.3 GSM module

3.3 ZigBee无线收发模块设计

本设计中使用的ZigBee无线收发模块（如图4所示）是采用TI公司生产的CC2530芯片，该集成芯片专门用于无线传感网络中进行数据传输。与其他单片机最为与众不同之处的地方是该芯片拥有一对RF收发器[4-5]，也正是使用RF收发器与ZigBee协议栈实现了无线网络组建与通信，该芯片拥有低功耗和低成本来组建无线传感网络的特点。

图4 ZigBee模块Fig.4 ZigBee module

4 系统软件分析

4.1 主程序流程图设计

主控制器程序中初始化串口是用于实现与ZigBee、GSM模块的通信，配置系统定时器用于精准的计时。其中对接收数据的类型识别与存储操作在中断函数中进行。主程序对数据的判断是不断循环的，当满足报警条件时，通过发送AT指令和调用转码函数即可实现中英文短信发送。如图5所示为主程序流程图。

图5 主控制器流程图Fig.5 Flow chart of the main controller

4.2 ZigBee模块程序流程图设计

本系统的数据采集和传输由ZigBee模块来实现，ZigBee模块通过协议栈实现了无线传感网络的组建和数据的无线传输，并能将多个安防设备采集的数据进行管理与区分。在本系统中起着至关重要的作用，其工作流程图如图6所示。

图6 ZigBee模块流程图Fig.6 ZigBee module flow chart

5 硬件测试及测试结果分析

硬件调试过程，如图7所示，通过PC将协调器发送给主控器的数据显示出来，这些数据是各传感器采集到的，是经协调器分类处理好的。

图7 数据传输Fig.7 Data transmission

如图8所示对显示屏进行合理的布局，将系统名称、各环境参数信息显示出来。

图8 液晶显示Fig.8 LCD display

如图9所示，满足报警条件时，用户手机会收到报警短信。短信内容为各环境参数的值，能够直观的进行判断。亦可通过程序修改短信报警内容。

图9 手机端报警信息显示Fig.9 Mobile phone alarm information display

6 结论

家庭财产的安全问题是每家每户都关注的，传统的安防措施已经不能满足人们的需求，人们迫切的需要一种可靠的、智能的、多功能的智能安防设备。本设计通过将无线通信技术引入到家居安防系统中去，能够实现安防设备的无线数据传输，避免了大量的人力用于布线，通过结合ZigBee和GSM技术完成了一套安防系统，有如下功能：（1）对室内温度、湿度、气体浓度进行采集，并探测是否有入侵者；（2）组建ZigBee局域网络，实现安防设备多点布置和无线通信；（3）LCD显示监测的参数，实现信息交互；（4）监测安全隐患时进行GSM 远程短信报警。

本设计通过应用ZigBee技术实现了安防设备的多点布置与数据的无线传输，增加了布局的灵活性和隐蔽性。GSM技术能够让用户及时的接收到预警消息，将险情消灭在萌芽。由于时间有限，该系统仍有不足之处，但能够满足人们对家居安防的基本要求，能实现防火、防煤气泄漏、防盗功能。