基于ZigBee通信的家庭安防監(jiān)控系統(tǒng) ?

張崢 朱曉雨 包晨露 王麗娜 許鵬

摘 要：基于ZigBee通信的家庭安防監(jiān)控系統(tǒng)使用CC2530和STM32作為核心微處理器，ZigBee實現(xiàn)對報警按鈕、門磁、窗磁以及紅外感應模塊的實時監(jiān)測，在出現(xiàn)異常時向嵌入式網(wǎng)關模塊發(fā)送告警信息。嵌入式主控模塊采用高清TFT LCD觸摸液晶模塊進行用戶界面顯示和觸摸輸入檢測。結果表明，該系統(tǒng)具備對防盜系統(tǒng)進行啟?？刂疲瑢Σ杉K端告警信息處理以及將報警信息送至智能手機等功能。

關鍵詞：ZigBee;CC2530;STM32;安防監(jiān)控系統(tǒng);紅外感應;嵌入式

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）06-0-02

0 引 言

本文面向智能家居領域，以智能安防為研究重點，將嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術、生物識別技術等結合，設計基于ZigBee通信的家庭安防監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對門磁、窗磁以及紅外感應模塊的實時監(jiān)測，在以上模塊出現(xiàn)異常時告警。用戶可采用觸摸輸入或指紋識別方式以實現(xiàn)對防盜系統(tǒng)的啟?？刂疲褂梅奖闱野踩`活。防盜監(jiān)測點均為ZigBee無線形式，功耗低且可以自組網(wǎng)，安裝布局靈活。此外，網(wǎng)關模塊上還配有WiFi通信功能，支持智能手機端遠程監(jiān)測，當用戶身處公司或在外旅游時，也能隨時監(jiān)控家中的安全情況。

1 系統(tǒng)設計

本文系統(tǒng)分為嵌入式網(wǎng)關模塊和ZigBee終端模塊兩部分，并分別使用STM32和CC2530作為兩者的核心微處理器。ZigBee是基于國際標準IEEE 802.15.4的個人局域網(wǎng)協(xié)議的短距離無線通信技術。ZigBee擁有強大的組網(wǎng)能力，網(wǎng)絡[1]中最大可允許65 535 B。ZigBee模塊具備較好的低功耗特性，可以有效節(jié)約成本[2]。ZigBee采集終端用于實現(xiàn)對門磁、窗磁以及紅外感應模塊的實時監(jiān)測，在出現(xiàn)異常時會向嵌入式網(wǎng)關STM32[3]模塊發(fā)送告警信息。嵌入式網(wǎng)關模塊采用高清TFT LCD觸摸液晶模塊進行用戶界面顯示和觸摸輸入檢測，具備對防盜系統(tǒng)進行啟停控制，對采集終端告警信息處理以及將報警信息送至智能手機等功能。系統(tǒng)架構如圖1所示。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 硬件設計

系統(tǒng)的終端模塊采用TI公司的CC2530作為微控制器和通信核心芯片，涉及到的傳感器有窗磁開關、門磁開關、紅外感應器，涉及到的控制模塊為聲光告警器。采集與控制信號通過ZigBee網(wǎng)絡與網(wǎng)關模塊進行信息交互[4]。終端模塊的硬件設計如圖2（a）所示。網(wǎng)關模塊部分以ST公司的STM32F407為控制器核心[5]，采用TFT觸屏進行顯示與控制;告警取消部分采取指紋識別控制;與終端模塊信息交流部分采用ZigBee CC2530;與手機通信部分則通過WiFi形式來實現(xiàn)。網(wǎng)關模塊的硬件設計如圖2（b）所示。

2.2 軟件設計

微控制器CC2530使用的協(xié)議棧版本為TI ZStack-CC2530-2.1.5.1a。ZStack的體系結構由各層模塊組成，每一層為其上層提供特定的服務[6]。每個服務實體通過相應的服務接入點為其上層提供一個接口，每個服務接入點通過服務原語來完成所對應的功能。協(xié)議棧根據(jù)IEEE 802.15.4和ZigBee標準分為以下幾層：應用層、網(wǎng)絡安全層、介質(zhì)訪問控制層以及物理層。

門磁、窗磁模塊以及紅外探測模塊將采集到的信息以一定的數(shù)據(jù)幀傳送至終端，再以ZigBee無線形式傳輸至協(xié)調(diào)器，同時協(xié)調(diào)器也會將網(wǎng)關傳來的觸摸控制模塊的信息傳送給聲光告警模塊。終端模塊的軟件設計流程為：首先，在ZigBee系統(tǒng)和相應的I/O口進行初始化，I/O口用來檢測各傳感器的信息;然后，將檢測到的信息以規(guī)定好的數(shù)據(jù)幀通過組播方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器，并且做相應的控制;最后，協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送到網(wǎng)關STM32[7]。終端模塊的軟件設計流程如

3 系統(tǒng)功能測試

本系統(tǒng)采用的物聯(lián)網(wǎng)技術架構[9]包括感知層、傳輸層、控制層、軟件和開發(fā)環(huán)境以及應用。感知層由電磁感應終端、紅外感應終端及指紋識別終端組成;傳輸層以ZigBee通信實現(xiàn)終端信息傳送，以WiFi通信實現(xiàn)告警信息上報;控制層采用CC2530實現(xiàn)終端控制功能，采用STM32實現(xiàn)網(wǎng)關處理;軟件和開發(fā)環(huán)境有IAR For 8051，MDK5;應用部分有手機終端APP防盜監(jiān)測[10]。紅外采集終端實物圖、門窗磁采集終端實物圖、指紋識別模塊實物圖、報警控制終端實物圖以及系統(tǒng)整體實物效果圖如圖4所示。

以一個實際場景為例，測試裝置功能。先給所有模塊上電，上電后STM32界面效果如圖5（a）所示，所有部分都為正常狀態(tài)，隨后短時間打開大門，即打開門磁，操作效果如圖5（b）所示。此時顯示界面相應位置將會變黃，表示大門顯示“開”，但不告警，5 s后若仍為打開狀態(tài)，裝置認為有異常，則STM32和APP顯示界面的大門和報警器的狀態(tài)將會變紅，并且報警器也將會隨之報警，界面效果如圖5（c）和圖5（d）所示。此時房主若按下指紋，使報警器停止告警，一切恢復正常且界面效果恢復至圖5（a）。同樣，若紅外探測器檢測到有人，也會有類似以上的效果。由此可見，本系統(tǒng)設計的防盜報警裝置實現(xiàn)了預期的功能，能夠完成家庭防盜報警的任務。

4 結 語

這套系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r監(jiān)測家庭的安全情況，還可以在發(fā)生異常狀況時及時向住戶告警;而且其所需的門窗磁模塊可以靈活地安裝在門窗等任何開合式場所，安裝過程也很方便快捷。因此該系統(tǒng)一方面可以提高住宅的舒適溫馨度，另一方面也可以幫助住戶及時了解住宅的安全情況。綜上，本系統(tǒng)不僅可以應用于智能家居的環(huán)境監(jiān)測，也可以應用于車間環(huán)境監(jiān)測，市場應用前景良好。

參 考 文 獻

[1] KAUR A，KAUR J，SINGH G. An efficient hybrid topology construction in ZigBee sensor network [C]// International Conference on Recent Advances and Innovations in Engineering. Jaipur，India： IEEE，2014： 1-6.

[2] LEE J，DONG M，SUN Y. A preliminary study of low power wireless technologies：ZigBee and Bluetooth Low Energy [C]// 2015 IEEE 10th Conference on Industrial Electronics and Applications. Auckland：IEEE，2015：135-139.

[3]翟亞芳，張?zhí)禊i，趙建周，等.基于STM32的家庭智能安防控制系統(tǒng)設計[J].黑龍江大學自然科學學報，2016，33（1）：118-123.

[4]許東，操文元，孫茜.基于CC2530的環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計[J].計算機應用，2013，33（z2）：17-20.

[5]許華春，朱宗玖.基于STM32的家庭智能家居設計[J].中小企業(yè)管理與科技，2017（1）：150-151.

[6]徐振峰，尹晶晶，陳小林，等. 基于ZigBee協(xié)議棧的無線傳感器網(wǎng)絡的設計[J]. 電子設計工程，2012，20（5）：75-77.

[7]張藝粟，李鴻彬，賈軍營，等. 物聯(lián)網(wǎng)ZigBee網(wǎng)關的設計與實現(xiàn)[J]. 計算機系統(tǒng)應用，2013，22（6）：34-38.

[8] Firdaus，EKO Nugroho，SAHRONI A. ZigBee and wifi network interface on Wireless Sensor Networks [C]// 2014 Makassar International Conference on Electrical Engineering and Informatics. Makassar，Indonesia：IEEE，2014： 54-58.

[9]沈蘇彬.物聯(lián)網(wǎng)技術架構[J].中興通訊技術，2011，17（1）：8-10.

[10] FAN Binwen，PAN Ga，LIU Ming Liu，et al. Design of a home surveillance system based on the android platform[C]// 2015 12th International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery. Zhangjiajie：IEEE，2015：2101-2105.