陳淑春，王文忠（.河北軟件職業(yè)技術(shù)學院； .保定眾騰電氣科技有限公司，河北 保定 0700）

基于ZigBee的節(jié)能門窗智能安防系統(tǒng)的實現(xiàn)

陳淑春1，王文忠2
（1.河北軟件職業(yè)技術(shù)學院； 2.保定眾騰電氣科技有限公司，河北 保定 071001）

基于ZigBee技術(shù)，采用S3C2440的TQ2440開發(fā)板作為嵌入式系統(tǒng)平臺，CC2530作為微處理器的智能家居系統(tǒng)進行可行性研究。對智能家居系統(tǒng)中的重要分支—智能節(jié)能窗系統(tǒng)的信息采集、安全報警、機械傳動控制進行分析和軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了智能網(wǎng)關(guān)對窗戶安防及傳動控制。最后，通過功能測試，驗證了測試數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)相符，系統(tǒng)可以完成家居內(nèi)所有窗戶的檢測、控制，可達到節(jié)能與智能的完美效果。

ZigBee；智能家居；嵌入式系統(tǒng)

0　引言

近年來，信息產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，人們進入了無網(wǎng)絡(luò)無法生活的時代。網(wǎng)絡(luò)通訊，無線傳輸，信息采集等先進技術(shù)已走入人們的日常生活中。越來越多的人們走上科技的時尚高端，享受著信息時代帶來的生活便利和居家安全。智能家居系統(tǒng)走入尋常百姓家中，物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使原本獨立的個體家電、門窗和室內(nèi)環(huán)境聯(lián)姻，并能和主人的手機、PC機遠程互答。

在智能家居系統(tǒng)中，門窗的智能安防和控制在整個系統(tǒng)中的地位尤為重要。但是，目前市場上出現(xiàn)的系統(tǒng)案例中，對門的防盜、人臉識別、對講研究技術(shù)較成熟，但是對窗戶的相關(guān)研究往往被忽略，一般只重視窗戶的開關(guān)控制上，對它的安全防范等作用研究較少。因為節(jié)能和舒適性要求，窗戶占建筑墻體的面積越來越大，窗戶的防盜、防小孩墜樓，防風雨以及隨室內(nèi)環(huán)境開關(guān)的智能性需求也越來越大。本文在智能家居系統(tǒng)的總體設(shè)計上重點闡述智能家居的重要分支——智能節(jié)能窗系統(tǒng)。目前很多新住宅在窗戶材料上都實現(xiàn)了節(jié)能要求，在此基礎(chǔ)上綜合利用傳感器技術(shù)，ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，自動控制技術(shù)，現(xiàn)代通訊技術(shù)實現(xiàn)窗戶內(nèi)外各種信息采集、處理、安全報警和自動開關(guān)控制。窗戶作為室內(nèi)外互通的重要環(huán)節(jié)，對智能家居系統(tǒng)中安全防范系數(shù)的提高具有極其關(guān)鍵的作用［1］。

1　系統(tǒng)的總體設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計采用一臺家居PC機接入WIFI 無線網(wǎng)作為控制中心，利用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)建立家庭內(nèi)部設(shè)備、環(huán)境和門窗的局域網(wǎng)，利用GSM模塊實現(xiàn)系統(tǒng)與移動4G手機網(wǎng)絡(luò)通訊和遠程控制?？傮w框圖如圖1。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

智能節(jié)能窗系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的子系統(tǒng)，它主要包括窗戶內(nèi)外信息采集、智能開關(guān)控制、安全報警。實現(xiàn)的功能是當室內(nèi)出現(xiàn)煙霧等有害氣體時能給控制中心反饋信息并自動開窗、當接到主人發(fā)出的開窗命令時能自動開窗，當室外檢測到風雨信息時能自動關(guān)窗，當窗戶內(nèi)外檢測到運動物體存在時能給控制中心反饋信息并安全報警。

子系統(tǒng)主要由CC2530微處理器、各種傳感器終端，報警終端，機械傳動裝置組成，利用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，建立一個樹簇型拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

圖2　子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　子系統(tǒng)終端硬件設(shè)計

該部分主要包括各種傳感器組成的信息采集模塊，終端報警模塊和機械傳動模塊，采集到的信號傳送到控制中心，進行信息加工和處理，控制中心發(fā)出的命令由報警終端和傳動裝置執(zhí)行［3］。

2.1信息采集系模塊

（1）煙霧濃度檢測 。煙霧濃度檢測采用的傳感器選用深圳市浩時健電子科技有限公司提供的普通氣體煙霧傳感器M Q-2，輸出電壓為5.0V±0.2V，靈敏度：R in air/Rin typical gas≥5，溫度：-20℃～+55℃，它是一種壽命長、成本低對液化氣、丙烷、氫氣等可燃氣體具有良好的靈敏度的氣敏傳感器。通過氣敏傳感器監(jiān)測家居內(nèi)液化氣、煙霧等參數(shù)主要是為實現(xiàn)如下兩個功能：

1）實現(xiàn)有毒氣體報警，并執(zhí)行自動開窗降低有毒氣體濃度的操作；

2）火災報警，在判讀是否有火災發(fā)生時還結(jié)合了室內(nèi)溫度傳感器采集到的溫度進行判斷，即當室內(nèi)煙霧濃度和溫度都超過某閡值時判斷可能發(fā)生了火災，實現(xiàn)火災報警。

（2）風雨天氣檢測。風雨傳感器采用深圳德力智能科技有限公司提供的dree-s6c風雨傳感器。工作電壓12v，工作溫度-10～75（℃），探測距離30米，可設(shè)置1～9級風速、光照、雨量檔位，是目前國內(nèi)最先進的風雨傳感器，風速辨認，利用光速感應，幾乎0誤差，雨水感應速度準確， 支持聲光報警，達到設(shè)定等級風速或者雨水量自動發(fā)出信號至控制中心，控制中心可根據(jù)設(shè)定風速和雨水量判定是否關(guān)窗，從而驅(qū)動控制單元關(guān)閉窗戶。

（3）運動物體檢測。對運動物體的檢測目的是判斷在開窗狀態(tài)下，室內(nèi)小孩或其他人員扒窗存在墜窗危險和盜賊通過窗戶入室行竊造成的人身和財產(chǎn)安全。是基于紅外線技術(shù)，根據(jù)人體運動過程所發(fā)射的紅外線波長在9到10μm之間， 設(shè)計中采用熱釋電傳感器LH1778，當檢測到運動人體入侵窗口外3米內(nèi)范圍時，熱釋電傳感器產(chǎn)生電信號變化，開關(guān)自動接通負載，延時2S仍然有電信號存在，判斷窗外有人入侵，聲光報警器報警，從而驅(qū)逐入侵者。當檢測到窗口內(nèi)1米有運動人體時紅光閃爍提醒扒窗有危險。以上兩種情況傳感器采集到的信息可同步傳給控制中心，控制中心通過GSM模塊發(fā)給手機，主人可根據(jù)情況發(fā)出關(guān)窗命令。

2.2終端報警模塊

終端報警模塊主要是在檢測到運動物體和煙霧濃度超標時開啟聲光報警裝置并在液晶顯示單元上提示主人報警原因。

2.3機械傳動模塊

此模塊主要包括3個組成部分：控制芯片，紅外收發(fā)和電機驅(qū)動?？刂菩酒捎肧TC89C52芯片作為微控制器，紅外收發(fā)采用紅外對管，電機采用減速步進電動機。功能框圖如圖3。

圖3　傳動功能框圖

主要是實現(xiàn)窗戶的開關(guān)控制，通過紅外信號與ZigBee終端實現(xiàn)簡單通信，ZigBee終端設(shè)備可以將來自手機的控制數(shù)據(jù)發(fā)送給傳動設(shè)備控制器，傳動設(shè)備控制器接收到該控制數(shù)據(jù)后執(zhí)行相關(guān)操作，并在操作結(jié)束后回復數(shù)據(jù)給ZigBee終端以告知ZigBee終端設(shè)備相關(guān)操作己完成。

3　子系統(tǒng)軟件設(shè)計

利用Vc++6.0開發(fā)平臺，MFC方式進行編程。首先，控制中心通過串口與ZigBee協(xié)調(diào)器進行通訊，而ZigBee協(xié)調(diào)器作為內(nèi)網(wǎng)“核心”，既能接收來自終端設(shè)備采集的信息，同時又能向任何節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，是數(shù)據(jù)傳輸紐帶，程序流程圖如圖4。機械傳動模塊是ZigBee終端通過紅外收發(fā)功能控制的，是ZigBee協(xié)調(diào)器間接控制的設(shè)備，對窗戶的控制程序流程圖如圖5。

圖4　系統(tǒng)軟件設(shè)計程序流程圖

圖5　傳動模塊程序流程圖

4　功能測試

采用適當?shù)臏y試手段對ZigBee的組網(wǎng)功能、網(wǎng)絡(luò)通訊功能進行測試。結(jié)果顯示ZigBee終端設(shè)備和路由器上電后能正常加入ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，當ZigBee終端設(shè)備和路由設(shè)備因為異常原因而離開ZigBee網(wǎng)絡(luò)時，ZigBee協(xié)調(diào)器能判斷出有節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以正常進行數(shù)據(jù)傳輸，家居智能網(wǎng)關(guān)可以和ZigBee網(wǎng)絡(luò)中任何一個節(jié)點進行數(shù)據(jù)通信。

對傳動控制模塊進行測試。主要是對電機每轉(zhuǎn)一周窗戶開關(guān)的距離S1，與在不同頻率f下控制信號控制電機行進距離達到S2（取10組不同頻率，每組測試10次取平均值），記錄每次所用時間T1和理論時間T2進行比較得到測試數(shù)據(jù)如表1。

表1　測試數(shù)據(jù)

結(jié)果表明，ZigBee模塊和紅外遙感可實現(xiàn)對窗戶的控制，測試數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)基本相符，同時報警功能完備，測試結(jié)果達到理想要求。

5　結(jié)論

本文主要研究了一種基于支持ZigBee協(xié)議的CC2530微處理器的智能窗系統(tǒng)。綜合利用現(xiàn)代通訊技術(shù)，傳感器技術(shù)，自動控制技術(shù)，對硬件電路合理搭建，在VC++6.0基礎(chǔ)上進行軟件設(shè)計，完成了智能窗系統(tǒng)的內(nèi)部組網(wǎng)并依托互聯(lián)網(wǎng)與手機進行遠程通訊，實現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)中窗戶的自動控制和遠程監(jiān)控，賦予窗戶更好的節(jié)能和智能作用，有效增強了家居環(huán)境的舒適性和安全性。本系統(tǒng)組網(wǎng)靈活，安裝方便，更重要的是智能化指數(shù)較高，在未來將有很好的應用前景。

［1］崔斌，韓峻峰，梁晉昌.基于嵌入式系統(tǒng)的智能門窗設(shè)計［J］.嵌入式技術(shù)，2010（06）：78-80.

［2］周顯恩.基于ZigBee技術(shù)的人臉識別智能家居系統(tǒng)的研究與設(shè)計［D］.東華理工大學，2010.

［3］楊璐，劉寶棟，王銀濤.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)門窗聯(lián)動設(shè)計與實現(xiàn)［J］.實驗室研究與探索，2013，32（08）：297-300.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.056

河北省保定市科技局，科技攻關(guān)計劃項目，項目編號15ZG037。

陳淑春（1979-），女，碩士研究生，研究方向：自動控制與檢測技術(shù)。