陳博睿 何泓洋

（1.武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院電信學(xué)部 武漢 430074）（2.海軍工程大學(xué)導(dǎo)航工程系 武漢 430033）

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)的概念由美國麻省理工學(xué)院于1991年（MIT）首次提出。在之后的二十余年里，隨著傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和RFID標(biāo)簽技術(shù)等快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)取得了飛速發(fā)展并走進(jìn)人們的生活，進(jìn)而有了智能家居的概念。

家庭安防系統(tǒng)［1～3］是智能家居的子系統(tǒng)。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，對(duì)物質(zhì)安全的重視程度也隨之提高。加上電器的大量使用、生活節(jié)奏加快，住宅出現(xiàn)火災(zāi)、煤氣泄漏等安全隱患較以往大大增加，威脅到人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全。因此，人們迫切需要智能化的家庭安防系統(tǒng)在住宅發(fā)生安全事故時(shí)進(jìn)行緊急處理，并向自己和物業(yè)報(bào)警。

本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee無線通信技術(shù)的家庭安防系統(tǒng)。系統(tǒng)合理利用了無線通信無需繁瑣布線，以及ZigBee技術(shù)低功耗、高可靠性等優(yōu)勢(shì)，選取了有效的通信策略。同時(shí)，設(shè)計(jì)了基于ARM技術(shù)的功能完善、可拓展性強(qiáng)的控制策略。因此，本系統(tǒng)有較強(qiáng)的使用價(jià)值。

2 系統(tǒng)工作原理

家庭安防系統(tǒng)主要由前端系統(tǒng)和后端系統(tǒng)兩個(gè)部分組成。前端系統(tǒng)主要分為檢測(cè)傳感器、信號(hào)處理器和無線發(fā)射器。后端系統(tǒng)主要分為無線接收機(jī)、中央處理器和外圍響應(yīng)電路。家庭安防系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 家庭智能安防系統(tǒng)原理圖

如圖1所示，在家庭安防系統(tǒng)中，檢測(cè)傳感器接收到相關(guān)信號(hào)之后，將其發(fā)送給信號(hào)處理器。信號(hào)處理器對(duì)信號(hào)的類別、危險(xiǎn)等級(jí)等進(jìn)行標(biāo)記，并按一定格式進(jìn)行編碼，然后將編碼后的信號(hào)傳輸給無線發(fā)射器。通過基于ZigBee技術(shù)的無線通信設(shè)備，將安防信號(hào)傳輸?shù)街醒胩幚砥?，處理器?duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，然后根據(jù)信號(hào)的類別、危險(xiǎn)等級(jí)等信息輸出相應(yīng)的控制量，控制外圍響應(yīng)電路和相關(guān)設(shè)備的動(dòng)作。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及硬件構(gòu)成

家庭智能安防系統(tǒng)主要由檢測(cè)傳感器模塊、無線通信模塊、中央處理器模塊和外圍響應(yīng)電路模塊組成。系統(tǒng)總體方案如圖2所示。

圖2 家庭智能安防系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，本系統(tǒng)的檢測(cè)傳感器分為紅外探測(cè)器、門／窗磁式傳感器、預(yù)警求助按鈕、煙霧探測(cè)器和煤氣報(bào)警器。無線發(fā)射裝置采用了CC2538無線發(fā)射器，無線接收裝置采用了CC2538無線接收機(jī)。中央處理器采用了AT912RM9200芯片。外圍響應(yīng)電路分為氣閥切斷電路、排氣扇開啟電路、電源切斷電路和GPRS發(fā)送模塊。

3.1 傳感器模塊及外部響應(yīng)電路

傳感器模塊通過對(duì)室內(nèi)各種環(huán)境的監(jiān)測(cè)，為家庭安防系統(tǒng)提供防盜、防火、煤氣泄漏和緊急求助等信號(hào)。外部響應(yīng)電路是家庭安防系統(tǒng)的終端執(zhí)行模塊，它接收中央處理器的指令對(duì)傳感器的各種信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)。

下面，對(duì)本系統(tǒng)中使用的主要傳感器及其驅(qū)動(dòng)外部響應(yīng)電路的機(jī)理進(jìn)行說明。

1）人體紅外熱釋電傳感器。人體紅外熱釋電傳感器用以檢測(cè)人體發(fā)射的紅外線，以識(shí)別是否有人在傳感器的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)活動(dòng)。當(dāng)人體進(jìn)入傳感器的探測(cè)區(qū)域時(shí)就產(chǎn)生電平觸發(fā)信號(hào)通知中央處理器有人體接近，中央處理器驅(qū)動(dòng)外部GPRS模塊進(jìn)行報(bào)警。

2）門窗磁式傳感器。門窗磁式傳感器它有兩部分組成：較小的部件為永磁體，內(nèi)部有一塊永久磁鐵，用來產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)；較大的是門窗磁式傳感器主體，內(nèi)部有一個(gè)常開型的干簧管。當(dāng)永磁體和干簧管靠得很近時(shí)（小于5mm），門窗磁式傳感器處于工作守候狀態(tài)；當(dāng)永磁體離開干簧管一定距離后（大于8mm），門窗磁式傳感器立即產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，中央處理器接收到該信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)外部GPRS模塊進(jìn)行報(bào)警。

3）煙霧報(bào)警傳感器。煙霧報(bào)警傳感器是火災(zāi)探測(cè)器的最常用類型，它能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報(bào)警功能，是居民家庭通用的火災(zāi)報(bào)警器。遇到火災(zāi)發(fā)生的煙霧時(shí)，傳感器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。中央處理器接收到該信號(hào)后，一方面聯(lián)動(dòng)排風(fēng)扇，把煙霧排出室外；另一方面，通過GPRS模塊報(bào)警。

4）燃?xì)庑孤﹤鞲衅?。燃?xì)庑孤﹤鞲衅鞣植加趶N房里面執(zhí)行燃?xì)庑孤┍O(jiān)測(cè)任務(wù)，以防止燃?xì)庵卸竞腿細(xì)獗ㄊ录陌l(fā)生。燃?xì)庑孤﹫?bào)警器通過氣體傳感器探測(cè)周圍環(huán)境中的低濃度可燃?xì)怏w，經(jīng)過采樣電路，將探測(cè)信號(hào)用模擬量或數(shù)字量傳遞給控制器或控制電路，當(dāng)可燃?xì)怏w濃度超過控制器或控制電路中設(shè)定的值時(shí)，傳感器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，進(jìn)而中央處理器驅(qū)動(dòng)外部電路關(guān)閉燃?xì)忾y門、關(guān)閉室內(nèi)電源并通過GPRS模塊發(fā)出報(bào)警。

5）緊急求助報(bào)警按鈕：在家庭安防系統(tǒng)中接入各種求助按鈕，使得家中的老人小孩在遇到緊急情況時(shí)通過啟動(dòng)求助按鈕快速進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警和遠(yuǎn)程報(bào)警，及時(shí)獲得各種救助。

3.2 ZigBee無線通信模塊

3.2.1 ZigBee無線通信技術(shù)

Zigbee［4～9］是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要特點(diǎn)是低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、快速、可靠、安全。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的可分為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、匯聚節(jié)點(diǎn)（Router）、傳感器節(jié)點(diǎn)（EndDevice）等三種角色，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。

結(jié)合本系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)際，ZigBee無線通信設(shè)備的主要優(yōu)勢(shì)在于：低功耗，低速率，可靠性高。

· 低功耗：由于本系統(tǒng)有多個(gè)無線終端設(shè)備長時(shí)間處于待機(jī)或工作狀態(tài)，若無線通信設(shè)備功耗太大勢(shì)必造成能源浪費(fèi)以及整個(gè)安防系統(tǒng)的運(yùn)行成本過高。因此，ZigBee無線通信設(shè)備的低功耗特點(diǎn)使得它非常適合本系統(tǒng)。在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢(shì)。相比較而言，藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時(shí)。

· 低速率：在本系統(tǒng)中，通過無線通信設(shè)備傳輸給中央處理器的傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)量非常小、頻率非常低。因此，系統(tǒng)無需使用高速通信技術(shù)。ZigBee工作在20～250kbps的速率，分別 提供 250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

高可靠性：無線通信設(shè)備的穩(wěn)定、可靠性是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。因此，高可靠性的ZigBee技術(shù)是本系統(tǒng)無線通信環(huán)節(jié)的理想選擇。

3.2.2 通信模塊片上系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用了德州儀器公司推出的CC2538片上系統(tǒng)作為無線通信模塊的核心。

CC2538片上系統(tǒng)是目前業(yè)內(nèi)集成度最高的Zigbee解決方案。它包含一個(gè)強(qiáng)大的基于ARM Cortex M3的微控制器（MCU）系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有高達(dá)32K片載RAM 和512K片載閃存。這使得它能夠處理具有安全性、包含要求嚴(yán)格的應(yīng)用以及無線下載的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)堆棧。32個(gè)通用輸入和輸出（GPIO）以及串行外設(shè)接口可實(shí)現(xiàn)到電路板其它部分的簡單連接。強(qiáng)大的安全加速器可在CPU處理應(yīng)用任務(wù)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速且高效的認(rèn)證和加密。具有保持功能的低功耗模式可實(shí)現(xiàn)從睡眠狀態(tài)中的快速喚醒并且大大降低了執(zhí)行周期任務(wù)時(shí)的能耗。為了實(shí)現(xiàn)順利平穩(wěn)開發(fā)，CC2538包括一個(gè)強(qiáng)大的調(diào)試系統(tǒng)和一個(gè)綜合性驅(qū)動(dòng)器庫。為了減少應(yīng)用閃存封裝尺寸，CC2538ROM包含一個(gè)實(shí)用功能庫和一個(gè)串行引導(dǎo)加載器，與德州儀器（TI）提供的ZigBee協(xié)議棧PRO或Zigbee IP協(xié)議棧組合在一起免費(fèi)使用。CC2538能提供市面上功能最強(qiáng)大且可靠耐用的Zigbee解決方案。

采用CC2538片上系統(tǒng)可以保證家庭安防系統(tǒng)無線通信模塊正常工作，而且在設(shè)計(jì)上具有良好的拓展性。隨著全球物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，家庭安防系統(tǒng)也必將不斷發(fā)展和完善，CC2538片上系統(tǒng)為家庭安防系統(tǒng)的拓展與進(jìn)化創(chuàng)造了條件。

3.3 中央控制器

本系統(tǒng)選用AT91RM9200處理器作為系統(tǒng)的核心處理單元。AT91RM9200是ATMEL公司生產(chǎn)的一款高性能的ARM9［10～11］芯片，它是一款通用工業(yè)級(jí) ARM 芯片，主頻為180MHz／200MIPS，已經(jīng)在工業(yè)控制、智能儀器儀表等領(lǐng)域內(nèi)得到了大量的應(yīng)用。

AT91RM9200是完全圍繞ARM920TARM Thumb處理器構(gòu)建的系統(tǒng)。它包括一個(gè)高速片上SRAM工作區(qū)及一個(gè)低等待時(shí)間的外部總線接口（EBI），以完成應(yīng)用所要求的片外存儲(chǔ)器和內(nèi)部存儲(chǔ)器映射外設(shè)配置的無縫連接。EBI有同步DRAM（SDRAM）、Burst Flash及靜態(tài)存儲(chǔ)器的控制器，并設(shè)計(jì)了專用電路以方便與SmartMedia、CompactFlash及NAND Flash連接。AT91RM9200集成了豐富的系統(tǒng)與應(yīng)用外設(shè)，同時(shí)也集成了很多標(biāo)準(zhǔn)接口，包括USB 2.0全速主機(jī)和設(shè)備端口及與多數(shù)外設(shè)和在網(wǎng)絡(luò)層廣泛使用的10／100Base－T以太網(wǎng)媒體訪問控制器（MAC）。高級(jí)中斷控制器（AIC）通過多向量，中斷源優(yōu)先級(jí)劃分及縮短中斷處理傳輸時(shí)間來提高ARM920T處理器的中斷處理性能。因此，AT91RM9200能夠?yàn)榈凸?、低成本、高性能的?jì)算機(jī)需求提供一個(gè)單片解決方案。

本系統(tǒng)中采用AT91RM9200進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并輸出控制信號(hào)。AT91RM9200強(qiáng)大的運(yùn)算能力可以滿足家庭安防系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理的需求，它多樣化的對(duì)外接口可以實(shí)現(xiàn)與多種外設(shè)的通信，使得本系統(tǒng)的中央處理器有較廣的適用范圍。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開機(jī)后，主機(jī)處于設(shè)防狀態(tài)。此時(shí)，傳感器通過信號(hào)處理器和無線通信模塊發(fā)送給中央處理器的信號(hào)將被主機(jī)讀取和處理，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)GPRS報(bào)警模塊以及外圍聯(lián)動(dòng)設(shè)備。軟件的總體流程如圖3所示。

系統(tǒng)軟件總流程如系統(tǒng)開機(jī)后首先調(diào)用控制器進(jìn)行初始化，然后讀取按鍵值，根據(jù)按鍵值判斷當(dāng)前狀態(tài).當(dāng)主機(jī)處于設(shè)防狀態(tài)時(shí)，通過掃描CC2430接收模塊來查詢各個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況，一旦發(fā)現(xiàn)有異常狀況，系統(tǒng)判斷為何種突發(fā)事件后，立即啟動(dòng)報(bào)警裝置、USB攝像頭，并給預(yù)先設(shè)置好的手機(jī)號(hào)碼發(fā)送短信。

如圖3所示，系統(tǒng)開機(jī)后，若無線接收機(jī)有事故信號(hào)輸入到中央處理器，則系統(tǒng)首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，進(jìn)而確定事故的類型以及危險(xiǎn)等級(jí)。根據(jù)不同的事故類型驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的外圍設(shè)備，并通過GPRS模塊向主人或者物業(yè)報(bào)警。上述工作完畢后，程序運(yùn)行結(jié)束，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

圖3 軟件程序流程圖

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一套家庭智能安防系統(tǒng)。首先對(duì)系統(tǒng)工作原理進(jìn)行了分析，對(duì)系統(tǒng)硬件構(gòu)成進(jìn)行了設(shè)計(jì)。分析了Zigbee無線通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并利用基于ZigBee的技術(shù)的CC2538片上系統(tǒng)對(duì)無線通信系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。提出了利用基于ARM技術(shù)的AT91RM9200芯片作為中央處理器的核心。設(shè)計(jì)了安防系統(tǒng)控制軟件，分析了軟件程序流程。在硬件設(shè)計(jì)上，為系統(tǒng)進(jìn)一步開發(fā)和完善預(yù)留了空間。可以預(yù)見這種家庭智能安防系統(tǒng)可以在家庭防盜、防火、防止煤氣泄漏等工作中發(fā)揮作用，有效保護(hù)人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全。

［1］李正民，張興偉.基于ZigBee技術(shù)的無線智能安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2012（9）：97－100.

［2］黃文龍，徐道連，游穎敏，等.基于ZigBee和ARM的嵌入式智能家庭安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，23（2）：152－156.

［3］王作成，擺玉龍.基于ZigBee的智能車庫系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)［J］.測(cè)控技術(shù)，2013，32（1）：69－75.

［4］王妍，沈國華.Zigbee無線傳感器組網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用［J］.艦船電子工程，2008，28（10）：32－33，100.

［5］彭燕.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（5）：49－51.

［6］杜欣慧，盧小茜，白雪艷.基于ZigBee和ARM的智能節(jié)電系統(tǒng)研究［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，43（6）：762－765.

［7］劉新輝，張怡，柴清.基于ZigBee和ARM的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2013（1）：90－92.

［8］呂宏，黃釘勁.基于ZigBee技術(shù)低功耗無線溫度數(shù)據(jù)采集及傳輸［J］.國外電子測(cè)量技術(shù)，2012，31（2）：58－60.

［9］李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（16）：108－111.

［10］吳金華，鄭耿，李駒光.基于ARM9的無線數(shù)據(jù)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2008，34（14）：253－255.

［11］崔京偉，黃灝.基于ARM和ZigBee的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2013，26（3）：12－16.