李進(jìn)山，趙金才，都曉鵬，梁峰

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基于ZigBee組網(wǎng)的智能家居安防系統(tǒng)

李進(jìn)山，趙金才通信作者，都曉鵬，梁峰

（天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384）

利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)內(nèi)部控制節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款智能家居安防系統(tǒng)。采用紅外熱釋電傳感器探測(cè)是否有人入侵，采用煙霧、燃?xì)獾葌鞲衅鳈z測(cè)室內(nèi)環(huán)境，如煙霧、一氧化碳等參數(shù)，通過(guò)ZigBee無(wú)線組網(wǎng)將各傳感器信號(hào)匯總于主控制器，主控制器根據(jù)控制策略判斷是否啟動(dòng)電話報(bào)警、開(kāi)閉窗戶(hù)等動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)家庭防盜、防火等安防功能。

ZigBee；智能家居；安防

近年來(lái)，隨著信息化程度的提高，生活節(jié)奏的不斷加快，人們對(duì)家居智能化有了全新的認(rèn)識(shí)和更多的需求，如外出期間想及時(shí)掌握家中老人、孩子的狀況；長(zhǎng)期在外時(shí)想知道自己家中是否安全等。隨著科技的迅速發(fā)展以及智能家居概念的興起，這些功能正被逐步實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，市場(chǎng)上不斷出現(xiàn)各種類(lèi)型的智能家居設(shè)備，但大都價(jià)格昂貴，并且多采用WiFi建立無(wú)線局域網(wǎng)傳輸信息，不僅功耗大、抗干擾能力差，而且安全性差；而采用ZigBee技術(shù)，功耗小、安全可靠，并且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、體積小、使用電池就可長(zhǎng)時(shí)間工作，由于這些優(yōu)勢(shì)，ZigBee技術(shù)日益受到人們的青睞和關(guān)注。本文應(yīng)用ZigBee技術(shù)對(duì)家庭內(nèi)部電器、多點(diǎn)煙霧監(jiān)測(cè)以及入侵監(jiān)測(cè)等進(jìn)行了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組建，實(shí)現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)的安防功能。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、ZigBee模塊（協(xié)調(diào)器和終端模塊）、控制電源模塊、GSM模塊、LCD顯示模塊、一氧化碳傳感器、煙霧、紅外熱釋電等傳感器模塊，整個(gè)系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

ZigBee終端是將ZigBee終端模塊嵌入到家電控制器中并具有ZigBee協(xié)議的模塊。本系統(tǒng)中ZigBee終端模塊包括家電開(kāi)關(guān)模塊、各傳感器模塊，終端執(zhí)行模塊幾種類(lèi)型。ZigBee終端各節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器通訊，協(xié)調(diào)器再與單片機(jī)進(jìn)行信息交流，完成數(shù)據(jù)采集和控制信息的接收和發(fā)送。終端節(jié)點(diǎn)有一氧化碳傳感器、煙霧傳感器、紅外熱釋電傳感器和智能插座。以此對(duì)家庭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和防火、防盜。

2 硬件設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器與單片機(jī)的通訊、家庭內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的ZigBee無(wú)線組網(wǎng)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，經(jīng)過(guò)查閱大量的資料和參考文獻(xiàn)[1-3]相關(guān)知識(shí)，對(duì)ZigBee無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)的硬件和原理進(jìn)行了深入研究和設(shè)計(jì)。

2.1 單片機(jī)的選型

本系統(tǒng)中ZigBee模塊和GSM模塊都是串行通訊方式，為了滿(mǎn)足系統(tǒng)的硬件需求選用STC15F2K60S2單片機(jī)作為主控機(jī)。該型號(hào)單片機(jī)是一種增強(qiáng)型8051單片機(jī)，工作電壓為5 V，有兩個(gè)獨(dú)立的全雙工異步串行通訊口，并且處理速度是傳統(tǒng)8051單片機(jī)的8～12倍。60 K的程序存儲(chǔ)空間，提供了足夠大的存儲(chǔ)空間和擴(kuò)展空間，1～53 KB的Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（EEPROM），有42根輸入輸出（I/O口）線，提供了更多的 I/O口資源，滿(mǎn)足了與外圍設(shè)備連接和擴(kuò)展資源的要求。

2.2 ZigBee模塊

ZigBee技術(shù)[4]是一種低功耗、低成本、短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。專(zhuān)注于低速率控制傳輸，具有延時(shí)短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全可靠等優(yōu)勢(shì)。較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充性，通訊頻率采用2.4 GHz頻段，有效覆蓋面積在200 m以?xún)?nèi)，完全滿(mǎn)足普通家庭的使用需求。

本系統(tǒng)選用的ZigBee模塊是以主芯片CC2530為核心，以串口方式（P0.2是RX，P0.3是TX）通訊的集成模塊。CC2530芯片使用的是一個(gè)單周期8051兼容內(nèi)核微處理器，具有代碼預(yù)取功能、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)越性能，工作電壓為2.0～3.7 V。單片機(jī)與ZigBee通過(guò)串口通信，只需要將單片機(jī)串口與CC2530串口反接即可。

2.2.1 ZigBee協(xié)調(diào)器

本系統(tǒng)以ZigBee協(xié)調(diào)器為核心組建家庭內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[5]，其功能有以下幾點(diǎn)：①協(xié)調(diào)器通過(guò)串口與主控中心之間進(jìn)行信息交換；②建立和維護(hù)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，檢測(cè)并糾正網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤；③負(fù)責(zé)主控中心單片機(jī)與ZigBee終端模塊的通訊，把主控中心的命令發(fā)送給終端模塊以及將終端模塊的信息回傳給主控中心。

2.2.2 ZigBee 終端設(shè)備開(kāi)關(guān)電路

開(kāi)關(guān)電路采用ZigBee智能開(kāi)關(guān)控制終端設(shè)備[6]。ZigBee終端模塊連接用電器的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)電源開(kāi)關(guān)輸出端口的高低電平來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器的動(dòng)作，進(jìn)而控制用電器的啟閉，電路原理如圖2所示。其中L、N輸入端為220 V的交流電輸入端口，其另一端L，N為220 V交流輸出端。當(dāng)電源端口輸出高電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，繼電器吸合，用電器接通。當(dāng)輸出低電平時(shí)，三極管Q1關(guān)斷，繼電器斷開(kāi)，用電器電路關(guān)閉。

圖2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路

2.3 ZigBee終端模塊傳感器

2.3.1 一氧化碳傳感器

本文采用MQ-9一氧化碳?xì)怏w傳感器監(jiān)測(cè)煤氣泄漏。MQ-9氣體傳感器采用高低溫循環(huán)檢測(cè)方式，低溫（1.5 V加熱）檢測(cè)一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，高溫（5.0 V加熱）檢測(cè)可燃?xì)怏w甲烷、丙烷并清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-9氣體傳感器對(duì)一氧化碳、甲烷、液化氣的靈敏度極高，可檢測(cè)多種含一氧化碳及可燃性成分的氣體，而且價(jià)格便宜，功耗較低。

MQ-9傳感器是一款電壓型傳感器。通過(guò)搭建外圍電路引出模擬電壓輸出端、TTL電平輸出端、VCC、GND。將模擬電壓輸出端與CC2530的P1.3引腳相連即可，工作電壓為5 V，電路如圖3所示。

圖3 一氧化碳傳感器電路圖

2.3.2 煙霧傳感器

MQ-2是一款電壓型傳感器，有4個(gè)引腳VCC、GND、TTL電平輸出端、模擬電壓輸出端；將模擬電壓輸出端與CC2530的P1.4引腳相連即可。選用MQ-2電壓型煙霧檢測(cè)傳感器，其工作電壓5 V，開(kāi)關(guān)信號(hào)TTL輸出和模擬信號(hào)輸出，可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款多種應(yīng)用、高靈敏度、低成本、小體積的傳感器，其工作原理與MQ-9類(lèi)似。

2.3.3 防盜傳感器

防盜傳感器選用深圳育松公司生產(chǎn)的RE200B-P人體紅外熱釋電傳感器。該傳感器能將燈光、陽(yáng)光以及其他紅外輻射拒之門(mén)外，防止小動(dòng)物干擾、抗電磁干擾、誤報(bào)率低，檢測(cè)距離在6 m左右。此外該傳感器具有檢測(cè)角度大、靈敏度高、響應(yīng)速度快、功耗低、隱蔽性強(qiáng)，并且不受周?chē)h(huán)境干擾等特點(diǎn)。RE200B-P傳感器只有3個(gè)引腳VCC、GND、OUT，把OUT引腳與ZigBee終端模塊的P1.2引腳連接即可使用，硬件電路連接簡(jiǎn)單。

3 電話報(bào)警模塊

電話報(bào)警采用SIM900A成品GSM模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)短信收發(fā)與語(yǔ)音通信功能。通過(guò)高速異步串行接口與單片機(jī)相連，單片機(jī)通過(guò)RS232串口與GSM模塊通信，使用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令來(lái)控制GSM模塊實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線通信功能。模塊的TXD與單片機(jī)的RXD（P3.7）相連，RXD與單片機(jī)TXD（P3.6）相連。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用ZigBee建立家庭內(nèi)部無(wú)線組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備的通訊。利用GSM模塊實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，通過(guò)協(xié)調(diào)器把節(jié)點(diǎn)信息、事故情況傳送并保存到單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)GSM模塊發(fā)送給戶(hù)主。系統(tǒng)由單片機(jī)、ZigBee模塊、熱釋電紅外檢測(cè)、煙霧檢測(cè)等多節(jié)點(diǎn)組成。ZigBee模塊使用了TI公司發(fā)表的協(xié)議棧，它是基于IEEE802.15.4b的C語(yǔ)言開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧，使用簡(jiǎn)單方便。本系統(tǒng)控制流程圖如圖4所示。ZigBee終端設(shè)備傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控家庭狀況，ZigBee終端處于間斷休眠模式，每隔設(shè)定的時(shí)間，協(xié)調(diào)器發(fā)送命令給終端，終端將采集到的信息回傳給協(xié)調(diào)器進(jìn)行分析，如果數(shù)據(jù)超出閾值，協(xié)調(diào)器發(fā)送命令控制終端的執(zhí)行設(shè)備并把信息回傳給單片機(jī)。例如當(dāng)煙霧傳感器檢測(cè)到煙霧出現(xiàn)時(shí)，終端將煙霧值回傳給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器分析煙霧濃度是否大于設(shè)定的閾值，若大于閾值則直接控制終端設(shè)備（噴水頭的電磁閥）并把信息傳給單片機(jī)發(fā)送短信或打電話通知用戶(hù)。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

5 系統(tǒng)實(shí)物驗(yàn)證

本系統(tǒng)的實(shí)物如圖5所示，終端1和終端2連接各自的傳感器，終端3連接繼電器通過(guò)繼電器控制電磁閥。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的功能，在系統(tǒng)上電后，人體接近終端2紅外熱釋電傳感器的探測(cè)范圍，系統(tǒng)檢測(cè)出人員入侵并通過(guò)短信方式給設(shè)定號(hào)碼進(jìn)行報(bào)警，如圖6所示。

圖5 智能家居安防系統(tǒng)實(shí)物圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文基于ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能家居的無(wú)線組網(wǎng)，采用STC15F2K60S2單片機(jī)、ZigBee模塊、GSM模塊以及多種傳感器，實(shí)現(xiàn)了煤氣、煙霧等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)ZigBee終端信息自動(dòng)控制相關(guān)用電設(shè)備；為了防止家庭財(cái)物被盜，利用人體紅外熱釋電傳感器實(shí)現(xiàn)家居入侵的監(jiān)測(cè)及報(bào)警功能。本系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，具備節(jié)能、可靠、安全、低成本、覆蓋面積大等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)方便增加新節(jié)點(diǎn)，可擴(kuò)充性強(qiáng)。本研究?jī)?nèi)容對(duì)于智能化家居設(shè)備及系統(tǒng)的研發(fā)具有較強(qiáng)的借鑒意義。

[1] 胡靜. 基于ZigBee和GSM技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D]. 寧波：寧波大學(xué)，2013.

[2] 張亮. 基于ZigBee技術(shù)的智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D]. 武漢：武漢科技大學(xué)，2009.

[3] 王娟. 基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 撫州：東華理工大學(xué)，2013.

[4] 戴敏，王宜懷，潘啟勇. 基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21（3）：706-710.

[5] 俞之俊，凌志浩. 一種物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究[J]. 自動(dòng)化儀表，2011（8）：56-59.

[6] 楊祥，張遠(yuǎn)翼. 基于ZigBee的智能家庭系統(tǒng)控制終端設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（1/3）：126-128.

責(zé)任編輯：楊霞

Smart Home Security System Based on ZigBee Networking

LI Jin-shan, ZHAO Jin-caiCorresponding Author, DU Xiao-peng, LIANG Feng

（College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

Using ZigBee technology, the network of internal control node was achieved in smart home system. On this basis, a smart home security system was designed. The infrared hydroelectric sensor was used to detect whether there is a human intrusion. The smoke and gas sensor was used to detect the indoor environment, such as smoke, carbon monoxide and other parameters. Through the ZigBee wireless network, the signals of each sensor in this system were gathered into the main controller. According to the control strategy, the control decision was made by main controller, such as whether to activate the phone alarm, opening and closing windows and other actions. In this way, the anti-theft and fire prevention functions of smart home were achieved.

ZigBee; smart home; security

1008-5394（2017）01-0066-03

TH89；TP368.2

A

2016-03-20

天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于ZigBee與APP技術(shù)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)”（201510061083）

李進(jìn)山（1992-），男，寧夏中衛(wèi)人，本科在讀，主要從事測(cè)控技術(shù)與儀器方面的研究。E-mail：787327686@qq.com。

趙金才（1976-），男，河北冀州人，副教授，博士，主要從事檢測(cè)與控制方向研究。E-mail：jcz602@163.com。