方濤濤,　馬小軍,　陳　沖

(南京工業(yè)大學 電氣工程與控制科學學院, 江蘇 南京　211816)

基于ZigBee的智能家居安防系統(tǒng)設計

方濤濤,馬小軍,陳沖

(南京工業(yè)大學 電氣工程與控制科學學院, 江蘇 南京211816)

摘要：設計了一種基于ZigBee技術的智能家居安防系統(tǒng),使用芯片CC2530實現無線組網,采用多個終端節(jié)點對室內各處的溫/濕度、可燃氣體、人員入侵等進行探測。系統(tǒng)調試結果表明,基于ZigBee技術的智能家居安防系統(tǒng)各終端節(jié)點將采集的數據發(fā)送到協調器,再通過串口將數據發(fā)送到智能家居的管理平臺,從而實現對智能家居安全防范的監(jiān)測和報警。

關鍵詞：智能家居; 安防系統(tǒng); 無線通信; ZigBee技術; 氣體檢測

0引言

目前,智能家居中使用的通信技術一般為有線傳輸和無線傳輸兩種方式。有線傳輸存在布線復雜、可擴展性差、標準不統(tǒng)一等缺點,因此一般采用無線方式進行數據傳輸。ZigBee具有距離近、功耗低、成本低、組網方式靈活等優(yōu)點,在智能家居安防系統(tǒng)中已得到廣泛應用[1-3]。

1系統(tǒng)方案設計

智能家居安防系統(tǒng)通過使用CC2530來實現無線組網,采用多個終端節(jié)點對室內各個地方的溫/濕度、可燃氣體、人員入侵安防信息等進行探測,將檢測的數據打包后發(fā)給協調器。對于距離較遠的終端節(jié)點,通過加設路由節(jié)點把數據順利傳輸到協調器。協調器接收不同的終端節(jié)點或路由節(jié)點傳輸的數據,在協調器上顯示并且上傳給智能家居的管理平臺。智能家居的管理平臺接收來自安防系統(tǒng)的數據,從而實現對智能家居安全防范的監(jiān)測和報警。

采用星形網絡的拓撲結構,所有的終端節(jié)點都連接在協調器上,每個節(jié)點將采集到的傳感器數據發(fā)送到協調器上,協調器再與管理系統(tǒng)通信。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框架

2系統(tǒng)硬件設計

2.1單片機的選擇

CC2530能通過較少的材料成本建立比較強大的網絡節(jié)點,具有低能耗、高性能特點[4],故選擇CC2530作為系統(tǒng)核心芯片。

2.2硬件總體設計

硬件設計分為協調器節(jié)點設計和終端節(jié)點設計,協調器節(jié)點設計主要考慮終端節(jié)點通信以及幫助上位機上傳信息,而終端節(jié)點設計主要考慮傳感器數據的采集和傳輸。CC2530最小系統(tǒng)板、液晶顯示屏、電源等部分電路共同組成協調器節(jié)點。協調器的作用是以程序中設定的ID建立唯一ID的PAN網絡,接收ZigBee網絡中所有終端節(jié)點傳輸的傳感器數據,協調器負責顯示和處理收到的數據,通過串口發(fā)送到智能家居的管理平臺,并在液晶顯示屏上顯示。協調器節(jié)點結構如圖2所示。

圖2　協調器節(jié)點結構

CC2530最小系統(tǒng)板、溫/濕度傳感器和各類氣體檢測傳感器、振動傳感器、電源等部分共同組成系統(tǒng)的終端節(jié)點。終端節(jié)點的作用是先搜索附近是否有自身ID的PAN網絡,成功搜索之后自動加入網絡,再周期性地將傳感器采集的數據打包,發(fā)送給處于同一網絡中的協調器。終端節(jié)點結構如圖3所示。

2.3硬件部分電路設計

2.3.1CC2530最小系統(tǒng)電路

CC2530最小系統(tǒng)電路由CC2530芯片、高速晶振振蕩電路、低速晶振振蕩電路、射頻發(fā)射電路以及一些電源濾波電路組成,在CC2530所有電

圖3　終端節(jié)點結構

源引腳處接上濾波電容可以濾除電源的雜波,使CC2530可以更加可靠、穩(wěn)定地運行。射頻電路接入特定阻值的電容和電感,以提升CC2530的傳輸距離和傳輸質量。

2.3.2部分傳感器采集電路

熱釋電傳感器模塊可以輸出數字量,需要一個I/O口進行采集[5]。CC2530不停地讀取I/O獲取的值,判斷是否有人靠近。熱釋電傳感器檢測電路如圖4所示。

圖4　熱釋電傳感器檢測電路

2.3.3電源電路

系統(tǒng)電源支持適配器供電和電池供電兩種方式,適合ZigBee網絡中不同功能的節(jié)點。因為協調器、路由器需要長時間不停地工作,功耗較大,為了系統(tǒng)穩(wěn)定工作,可以使用適配器經過線性穩(wěn)壓芯片后再給系統(tǒng)供電,系統(tǒng)功耗比直接采用電池供電要低。電源電路如圖5所示。

圖5　電源電路

3系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件編程部分由C語言實現。將傳感器、液晶等外設的模塊化程序可以不通過協議棧直接調試出,再將數據采集和顯示的模塊程序與Z-stack協議棧整合、調試。為解決ZigBee協議復雜、不便于開發(fā)的問題,運行協議棧通過一個小型的操作系統(tǒng)(操作系統(tǒng)抽象層OSAL)使ZigBee開發(fā)簡單化[6-8]。

協調器上電后根據編譯時給定的參數,在某個頻段發(fā)起一個網絡,網絡頻段的定義放在f8wConfig.cfg配置文件中,根據定義建立PAN ID,掃描DEFAULT_CHANLI ST指定的所有信道,并選擇最佳信道組建一個ZigBee網絡。傳感器節(jié)點啟動后進行硬件的初始化,然后掃描DEFAULT_CHANLIST所指定的信道,并根據所定義的PAN ID自動加入網路。

協調器程序流程如圖6所示。

圖6　協調器程序流程

終端節(jié)點程序流程如圖7所示。

圖7　終端節(jié)點程序流程

在協調器創(chuàng)建ZigBee網絡后,終端節(jié)點設備會自動加入網絡。協調器和終端節(jié)點之間建立無線通信,它們之間數據的發(fā)送主要分為周期定時發(fā)送和通過按鍵事件觸發(fā)。系統(tǒng)傳感器數據采集是用周期性定時發(fā)送的方式來發(fā)送給協調器的。在Z-stack協議棧中,每個任務都有一個對應的ProcessEvent()事件處理函數,并循環(huán)檢測事件的產生。當一個事件產生時,系統(tǒng)輪詢到該事件時,該事件就會被執(zhí)行。

4系統(tǒng)調試

系統(tǒng)中共制作了3個終端節(jié)點和1個協調器節(jié)點。在完成實物焊接與安裝后,分別將寫好的終端節(jié)點和協調器節(jié)點程序燒入相應的處理器中,觀察協調器節(jié)點上液晶顯示屏是否正確顯示每個終端發(fā)來的傳感器采集數據。具體的調試過程如下:

(1) 打開協調器電源,選擇最優(yōu)的信道,并為網絡選定一個網絡標志符,開始組建網絡,自組網燈常亮時,屬于協調器的PAN網絡組建完成。協調器啟動如圖8所示。

圖8　協調器啟動

(2) 打開所有終端節(jié)點電源,所有終端節(jié)點立刻搜索附近的網絡,找到帶有自身ID的PAN網絡,并加入,協調器就可以收到來自節(jié)點1溫/濕度傳感器的值、節(jié)點2紅外熱釋電的值、節(jié)點3氣體傳感器的值。終端節(jié)點加入網絡如圖9所示。

圖9　終端節(jié)點加入網絡

(3) 協調器節(jié)點顯示屏在正常顯示傳感器數據的情況下,改變傳感器的檢測環(huán)境,觀察協調器節(jié)點顯示屏上對應的數據是否變化,判斷系統(tǒng)是否工作。

由圖9可見,節(jié)點1顯示的室內溫度為28 ℃,相對濕度69%;節(jié)點2由于傳感器附近沒有人入侵,所以顯示無人;節(jié)點3顯示了當時的空氣情況。在啟動協調器模塊后,各個終端節(jié)點和路由器能夠快速實現自動組網,各終端節(jié)點將采集的傳感器值發(fā)送給協調器,協調器接收數據后在顯示屏上顯示,并且通過串口將接收到的數據發(fā)送給智能家居的管理系統(tǒng)。一旦數據到達設定的警戒值后,管理系統(tǒng)會聯動安防報警系統(tǒng)。

5結語

基于ZigBee的智能家居安防系統(tǒng)具有低功耗、高可靠性、大網絡容量、低數據速率等特點,擺脫了傳統(tǒng)的有線傳輸方式,從而徹底解決了系統(tǒng)的布設、維護和更新升級的問題。經調試,基于ZigBee的智能家居安防系統(tǒng)運行可靠、穩(wěn)定,可以實現傳感器數據的采集和傳輸,滿足了人們對智能家居安防系統(tǒng)的需求。

[1]ELAHI A,GSCHWENDER A.ZigBee wireless sensor and control network[M].Prentice Hall Press,2009.[2]劉川來,張典,寧通.基于ZigBee技術的家庭安防網絡的設計[J].傳感器與微系統(tǒng),2009,28(1):90-93.

[3]戴善溪,張效民.基于ZigBee技術的數字式溫/濕度監(jiān)測網絡設計[J].國外電子測量技術,2010(2):47-49.

[4]楊松,胡國榮,徐沛成.基于CC2530的ZigBee協議MAC層設計與實現[J].計算機工程與設計,2013(11):3840-3844.

[5]丁海斌.智能傳感器網絡系統(tǒng)[M].北京:科學出版社,2006.

[6]周立功.單片機實驗與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004.

[7]黃磊,付菲,閔華松.基于ZigBee技術的智能家居方案研究[J].微計算機信息,2009(14):71-73.

[8]張濤.基于CC2530的溫度監(jiān)測模塊設計與應用[D].南昌:南昌大學,2012.

Design of Security and Protection System of Smart Home Based on ZigBee

FANG Taotao,MA Xiaojun,CHEN Chong

(College of Electrical Engineering and Control Science, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China)

Abstract：This paper designed a security and protection system of smart home based on ZigBee technology.The wireless networking was implemented by using CC2530 chip.The temperature and humidity,combustible gas,personnel intrusion detection were detected by using multiple terminal nodes in every region of the indoor.The test debugging results show that the terminal nodes of security and protection system send the collected data to the coordinator,then the management platform of smart home receives the data though serial port,which can realize the security monitoring and alarming of smart home.

Key words:smart home; security and protection system; wireless communication; ZigBee technology; gas detection

中圖分類號：TU 855

文獻標志碼：B

文章編號：1674-8417(2016)05-0030-04

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.05.008

收稿日期：2016-02-26

馬小軍(1956—),男,教授,研究方向為建筑智能化。

陳沖(1991—),男,碩士研究生,研究方向為建筑智能化。