基于ZigBee的智能家居遠(yuǎn)程安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王亞+陳虹兵+常芬+王雨+黃亞男+武亞奇

摘要：利用短距離ZigBee通信技術(shù)，將燃?xì)?、紅外、振動(dòng)等多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)相連，搭建了智能家居遠(yuǎn)程安防系統(tǒng)。主要功能可以實(shí)現(xiàn)，檢測燃?xì)鉂舛取⑷梭w紅外感應(yīng)和門窗外力破壞等，采用Qt軟件開發(fā)設(shè)計(jì)界面并在Cortex-A8網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，通過與GSM模塊通信完成遠(yuǎn)程報(bào)警功能。

關(guān)鍵詞：智能家居；短距離通信；遠(yuǎn)程安防

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）08-0052-03

Abstract： This paper uses ZigBee short-range communication technology， sets up a remote smart home security system， which attach multiple sensor nodes such as gas node， infrared node， vibration node and etc. to gateway node. The main functions can be achieved with detection of gas concentration， human infrared sensing and external forces destruction of door and windows. With Qt software development design interface and Cortex-A8 gateway， it enables real-time data display with GSM module communication to accomplish remote alarm.

Key words： smart home； short-range communication； remote security

隨著人們生活水平日益提高，對(duì)生活質(zhì)量提出了更高的要求，同時(shí)家居安全也日趨引起人們的關(guān)注。一些家庭由于疏忽大意可能會(huì)發(fā)生天然氣泄漏、失火或者財(cái)物被盜的情況，給家庭帶來巨大損失。特別對(duì)于大多數(shù)上班族，大部分時(shí)間都是在外忙碌工作，家里很多時(shí)間是處于無人狀態(tài)，這就給一些不法分子進(jìn)入室內(nèi)盜竊提供了可趁之機(jī)，同時(shí)廚房內(nèi)燃?xì)獾男孤兑矔?huì)直接威脅家庭成員的健康。所以有必要利用智能手段設(shè)計(jì)一套安防系統(tǒng)，為家庭提供一個(gè)安全舒適的家居環(huán)境。

智能安防系統(tǒng)比傳統(tǒng)安防要更加的安全、智能，也能減少資金人力的浪費(fèi)，該系統(tǒng)能夠及時(shí)的向網(wǎng)關(guān)發(fā)送報(bào)警信息，進(jìn)而做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)處理減少事故發(fā)生率，做到智能安防、智能生活。它與傳統(tǒng)安防相比具有無與倫比的時(shí)效性，可以隨時(shí)隨地的反饋家里的情況不會(huì)出現(xiàn)人力所疏忽的情況。對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力也是在安防方面是其傳統(tǒng)安防所不能比的。目前的智能安防領(lǐng)域還存在著諸多的問題，如設(shè)備兼容性、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的建設(shè)、組網(wǎng)以及在信息的處理、通信方面等[1-2]。因此本設(shè)計(jì)初始工作便是尋找一個(gè)兼容性強(qiáng)的開發(fā)環(huán)境，其次，確定ZigBee組網(wǎng)、協(xié)議棧運(yùn)行方式、串口數(shù)據(jù)傳輸、節(jié)點(diǎn)間的通信以及終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息的采集。由于ZigBee是一種短距離通信的技術(shù)，其低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低成本等特點(diǎn)[3-4]，適應(yīng)于自動(dòng)和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，因此本系統(tǒng)采用基于ZigBee通信技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，是在家居環(huán)境中布置ZigBee協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量傳感器分散布置在家居環(huán)境中，以多跳路由方式傳輸，以協(xié)作方式感知、采集、處理和傳送網(wǎng)絡(luò)中被感知對(duì)象的信息，并把這些信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)檢測中心。在門外和窗口安裝紅外線傳感器節(jié)點(diǎn)和振動(dòng)傳感器，通過紅外線強(qiáng)弱變化感知人體的靠近和遠(yuǎn)離，通過振動(dòng)傳感器來檢測門窗的受力情況，在設(shè)計(jì)的過程中為這些傳感器設(shè)置了“設(shè)防”和“撤防”兩種狀態(tài)，一旦出現(xiàn)意外情況就發(fā)出報(bào)警。同時(shí)在廚房布置燃?xì)鈧鞲衅?，檢測空氣中燃?xì)獾臐舛?。這些若干節(jié)點(diǎn)采用ZigBee進(jìn)行通信，將采集到的數(shù)據(jù)送入ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，及時(shí)覺察危險(xiǎn)的存在，然后通過撥打電話的功能及時(shí)發(fā)送危險(xiǎn)信號(hào)給主人，從而避免危險(xiǎn)以及及時(shí)解除危險(xiǎn)境況的產(chǎn)生。

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)是基于嵌入式Cortex-A8物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)之上[5]，下圖是系統(tǒng)的總體框架圖。

2 硬件設(shè)備

1） 系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)

系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)采用三星S5PV210應(yīng)用處理器，該處理器采用了Cortex-A8內(nèi)核芯片，該內(nèi)核芯片采用了低功耗制程技術(shù)，主頻率可達(dá)到1GHz。S5PV210可提供非常豐富的外圍接口，可運(yùn)行Windows CE、Linux、Android等主流操作系統(tǒng)滿足各種移動(dòng)設(shè)備的需求。

2） 中央總控節(jié)點(diǎn)

該總控節(jié)點(diǎn)選用的主控制單片機(jī)是AT89C51，它是一種帶4KB Flash存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS的8位處理器。

3） ZigBee通信模塊

傳感器節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊采用TI公司的CC2530片上系統(tǒng)，它支持2.4GHz IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議，其整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器，通信距離可達(dá)400m左右。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使其非常適合超低功耗要求的系統(tǒng)。因此CC2530被用作組建無線安防網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)采集家居環(huán)境信息，通過無線傳輸、多跳路由匯總到協(xié)調(diào)器并上傳到監(jiān)測中心，設(shè)定各種傳感器的臨界報(bào)警值，實(shí)現(xiàn)安防系統(tǒng)的功能。

4） GSM通信模塊

支持GSM收發(fā)短信、撥打電話、短信報(bào)警與輸出控制，實(shí)現(xiàn)與總控制中心的數(shù)據(jù)通信等功能。支持多種傳感器輸入接口，溫濕度、燃?xì)馓綔y、振動(dòng)等多種傳感器數(shù)據(jù)的采集。將采集到的數(shù)據(jù)送入ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，及時(shí)覺察危險(xiǎn)的存在，然后通過撥打電話的功能及時(shí)發(fā)送危險(xiǎn)信號(hào)給主人，從而避免危險(xiǎn)以及及時(shí)解除危險(xiǎn)境況的產(chǎn)生。

5） 傳感器節(jié)點(diǎn)

包括：紅外傳感器、振動(dòng)傳感器、燃?xì)鈧鞲衅骱蛨?bào)警器等。燃?xì)鈧鞲衅?，在城市多以天然氣等可燃?xì)怏w為日常生活燃料，檢測廚房內(nèi)是否出現(xiàn)其他天然氣泄漏。紅外傳感器，主要安裝在過道、陽臺(tái)、門窗等處，監(jiān)測是否有人非法入侵。根據(jù)熱釋電傳感器工作原理，只要熱釋電元件的溫度發(fā)生變化，就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)輸出。為了減少傳感器的誤報(bào)警，在安裝該類傳感器時(shí)，注意避免安裝在空調(diào)出風(fēng)口、暖氣片附近處，應(yīng)安置在環(huán)境正常變化的場所。振動(dòng)傳感器，玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出特定的聲波，主要根據(jù)這點(diǎn)做出報(bào)警判斷。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與測試

傳感器網(wǎng)協(xié)議：采用ZigBee通信協(xié)議，Z-stack協(xié)議棧[6]。軟件開發(fā)采用具有良好的跨平臺(tái)集成開發(fā)環(huán)境，IAR集成開發(fā)和QT界面開發(fā)軟件。在IAR開發(fā)環(huán)境和Z-stack協(xié)議棧基礎(chǔ)上，確定ZigBee組網(wǎng)、協(xié)議棧運(yùn)行方式、串口數(shù)據(jù)傳輸、節(jié)點(diǎn)間的通信以及終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息的采集。在A8網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面，采用Qt軟件開發(fā)設(shè)計(jì)，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)完成了遠(yuǎn)程報(bào)警功能。

3.1 ZigBee組網(wǎng)過程

當(dāng)網(wǎng)關(guān)啟動(dòng)和中央總控節(jié)點(diǎn)開始工作時(shí)，首先，調(diào)用協(xié)議棧提供的組網(wǎng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的初始化，不斷檢測是否有新節(jié)點(diǎn)加入，當(dāng)組建網(wǎng)絡(luò)成功后；然后發(fā)送設(shè)備調(diào)用協(xié)議棧提供的無線數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，Z-Stack中發(fā)送數(shù)據(jù)通過在應(yīng)用層調(diào)用函數(shù)void SampleApp_ SendFlashMes-sage（uintl6 flashTime）完成，這個(gè)函數(shù)在應(yīng)用中通過調(diào)用afStatus_ t AF_ DataRequest（afAddrType_ t *dstAddr，endPointDesc_ t *srcEP，uintl6 cID，uintl6 len，uint8 *buf， uint8 *transID， uint8 options， uint8 radius）函數(shù)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。

3.2 與GSM模塊通信過程

兩個(gè)模塊在通信時(shí)采用主從式通信方式，由移動(dòng)終端發(fā)起請(qǐng)求，GSM模塊應(yīng)答，GSM模塊將信息發(fā)送給主協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。在采用Qt軟件開發(fā)設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序，應(yīng)用程序總開發(fā)流程，如圖3所示，其中重點(diǎn)展示了與GSM模塊通信的流程。啟動(dòng)網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)成功后，網(wǎng)關(guān)UI界面顯示節(jié)點(diǎn)的初始化信息，包括節(jié)點(diǎn)的布局以及節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的“設(shè)防”和“撤防”的設(shè)計(jì)。當(dāng)業(yè)主家中無人時(shí)，將節(jié)點(diǎn)設(shè)置為“設(shè)防”狀態(tài)；當(dāng)業(yè)主回到家中，可以對(duì)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行“撤防”設(shè)置。

協(xié)議采用異步串口通信方式，通信波特率為38400 b/s， 8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)位。協(xié)議命令格式包括幀頭，命令字、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)和、幀尾，如表1所示。校驗(yàn)和為命令字，數(shù)據(jù)之和。

3.3 測試方案

在門窗口安裝振動(dòng)傳感器和紅外線感應(yīng)器，在廚房安裝燃?xì)馓綔y器。系統(tǒng)啟動(dòng)ZigBee網(wǎng)關(guān)，初始化連接ZigBee主節(jié)點(diǎn)的串口，啟動(dòng)串口監(jiān)測，等待ZigBee終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。設(shè)置相關(guān)屬性后，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)設(shè)為“設(shè)防”，將采集到的數(shù)據(jù)送入ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，一旦超過預(yù)期設(shè)定的額定值，就通過GSM，撥打業(yè)主電話。

4 結(jié)語

本文主要基于ZigBee技術(shù)的Cortex-A8網(wǎng)關(guān)和GSM實(shí)現(xiàn)的一整套智能家居安防系統(tǒng)，通過各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器收集的信息來及時(shí)地提供最及時(shí)家庭安防系統(tǒng)上存在的隱患，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)終端遠(yuǎn)程監(jiān)控安全狀態(tài)的功能。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可滿足用戶對(duì)家庭安防的需求。

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