基于ZigBee技術(shù)智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)

薛誓穎++李捍東

摘 要：為實現(xiàn)對家居安全的實時監(jiān)控，文中設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)通信的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)。在所設(shè)計的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)中，利用相關(guān)傳感器對家居環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)信息通過ZigBee無線收發(fā)模塊發(fā)送到微控制器。當(dāng)家居環(huán)境出現(xiàn)異常情況時，則啟動聲光報警，并通過CAN總線將報警信息發(fā)送到小區(qū)智能安防系統(tǒng)，利用GPRS無線通信模塊發(fā)送到用戶手機終端。當(dāng)報警信息得到有效處理后，警報自動解除。

關(guān)鍵詞：智能家居；無線網(wǎng)絡(luò)；ZigBee技術(shù)；GPRS網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP277 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）07-00-03

0 引 言

伴隨著信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的推進，通信方式由原有的有線通信逐漸演變到現(xiàn)在流行的無線通信，物物相連的無線傳感網(wǎng)絡(luò)也得到了空前發(fā)展。人民在享受經(jīng)濟增長帶來的幸福生活的同時，對家居環(huán)境安全保障也更加重視。人們希望通過無線傳感網(wǎng)將家中的各種智能設(shè)備、家用電器等整合到一個智能化體系中，智能家居應(yīng)運而生。

首先應(yīng)滿足現(xiàn)代人對家居生活的需求，結(jié)合ZigBee無線通信技術(shù)及GPRS網(wǎng)絡(luò)設(shè)計出一套基于ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)通信的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)，滿足人們對家居環(huán)境監(jiān)測和家居異常環(huán)境智能報警的需求。為營造安全、舒適的家居氛圍，對改善用戶家居生活有著深遠而重要的意義。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器模塊、ZigBee無線收發(fā)模塊和主控制器模塊組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。傳感器模塊負責(zé)對家居環(huán)境進行數(shù)據(jù)信息采集。ZigBee無線收發(fā)模塊連接傳感器模塊和主控制器模塊。而主控制器模塊作為整個智能家居數(shù)據(jù)處理和運算的核心。傳感器模塊作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源，主要對家居環(huán)境信息進行檢測，并將采集到的數(shù)據(jù)信息通過ZigBee無線協(xié)議發(fā)送到微控制器。主控制器模塊主要實現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)以及用戶和小區(qū)進行信息交換。當(dāng)采集數(shù)據(jù)超過設(shè)定閾值時，微控制器采取警報措施，并及時通知小區(qū)安防系統(tǒng)和用戶手機終端。當(dāng)異常信息得到及時有效的處理后，警報解除。

1.2 系統(tǒng)主要功能

智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)主要面向小區(qū)用戶設(shè)計，小區(qū)用戶可通過該系統(tǒng)對家居內(nèi)部情況和家居外圍進行實時監(jiān)控。當(dāng)危險情況發(fā)生時，小區(qū)安防可及時采取處理措施，避免發(fā)生不必要的事故。智能家居安防監(jiān)控主要通過傳感器模塊檢測家居環(huán)境，通過ZigBee通信協(xié)議將家居現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)信息傳遞到微控制器。對ZigBee無線收發(fā)模塊和微控制器分別設(shè)定閾值并采集數(shù)據(jù)進行對比，如果兩次對比超過閾值，則進行聲光報警提示，并通過CAN總線和GPRS網(wǎng)絡(luò)通知小區(qū)安防系統(tǒng)和用戶手機終端。異常情況得到有效處理后，警報自動解除。

1.2.1 家居狀況實時監(jiān)測

智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)傳感器模塊主要對家居中可能出現(xiàn)的火災(zāi)、可燃氣體泄漏等危險情況進行檢測。檢測信息通過液晶進行信息分類顯示，并通過CAN總線將家居外圍相關(guān)情況發(fā)送至小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。用戶通過GPRS無線模塊對家居室內(nèi)情況進行實時監(jiān)控。

1.2.2 家居異常雙重檢測

當(dāng)家居環(huán)境數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，對異常數(shù)據(jù)信息進行雙重檢測對比，如果兩次對比都超過預(yù)定閾值，則進行報警提示，并將異常情況反饋給小區(qū)安防和用戶手機終端。當(dāng)異常信息得到有效處理后，報警解除。

1.2.3 家居安全智能報警

在智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)正常運行時，如果家居環(huán)境發(fā)現(xiàn)異常，則傳感器模塊將異常情況發(fā)送到主控制器。主控制器接收到數(shù)據(jù)信息后，將相關(guān)報警信息發(fā)送到小區(qū)安防系統(tǒng)，并告知用戶。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

傳感器模塊主要由傳感器、信號調(diào)理電路和ZigBee無線收發(fā)模塊組成。傳感器模塊負責(zé)對家居環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集。為避免火災(zāi)檢測出現(xiàn)誤報，煙霧檢測和溫度檢測同時進行。環(huán)境檢測需要的傳感器不盡相同，因而信號調(diào)理電路有差別，但最終都將環(huán)境采集數(shù)據(jù)的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過ZigBee無線協(xié)議傳遞到微控制器。

主控制器模塊主要由ZigBee無線收發(fā)模塊、微控制器、GPRS無線通信模塊組成，具體如圖2所示。考慮到智能家居系統(tǒng)的人性化和可視化，利用按鍵輸入控制家居系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉。液晶顯示主要是對家居現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)信息進行顯示，一目了然。

如果發(fā)生異?；蛭ｋU情況，微控制器立即發(fā)出警報，并通過CAN總線將警報信息發(fā)送到小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，同時利用GPRS無線通信將警報信息發(fā)送到用戶手機終端。用戶和小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)接收并查看警報后，將警報解除，并根據(jù)家居相關(guān)情況進行處理。

系統(tǒng)中ZigBee無線收發(fā)模塊采用2.4 GHz射頻芯片CC2530。CC2530核心板包括CC2530單片機、RF天線接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、晶振以及I/O擴展接口。為實現(xiàn)家居環(huán)境的整潔和美觀，避免雜亂無章的線路布局，傳感器模塊與主控制模塊通過ZigBee無線收發(fā)模塊進行連接，完美解決了這一難題，為日常家居布置和清理添光加彩。ZigBee作為一種新興無線通信技術(shù)，其低成本、低功耗、通信可靠等特點，從某種意義上來說推動了智能家居的迅速發(fā)展，為人們的生活帶來更多便利。

智能家居安防系統(tǒng)微控制器采用運算能力強，具有雙串口的LPC1768芯片，實現(xiàn)ZigeBee無線收發(fā)模塊和GPRS無線通信模塊與控制器通過串口連接進行采集數(shù)據(jù)的信息傳輸。小區(qū)安防監(jiān)控對監(jiān)控信息安全和實時性要求高，采用LPC1768中2條CAN通道與小區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)連接，保證相關(guān)監(jiān)控信息安全、可靠、快速傳遞到后臺小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，對用戶實時監(jiān)控家居狀況及小區(qū)保安維護家居治安有重要意義。

智能家居安防系統(tǒng)GPRS無線通信模塊采用SIM900A模塊，實現(xiàn)微控制器和用戶手機終端之間的信息傳輸。SIM900A模塊精簡，接口豐富，功耗低，價格低廉，大大降低了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的入門門檻。當(dāng)主控制器向用戶手機發(fā)送信息時，在卡槽中插入SIM卡，并向SIM900A發(fā)送AT指令，就可以實現(xiàn)微控制器與用戶手機終端間的數(shù)據(jù)通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計部分由傳感器模塊子程序、ZigBee無線收發(fā)子程序、微控制器子程序組成。傳感器終端節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)信息作為整個系統(tǒng)正常運行的重要數(shù)據(jù)信息，與系統(tǒng)中設(shè)定的閾值比較，超過閾值則報警，微控制器負責(zé)通知小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)和用戶手機終端，方便用戶及小區(qū)采取相應(yīng)措施，避免小區(qū)用戶家中發(fā)生事故。

傳感器終端節(jié)點程序流程圖如圖3所示。傳感器上電后進行各自傳感器硬件的初始化。如果家居環(huán)境有特殊要求，需要加入新的傳感器，則對新的傳感器進行ZigBee自組網(wǎng)，重新配置節(jié)點網(wǎng)絡(luò)。各傳感器對家居中環(huán)境狀況進行數(shù)據(jù)采集。傳感器模塊中的ZigBee收發(fā)模塊作為信息傳遞的通道，將采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)信息通過ZigBee無線協(xié)議發(fā)送到ZigBee無線收發(fā)模塊協(xié)調(diào)節(jié)點。如果并未收到協(xié)調(diào)節(jié)點查詢指令，則傳感器終端節(jié)點進入低功耗狀態(tài)，等待查詢命令。

ZigBee無線收發(fā)模塊協(xié)調(diào)節(jié)點程序流程如圖4所示。ZigBee無線收發(fā)模塊協(xié)調(diào)節(jié)點上電后，進行相應(yīng)的硬件初始化和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點判斷。若有新的節(jié)點加入，則協(xié)調(diào)節(jié)點進行自組網(wǎng)。首先ZigBee收發(fā)模塊向家居現(xiàn)場發(fā)送采集數(shù)據(jù)查詢命令，利用設(shè)定閾值和現(xiàn)場傳遞采集數(shù)據(jù)進行對比。若采集數(shù)據(jù)異常，則進行初步報警提示。并將異常數(shù)據(jù)發(fā)送到微控制器。若并未發(fā)生異常狀況，協(xié)調(diào)節(jié)點處于低功耗模式，等待異常情況。

微控制器程序流程圖如圖5所示。上電后進行相應(yīng)的硬件初始化和系統(tǒng)按鍵檢測。如果系統(tǒng)按鍵關(guān)閉，那么整個家居系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)。如果系統(tǒng)按鍵開啟，那么整個家居系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)。此時，微控制器程序先調(diào)用ZigBee無線通信，將傳感器模塊對外來入侵、火災(zāi)、可燃氣體等的檢測信息顯示在顯示屏上，并再次與預(yù)先設(shè)定的閾值對比，如果超過閾值，則調(diào)用CAN總線通知小區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)，調(diào)用GPRS通信通知用戶。用戶和小區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)響應(yīng)警報并采取應(yīng)急處理后，解除警報。

4 結(jié) 語

作為生活的首要因素，家居安防系統(tǒng)也是困擾人們生活的難題，研究基于ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)通信的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)具有很強的實用價值。未來ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)具有很好的市場前景。相信在不久的將來，這種智能化安防系統(tǒng)必將得到更廣泛的應(yīng)用。

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