高鵬飛，許曉平，朱 娟，楊茗超

(1.昆明理工大學信息工程與自動化學院，昆明 650500;2.昆明理工大學電力工程學院，昆明 650500)

1 引言

隨著生活水平的日益提高，舒適、溫馨的居住環(huán)境已不是購房人的唯一選擇，大家更關(guān)心生活環(huán)境是否具有安全感。因此新型的家庭安防報警系統(tǒng)不僅是對個人生命安全的保障，更是促進社會安定和諧的重要力量。

針對現(xiàn)代家庭安防的要求和當前市場上類似產(chǎn)品的不足，提出了以ZigBee 和ARM9 技術(shù)為核心的嵌入式智能家庭安防報警系統(tǒng)。這種報警系統(tǒng)主要通過安裝在前端的傳感器(如溫度、煙霧、煤氣等傳感器)，將采集信息通過ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控端，當發(fā)生異常情況時，監(jiān)控端就會立即啟動報警裝置，將警情及時告知用戶，以便情況得到及時的處理，從而防止和減少人員傷亡及財產(chǎn)損失。系統(tǒng)的特點在于使用ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)將傳感器采集的信號快速、準確的傳輸至監(jiān)控端，不僅省去了布線的麻煩、節(jié)約了成本，還擴大了監(jiān)控的范圍。

2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)概述

近年來在無線個域網(wǎng)WPAN 技術(shù)領(lǐng)域中，各種標準技術(shù)在競相發(fā)展，而這些不同技術(shù)標準的產(chǎn)品之間既相互競爭又相互促進，ZigBee 正是在這種無線技術(shù)蓬勃發(fā)展的環(huán)境中應運而生的。與其他的通信技術(shù)不同，它不追求高速率、遠距離，主要針對特定的智能家庭、智能建筑、工業(yè)自動化以及醫(yī)療等某些特定的控制領(lǐng)域，鎖定只以幾十kbps的速率，在幾米至幾十米的距離內(nèi)實現(xiàn)無線組網(wǎng)通信的功能。在這樣的指標環(huán)境下，再確定出其他技術(shù)要求——低功耗、低復雜度、低價格，從而誕生出一種新型的無線通信技術(shù)——ZigBee。

形象化的描述ZigBee:它是一種簡單的信號傳輸裝置，其核心是多信道無線通信裝置和微控制器，它們都被集成在一兩塊半導體芯片上，封裝在如小指甲蓋大小的塑料制品里。使用ZigBee 技術(shù)實現(xiàn)的產(chǎn)品，一般采用廉價的8 位微處理器，將無線射頻收發(fā)模塊集成在一塊芯片上，外圍接上阻容和晶振等器件，再外接一些A/D、D/A、I/O 接口及控制電路，即組成了擁有各種智能控制節(jié)點、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的核心控制模塊。當然，只有這些硬件電路是遠遠不夠的，還需要在芯片上加載符合實際需要的無線通信軟件和控制程序，才能組成完整的功能控制模塊，為此，現(xiàn)在也把這類帶有ZigBee 協(xié)議棧及無線收發(fā)模塊的單片機稱為“無線單片機”。ZigBee 技術(shù)并不是完全獨立的、全新的標準，它的物理層、MAC 層和鏈路層采用了IEEE802.15.4(無線個人域網(wǎng))的協(xié)議標準，并在此基礎(chǔ)上進行了完善和擴展。

ZigBee是一種低速率無線個域網(wǎng)技術(shù)，它與其他無線通信技術(shù)不斷追求高速率、遠距離不同，ZigBee主要以低速率、近距離而著稱，其目的就是為了大幅降低無線終端的成本及功耗。因此，那些低速率、小范圍、少成本、低功耗的系統(tǒng)首先應該考慮的就是ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)，因為它采用的數(shù)據(jù)傳輸方式為間接傳輸，即由功能簡單的設(shè)備節(jié)點發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，只要設(shè)備不要求，它就處于休眠狀態(tài)，從而使整個通信網(wǎng)絡(luò)的功耗大大降低。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計

家庭安防報警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由家庭安防報警系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)和ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)組成，從而實現(xiàn)家庭安防報警系統(tǒng)的功能。設(shè)計采用ARM9微處理器芯片作為控制器，對家庭安防報警系統(tǒng)進行管理控制，充當家庭安防報警系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的功能。用戶使用移動電話，通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對家庭安防報警系統(tǒng)的遠程控制。

圖1 基于ARM9 和ZigBee 技術(shù)的家庭安防報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 硬件設(shè)計

所要實現(xiàn)的主要功能:通過前端的探測器(門窗磁、各種紅外探測器、煙感探測器、煤氣泄漏探測器等)采集信號并通過無線傳輸將信號傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將信號傳給報警主機進行監(jiān)控，若有險情發(fā)生，立即驅(qū)動報警裝置。

主要由五個模塊構(gòu)成，它們分別是傳感器模塊、信號采集發(fā)送模塊、信號接收模塊、信號顯示模塊和報警模塊，其中前面三項稱之為信號的無線傳輸部分，而后兩項稱為信號的處理部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 家庭安防報警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

傳感器模塊按它的布局和功能來分，可將它分為3個部分:防盜、防火災以及煤氣泄露檢測裝置。因為要消除誤報，所以在防盜方面采用多種傳感器共同監(jiān)測的方法，即將振動傳感器、門磁窗傳感器和熱釋電紅外傳感器相結(jié)合，通過各種因素共同判定是否有人非法侵入;而防火部分采用溫度及煙霧傳感器相結(jié)合，如果數(shù)據(jù)顯示有大量煙霧產(chǎn)生，并伴隨室內(nèi)溫度升高則判定有火災隱患;煤氣泄露部分采用一種能檢測到空氣中煤氣含量的傳感器MQ－6，當數(shù)據(jù)一旦顯示煤氣含量超標，則判斷有煤氣泄露的警情。

無線通信部分采用TI 公司的CC2430 協(xié)議棧模塊，這款符合ZigBee 技術(shù)的2.4GHz 射頻系統(tǒng)芯片，適用于各種ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，可以將它作為設(shè)備終端、路由器節(jié)點或者協(xié)調(diào)器來使用。

中央處理模塊采用天嵌公司生產(chǎn)的TQ2440 開發(fā)板，它的核心芯片是Samsung S3C2440，它是三星公司推出的一款功能強大，功耗極低的ARM9 嵌入式CPU，應用范圍非常廣泛。而TQ2440 開發(fā)板是天嵌公司基于三星公司的S3C2440 電路優(yōu)化設(shè)計而來，目前已應用于工業(yè)控制、儀器儀表、醫(yī)療器械、安全監(jiān)控等行業(yè)。主要利用其串口接收數(shù)據(jù)，然后顯示在液晶屏上，若有警情則立刻驅(qū)動報警裝置。

5 軟件設(shè)計

主要設(shè)計整個系統(tǒng)的底層軟件，完成對設(shè)備的驅(qū)動。對于ARM9 模塊，主要對串口驅(qū)動進行了編寫，然后用QT 設(shè)計人機交互界面，將界面的應用函數(shù)與底層驅(qū)動相調(diào)用以實現(xiàn)通信。

對于ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)的通信，采用星形拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)立一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與多個設(shè)備節(jié)點，每個設(shè)備節(jié)點上安裝各種需要測量的傳感器(主要為溫度、振動、煙霧、煤氣等)，負責采集數(shù)據(jù)，通過標識符區(qū)別每個傳感器，設(shè)備節(jié)點采集到的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。成功組網(wǎng)后，設(shè)備節(jié)點進入休眠狀態(tài);網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器定時發(fā)送采集命令，設(shè)備節(jié)點接收到命令后從休眠狀態(tài)醒來，開始采集室內(nèi)環(huán)境參數(shù)并將信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給監(jiān)控中心。倘若要擴大監(jiān)控面積，需在網(wǎng)絡(luò)中增加路由器節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負責與各部分路由節(jié)點通信，可通過管理所有路由節(jié)點來實現(xiàn)小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)化控制。采用IAR Embedded Workbench 編譯軟件設(shè)計通信程序，首先實現(xiàn)協(xié)調(diào)器與單個節(jié)點的通信，程序流程設(shè)計如圖3 所示。

圖3 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)程序流程圖

6 結(jié)束語

完成了ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)通信和ARM9的人機交互界面后，通過對系統(tǒng)的通信測試和距離測試，可滿足安防報警要求。能將傳感器采集的信號通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控端，傳輸半徑可達30－50 米;上位機監(jiān)控界面能正確顯示數(shù)據(jù)，若遇異常情況能立即報警。

總之，借助于ARM9 芯片和ZigBee 無線通信技術(shù)，為智能安防報警系統(tǒng)的構(gòu)建提供了一種方便的解決方案。該系統(tǒng)具有低成本、低功率、功能靈活、界面友善、性能優(yōu)越等特點，能為我們的生活提供有力的安全保障，具有很好的實用性和研究價值。

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