基于ZigBee技術(shù)的家用安防系統(tǒng)研究

摘 要：隨著人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)于家具安全也有了更高的要求，而基于ZigBee技術(shù)的家用安防系統(tǒng)逐漸受到越來(lái)越多的關(guān)注，利用ZigBee技術(shù)研發(fā)的智能家具管理系統(tǒng)能夠以較低的成本幫助人們更好地進(jìn)行家具安防，為人們提供更為安全的家居安防保護(hù)，提升家居安全性。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；家用；安防系統(tǒng)；研究

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2017）03-0053-02

Research on Home Security System Based on ZigBee Technology

ZHANG Ke

（Chengdu Tianfu International Airport Construction Headquarters of Sichuan Airport Group Co.，Ltd.，Chengdu 641419，China）

Abstract： With the continuous improvement of people's living standard， people for furniture safety also have higher requirements， and home security system ZigBee technology has attracted more and more attention based on the use of intelligent furniture management system， the intelligent furniture management system developed by ZigBee technology can help people better carry out furniture security at lower cost，for people to provide more secure home security protection， enhance home security.

Keywords： ZigBee technology； home； security system； research

近些年來(lái)我國(guó)綜合國(guó)力穩(wěn)步提升，人們也更加重視對(duì)生活質(zhì)量的追求，安全性這一概念也逐漸得到強(qiáng)化，并且已經(jīng)成為人們選擇住宅的重要因素，而“家居安全性”是近些年才逐漸得到重視的問(wèn)題，很多住宅在設(shè)計(jì)之初并沒(méi)有將家居安防問(wèn)題考慮得十分周全，因此家用安防系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，住宅設(shè)計(jì)人員給予ZigBee技術(shù)研發(fā)的家用無(wú)線安防系統(tǒng)可以極大地改善居民們的居住環(huán)境，大大提高住房可靠性、安全性。接下來(lái)，筆者將從三個(gè)方面簡(jiǎn)單介紹基于ZigBee技術(shù)研發(fā)的家用安防系統(tǒng)。

1 基于ZigBee技術(shù)的家用安防系統(tǒng)功能目標(biāo)

工作人員利用ZigBee技術(shù)進(jìn)行家用安防系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的首要目的就是如何保持原有檢測(cè)靈敏性的同時(shí)盡量降低能耗與系統(tǒng)成本，考慮到一般家具住宅半徑均為三十米以內(nèi)，利用ZigBee技術(shù)安防無(wú)線系統(tǒng)基本上能夠滿足其需求，而且基于ZigBee技術(shù)的家用安防系統(tǒng)還能夠設(shè)定休眠模式，當(dāng)家中有人的時(shí)候就可以選擇其進(jìn)入休眠狀態(tài)，因此僅僅憑借五號(hào)電池，ZigBee設(shè)備就能夠工作長(zhǎng)達(dá)半年之久，一般家庭完全能夠承擔(dān)得起能耗費(fèi)用，另外ZigBee技術(shù)作為一種新興的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不僅僅有著低功耗、操作簡(jiǎn)單等等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是ZigBee技術(shù)可以在2.4GHz、868MHz以及915MHz這三個(gè)頻段上保持很高的傳輸速率，能夠分別達(dá)到250kbit/s/20kbit/s和40kbit/s，這三個(gè)頻段均為免費(fèi)開(kāi)放頻段。ZigBee設(shè)備采取了星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在同一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，最多能夠連接254臺(tái)設(shè)備，還可以按照用戶需求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的修改，即使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于誤操作出現(xiàn)故障，ZigBee網(wǎng)絡(luò)也能夠自動(dòng)搜索完成修復(fù)工作。

ZigBee技術(shù)的協(xié)議現(xiàn)如今作為低數(shù)據(jù)率短程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其系統(tǒng)功能主要包括兩大部分，一為報(bào)警控制主機(jī)，另一主要部分則是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，報(bào)警控制主機(jī)的主要功能就是通過(guò)對(duì)家用安防系統(tǒng)所采集到的原始信息進(jìn)行處理，通過(guò)進(jìn)一步的分析來(lái)判斷住宅中是否發(fā)生了陌生人闖入以及火情，如果報(bào)警控制主機(jī)判定住宅中發(fā)生安全問(wèn)題，則會(huì)第一時(shí)間啟動(dòng)報(bào)警裝置，向用戶以及小區(qū)安保管理人員提供警報(bào)信息，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)則主要負(fù)責(zé)進(jìn)行住宅附近信息的采集工作。

2 基于ZigBee技術(shù)的家用安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

相關(guān)人員在進(jìn)行基于ZigBee技術(shù)建立的家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，主要從兩大部分入手：家庭網(wǎng)關(guān)以及由無(wú)線ZigBee技術(shù)模塊為核心構(gòu)建的家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，家庭ZigBee技術(shù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)又由三大部分組成，分別是傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，傳感器節(jié)點(diǎn)的作用是通過(guò)自組織的方式來(lái)搭建ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，并以此來(lái)完成監(jiān)控原始數(shù)據(jù)的收集與傳遞作用，匯聚節(jié)點(diǎn)為了確保整個(gè)基于ZigBee技術(shù)的家用安防系統(tǒng)的低功耗、低成本，則使用了搭載了8051控制器的系統(tǒng)芯片CC2430來(lái)控制所有節(jié)點(diǎn)工作和性能強(qiáng)大的2.4GHz射頻收發(fā)器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度，匯聚節(jié)點(diǎn)與家庭網(wǎng)關(guān)的通信是建立在因特網(wǎng)與全球移動(dòng)通信之上的，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行警報(bào)信號(hào)的發(fā)出工作，并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。需要注意的是，在進(jìn)行家用安防系統(tǒng)建立的過(guò)程中，需要重視安防日志記錄的備份工作。

基于ZigBee技術(shù)的家具防盜系統(tǒng)具體組成部分可以大致分為三類，第一類功能為防盜功能，住宅防盜區(qū)域劃分為兩部分區(qū)域，分別是住宅外圍和內(nèi)部區(qū)域，安裝在住宅門窗上的各種探測(cè)設(shè)備就是所說(shuō)的住宅外圍防護(hù)，住宅外圍防護(hù)探測(cè)裝置只在家中無(wú)人時(shí)候才開(kāi)啟進(jìn)行家具防護(hù)。第二類功能為防火災(zāi)功能，在住宅中容易起火的廚房、臥室安裝感應(yīng)探測(cè)器，當(dāng)發(fā)現(xiàn)火情的時(shí)候自動(dòng)關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)同時(shí)啟動(dòng)噴水裝置，并及時(shí)通知住戶和小區(qū)物業(yè)部門，將火情造成的損失盡量減小到最低。如果遇到家人生病或者非法入侵等意外情況的時(shí)候，利用安裝的緊急報(bào)警按鈕進(jìn)行緊急求救。最后一類系統(tǒng)功能為防止可燃?xì)怏w泄露，通過(guò)安裝的可燃性氣體檢測(cè)裝備實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)夤艿朗欠裥孤兜臋z測(cè)。

3 基于ZigBee技術(shù)的家用安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)單元

家用安防系統(tǒng)的檢測(cè)單元內(nèi)部主要裝配有四種內(nèi)部包含ZigBee通信模塊的傳感器節(jié)點(diǎn)，分別為紅外線傳感器節(jié)點(diǎn)、門磁傳感器節(jié)點(diǎn)、煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)以及煤氣傳感器節(jié)點(diǎn)，其中門磁傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部主要零件為永磁體、干簧管然后再通過(guò)外圍電力組合完成，紅外傳感器節(jié)點(diǎn)中內(nèi)部主要零件為傳感信號(hào)處理芯片BISS0001、熱釋電傳感器RE200B，煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部除了基本的外圍電路和放大電路以外，還帶有MQ2型號(hào)傳感器，MQ2型傳感器主要應(yīng)用與家庭或者工廠氣體泄漏監(jiān)測(cè)工作，能夠比較準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到丁烷、丙烷、液化氣以及酒精等可燃液體、氣體是否泄露，其缺點(diǎn)是要在加熱的條件下才能工作，以此在家用安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，都將其安置于廚房中進(jìn)行燃?xì)庑孤稒z測(cè)，并且使用電開(kāi)關(guān)來(lái)保持良好的工作狀態(tài)。

3.2 通信單元

在現(xiàn)如今使用的局域網(wǎng)協(xié)議（Institute of Electrical and Electronics Engineers802.15.4）中規(guī)定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般來(lái)說(shuō)分為樹(shù)形、孔型和星型三種，并設(shè)備劃分為完整功能設(shè)備和簡(jiǎn)化功能設(shè)備兩種，在搭建基于ZigBee技術(shù)的家用安防系統(tǒng)的時(shí)候，所使用的就是星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并將協(xié)調(diào)器放置在中心節(jié)點(diǎn)處，因此在搭建家用安防系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，有且只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器，而需要用到多個(gè)路由器和終端設(shè)備，其通信單元所使用的芯片為CC2530，這款芯片成本不僅僅比較低廉，而且其性能也超越了RF收發(fā)器，在系統(tǒng)內(nèi)部可以實(shí)現(xiàn)編程閃存，而且能夠擁有多樣的運(yùn)行模式，在進(jìn)行運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換的速度也更快，對(duì)于能源的消耗也自然變小。ZigBee協(xié)調(diào)器作為比較復(fù)雜的設(shè)備，所使用的芯片為CC2530F256芯片，能夠進(jìn)行256KB以下的閃存，在存儲(chǔ)容量和計(jì)算速度方便都有著無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。

3.3 處理單元

在家用安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，所采用的處理單元由主控芯片、GSM模塊、報(bào)警電路以及人機(jī)界面四部分組成，其中主控芯片選擇了擁有兩個(gè)UART串行接口、一個(gè)SPI接口和兩個(gè)I2C接口的LPC2131芯片，在使用過(guò)程中用戶可以靈活選擇接口，完全適應(yīng)系統(tǒng)需求，GSM模塊則選擇了西門子電子公司成產(chǎn)的TC35型模塊，并將T35模塊與主控芯片連接在一起。人機(jī)界面則有矩陣鍵盤和液晶模塊兩部分組成。其中無(wú)線通信軟件具有多種運(yùn)行模式，模式一則需要與系統(tǒng)主板連接在一起，以此來(lái)接受探測(cè)器收集到的報(bào)警信息資源，并將這些信息傳遞給主板，第二種運(yùn)行模式則需要通過(guò)繼電器來(lái)完成與各種電器的連接，并根據(jù)模塊指令控制開(kāi)關(guān)。

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于ZigBee技術(shù)開(kāi)發(fā)的家用安防系統(tǒng)軟件采用的是C語(yǔ)言編程，通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)來(lái)完成單元軟件的處理，而在設(shè)計(jì)ZigBee通信節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，開(kāi)發(fā)人員首先考慮到了便利性以及通用性元素，因此引入了兼容性十分強(qiáng)大的Z-Stack協(xié)議棧，Z-Stack協(xié)議與局域網(wǎng)協(xié)議能夠完全兼容，有利于工作人員的開(kāi)發(fā)以及后續(xù)工作的補(bǔ)全。

4 結(jié) 論

總而言之，隨著科技的不斷發(fā)展，人們的生活水平與追求也在不斷提高，尤其是人們對(duì)于生住宅安全性的重視程度更是達(dá)到了全新的高度，為了保證居民們的住宅安全，同時(shí)考慮到人們的實(shí)際消費(fèi)能力，基于ZigBee技術(shù)的家用安防系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)就十分必要了，利用ZigBee技術(shù)能夠很好地解決傳統(tǒng)安防系統(tǒng)布置的時(shí)候所要使用的線路過(guò)于復(fù)雜的問(wèn)題，無(wú)論是對(duì)于安防系統(tǒng)安裝人員還是居民來(lái)說(shuō)都有了極大的便利，而且其能耗問(wèn)題也得到了很好的解決，人們通過(guò)GSM模塊可以輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控，提升住宅安全，進(jìn)一步提升人們生活質(zhì)量。

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作者簡(jiǎn)介：張科（1982.02—），男，成都人，天府機(jī)場(chǎng)指揮部航站區(qū)工程部弱電項(xiàng)目主管，電子工程技術(shù)助理工程師。研究方向：子工程技術(shù)。