黃炯，王志明

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

基于ZigBee技術(shù)的智能防盜窗報(bào)警系統(tǒng)

黃炯，王志明

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

針對(duì)傳統(tǒng)防盜窗的不足以及有線方式傳輸?shù)娜秉c(diǎn)，以S3C2410處理器為主控芯片，并以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II為核心，利用多傳感器采集報(bào)警信號(hào)，通過ZigBee短距離無線網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)發(fā)送至主控模塊進(jìn)行處理和分析，一方面經(jīng)GSM網(wǎng)絡(luò)以短消息形式將報(bào)警信息發(fā)送至用戶手機(jī)，另一方面經(jīng)RS485傳輸至物業(yè)上位機(jī)顯示，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了智能防盜窗報(bào)警系統(tǒng)。

ZigBee；GSM網(wǎng)絡(luò)；多傳感器；智能防盜

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，家庭財(cái)物被盜的嚴(yán)重性不僅日益得到人們的關(guān)注，而且促使家庭智能防盜技術(shù)的快速發(fā)展。家庭智能防盜系統(tǒng)[1-2]可對(duì)家庭的安全環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，而智能防盜窗是此系統(tǒng)中的重要組成部分。目前大多相關(guān)的產(chǎn)品都是采用有線方式進(jìn)行信號(hào)的傳輸，針對(duì)有線方式的布線復(fù)雜、線路易損壞和不易維護(hù)等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于ZigBee短距離無線傳輸方式[3]的智能防盜窗系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)以移植了uC/OS-II[4]實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的S3C2410為開發(fā)平臺(tái)，通過ZigBee和GSM無線網(wǎng)絡(luò)傳輸多傳感器檢測(cè)到的報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程報(bào)警。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

智能防盜窗報(bào)警系統(tǒng)原理如圖1所示。

該系統(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，主要由傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、電源模塊、ZigBee無線收發(fā)模塊、主控模塊和GSM模塊等組成。傳感器模塊將采集到的盜賊入侵信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊放大濾波得到有效信號(hào)，經(jīng)ZigBee無線收發(fā)模塊的終端節(jié)點(diǎn)無線發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，通過S3C2410處理器的處理和分析，將報(bào)警信號(hào)通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至用戶手機(jī)，并通過RS485發(fā)送至物業(yè)上位機(jī)顯示，同時(shí)開啟攝像頭進(jìn)行視頻監(jiān)控，以留下盜賊偷盜的證據(jù)。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊與信號(hào)處理模塊

由振動(dòng)傳感器、紅外傳感器和人體接近傳感器組成了傳感器模塊。其中振動(dòng)傳感器采用SW-18020P振動(dòng)傳感器，該傳感器無方向性，任何角度均可觸發(fā)工作，主要用于檢測(cè)窗戶的振動(dòng)，通過電路設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)其振動(dòng)靈敏度，其外圍電路如圖2所示，通過LM393電壓比較器輸出數(shù)字量0和1。人體接近傳感器采用YTM8631型傳感器，具有穿透性能好、探測(cè)靈敏度可調(diào)、距離可設(shè)置和探測(cè)方向可調(diào)等特點(diǎn)，且不受溫度、濕度、噪聲、氣流、塵埃、光線等影響,適合惡劣環(huán)境。當(dāng)有人進(jìn)入傳感器感應(yīng)范圍時(shí)，會(huì)探測(cè)到人體的紅外光譜，接通負(fù)載，輸出報(bào)警信號(hào)。紅外反射光電傳感器主要用于檢測(cè)盜賊從窗戶進(jìn)入，當(dāng)人體擋住射線，就會(huì)輸出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)會(huì)啟動(dòng)攝像頭進(jìn)行錄像。信號(hào)處理模塊主要對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行放大濾波。為了避免誤報(bào)警，三傳感器中的兩個(gè)檢測(cè)到信號(hào)才向主控模塊發(fā)送報(bào)警信息。

圖2 振動(dòng)傳感器外圍電路

2.2 單片機(jī)與電源模塊

前端主控模塊采用AT89S52單片機(jī)，是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8k在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。主要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，并觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。電源模塊部分選用CD4066模擬開關(guān)對(duì)采集部分即傳感器模塊電源通斷的控制，以達(dá)到系統(tǒng)在不采集數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)采集部分的功耗為零。

2.3S3C2410處理器和ZigBee射頻模塊

S3C2410是一款基于ARM920T處理器核的32位低功耗嵌入式微控制器，具有獨(dú)立的16kB指令Cache和數(shù)據(jù)Cache,集成LCD，UART，IIC，SPI，IIS，USB，SD控制器等片內(nèi)外圍設(shè)備，支持NAND Flash啟動(dòng)，適合應(yīng)用于手持設(shè)備。該處理器作為防盜窗報(bào)警系統(tǒng)的核心部分極大的起到降低功耗的作用。選用移植了Z-Stack協(xié)議棧的CC2430[5]射頻芯片作為射頻模塊的核心，該芯片結(jié)合了一個(gè)高性能的2.4GHz直接序列(DSSS)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的增強(qiáng)型8051控制器，并滿足2.4 GHzISM波段應(yīng)用中對(duì)低成本、低功耗的要求。該模塊通過RS232串口分別與前端單片機(jī)和主控模塊的S3C2410進(jìn)行通信，其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 CC2430硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.4GSM短信模塊與攝像頭模塊

以華為公司生產(chǎn)的EM310模塊為GSM[6]短信收發(fā)模塊，其電路圖如圖4所示。該模塊是一款工作在EGSM900/GSM1800雙頻段可支持GSM和GPRS的手機(jī)短消息模塊，通過UART串行接口與主控模塊通信，主控模塊通過發(fā)送AT指令的方式完成短消息的收發(fā)。攝像頭模塊采用的是主控芯片為OV511的USB攝像頭，OV511是一款低成本，高集成度的USB攝像頭，不僅支持VGA(640×480)(10-15fps)，CIF(352×288)(30fps)等格式，而且在CPU利用率低的情況下能快速解壓。采集圖像的輸出格式可以是YUV/YCbCr4：2：0/4：2：2 或者RGB16。該模塊主要記錄盜賊盜竊過程，用于取證。

圖4 EM310模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1ZigBee短距離無線網(wǎng)絡(luò)組建

該短距離無線網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包含一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和若干終端節(jié)點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。其網(wǎng)絡(luò)的組建主要包括協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)和終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。通過修改TI公司開發(fā)的Z-Stack[7]協(xié)議棧完成網(wǎng)絡(luò)組建、設(shè)備入網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集，并在IAR EWB開發(fā)環(huán)境下調(diào)試運(yùn)行。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)建立和終端節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)軟件流程圖如圖6所示。

圖5 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖6 終端節(jié)點(diǎn)

3.2 主控模塊軟件設(shè)計(jì)

在S3C2410處理器上移植uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)是占先式操作系統(tǒng)，可對(duì)系統(tǒng)資源和多個(gè)任務(wù)進(jìn)行管理，具有足夠的安全性和穩(wěn)定性，其對(duì)任務(wù)的調(diào)度是按優(yōu)先級(jí)進(jìn)行的。該系統(tǒng)任務(wù)的優(yōu)先由高到底依次為：紅外光電反射處理任務(wù)、振動(dòng)處理任務(wù)、人體接近處理任務(wù)、攝像頭開關(guān)處理任務(wù)和GSM短信處理任務(wù)。該系統(tǒng)主函數(shù)如下：

Int main(void)

{

OSInit(); //初始化uC/OS-II系統(tǒng)

OSTaskCreate(TaskStart,(void*)0,

TaskStartStk[TASK_STK_SIZE-1],0);

OSStart(); //啟動(dòng)uC/OS-II任務(wù)管理

return 0;

}

該主控模塊軟件流程圖如圖7所示。

4 結(jié)語

以S3C2410處理器為主控芯片，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II為核心，ZigBee短距離無線網(wǎng)絡(luò)和GSM網(wǎng)絡(luò)為通信平臺(tái)，利用多傳感器檢測(cè)信號(hào)，設(shè)計(jì)了智能防盜窗報(bào)

圖7 主控模塊軟件流程圖

警系統(tǒng)。該系統(tǒng)解決了有線方式傳輸和傳統(tǒng)防盜窗不能報(bào)警、無安全性等缺點(diǎn)，具有易維護(hù)安裝、穩(wěn)定性好、擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。

[1] 張橙.家庭智能防盜報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,23(3):97-99.

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[3] 張周,周劍,揚(yáng)閆沫.ZigBee在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2006,19(12):7-9.

[4] 何雅琴.基于UCOS_II的智能窗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].上海：華東師范大學(xué)，2008.

[5] 寧炳武,劉軍民.基于CC2430的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2008,3:95-99.

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Intelligent Alarm System of Security Window Based on ZigBee Technology

HUANG Jiong, WANG Zhi-ming

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Aiming at the disadvantage of traditional security window and wired transmission, this paper designs an intelligent alarm system of security window. S3C2410 processor is taken as the master chip and the real-time operating system of uC/OS-II as the core, the muti-sensor is used to collect the alarm signal,which is transmitted to the main control module for processing and analysis through the ZigBee short-range wireless network. On the one hand, the alarm information is sent to the user's mobile phone as a short message through GSM, on the other hand, it is sent to the property host computer and display through RS485.

ZigBee; GSM network; muti-sensor; intelligent guard

黃炯(1988-)，男，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)與控制技術(shù)。

TP277

B

1671-5276(2014)02-0204-03

2013-01-28