張 瀚，姜丕杰，羅浩然，黃 穩(wěn)

（遼寧工業(yè)大學(xué)，錦州 121001）

伴隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是在計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和傳感器技術(shù)方面的發(fā)展，徹底改變了人類的傳統(tǒng)的生活、生產(chǎn)方式[1]。傳統(tǒng)的家居安防系統(tǒng)概念已經(jīng)徹底的被顛覆了。目前國(guó)內(nèi)外的智能家居安防系統(tǒng)大多數(shù)采用有線方式布局，存在布線麻煩、控制效率低、維護(hù)困難等問(wèn)題[2]。結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對(duì)目前智能家居安防系統(tǒng)存在的問(wèn)題，本文提出一個(gè)更加完善的智能家居安防系統(tǒng)方案。

所謂安防系統(tǒng)，就是有一個(gè)快速、有效、連動(dòng)的防火、防盜、防爆的治安體系，同時(shí)要求家庭、社區(qū)管理中心及其有關(guān)單位部門都能及時(shí)獲得相關(guān)信息并采取相應(yīng)措施能夠及時(shí)、安全處理相應(yīng)的事件。具有緊急事件求救中心及其他的便利服務(wù)體系。這些都要求家庭不再是一個(gè)孤立的場(chǎng)所，而是一個(gè)能與外界進(jìn)行信息交流的單元。智能家居網(wǎng)絡(luò)是指運(yùn)用一定的傳輸介質(zhì)，將家庭中的電子設(shè)備及電子系統(tǒng)連接在一起，使用統(tǒng)一的通信協(xié)議，使內(nèi)部的資源得以控制，對(duì)外可以進(jìn)行信息互換的一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。本文通過(guò)采用ZigBee無(wú)線通訊模塊實(shí)現(xiàn)智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 安防控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，基于ZigBee的無(wú)線通訊系統(tǒng)，微機(jī)控制處理系統(tǒng)，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。傳感器檢測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)家庭環(huán)境的安全數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集。采集的數(shù)據(jù)包括易燃易爆氣體濃度的采集；發(fā)生火災(zāi)的煙霧濃度數(shù)據(jù)的采集；外人非法入侵的數(shù)據(jù)采集；還有就是家里的通電線路的電流是否過(guò)載的數(shù)據(jù)采集。采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線通訊模塊發(fā)送到主控制器上。ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊是傳感器系統(tǒng)與主控制器的數(shù)據(jù)通信紐帶。通過(guò)ZigBee無(wú)線通信模塊可以解決有線通信的問(wèn)題。微機(jī)控制處理系統(tǒng)模塊作為整個(gè)智能家居安防系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算的核心。主要是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算分析。如果采集的數(shù)據(jù)超過(guò)警戒值，及時(shí)報(bào)警，并且將數(shù)據(jù)上報(bào)到小區(qū)安防系統(tǒng)以及用戶的手機(jī)終端。報(bào)警信息得到有效的處理后，解除警報(bào)。

2 安防控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

安防系統(tǒng)包括可燃?xì)怏w的檢測(cè)，火災(zāi)的檢測(cè)，外人入侵的檢測(cè)等三部分。根據(jù)各自檢測(cè)特點(diǎn)選擇相應(yīng)的傳感器模塊。傳感器模塊包括傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、ZigBee無(wú)線傳輸模塊。傳感器能夠按照實(shí)際的需要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確將相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成需要的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸系統(tǒng)上傳到微處理器。本系統(tǒng)主要是進(jìn)行家庭的安防系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，對(duì)于可燃?xì)怏w的檢測(cè)主要是燃?xì)獾臋z測(cè)，根據(jù)燃?xì)獾某煞忠蕴烊粴鉃橹鬟x擇傳感器模塊；火災(zāi)是家庭最容易發(fā)生的事故，一旦有火災(zāi)除了人身的傷亡，還有家庭的財(cái)產(chǎn)損失，所以做好防火檢測(cè)尤為重要。為了避免火災(zāi)檢測(cè)的出現(xiàn)錯(cuò)誤，需要同時(shí)進(jìn)行溫度和煙霧兩項(xiàng)檢測(cè)，溫度升高不代表會(huì)有火災(zāi)發(fā)生，煙霧也是火災(zāi)的重要指標(biāo)。對(duì)于家庭的外人非法入侵，主要是通過(guò)紅外檢測(cè)，在人能通過(guò)的地方安置相應(yīng)的傳感器，準(zhǔn)確確定外人的非法入侵。傳感器模塊的功能就是實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確檢測(cè)到家具中不安全因素，并且能夠及時(shí)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿C(jī)系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)采用ZigBee作為無(wú)線通信模塊。通信電路如圖2所示。ZigBee技術(shù)是一種新興的近距離無(wú)線通信技術(shù)。它是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞，根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，用以實(shí)現(xiàn)在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間互相協(xié)調(diào)的通信[3]。ZigBee具有功耗低、傳輸速率低等特點(diǎn)，還可以在設(shè)備閑暇時(shí)期進(jìn)入休眠狀態(tài)，僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以使ZigBee連續(xù)工作半年時(shí)間[4]。除此之外，ZigBee的通信響應(yīng)時(shí)間非常短，僅為30ms左右[4]。

本系統(tǒng)中的ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊采用2.4GHz的射頻芯片CC2530。CC2530。的核心由CC2530單片機(jī)、ADDA轉(zhuǎn)換器、射頻天線接收模塊、晶振以及I/O擴(kuò)展接口模塊。通過(guò)采用ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)傳感器模塊與主控制模塊完美通訊。很好的解決了家居環(huán)境因?yàn)榻泳€的問(wèn)題是室內(nèi)雜亂無(wú)章，不用在考慮如何布線的問(wèn)題，是室內(nèi)美觀整潔。

圖2 通信電路

從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面上看，ZigBee技術(shù)支持的網(wǎng)絡(luò)形式有星狀、樹(shù)狀和網(wǎng)狀三種。在本系統(tǒng)中采用了星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式。星狀網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)PAN協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端設(shè)備組成[5]。本設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)本身就是PAN協(xié)調(diào)器。能夠在第一次激活的時(shí)候，激活所有的設(shè)備的功能，自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)。

3 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件程序包含三個(gè)部分：傳感器模塊數(shù)據(jù)采集子程序、ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)子程序、微控制器控制程序。傳感器作為數(shù)據(jù)采集的終端，將采集的信息通過(guò)無(wú)線通訊傳送到上位機(jī)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，如果超過(guò)設(shè)定的閾值，就報(bào)警。及時(shí)通知用戶采取相應(yīng)的措施，避免造成更大的損失。

數(shù)據(jù)采集終端的程序流程圖如圖3所示。傳感器采集板上電后各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，網(wǎng)絡(luò)接口是開(kāi)放的，如果有需要新的傳感器模塊加入，可以通過(guò)ZigBee通訊模塊自動(dòng)重新組網(wǎng)。這種開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)，有利于檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的增加，使用靈活，再設(shè)計(jì)的優(yōu)化上更能體現(xiàn)其易組網(wǎng)的特點(diǎn)。數(shù)據(jù)之間的通信以上微機(jī)為主，應(yīng)用應(yīng)答式。當(dāng)上位機(jī)向某一模塊要數(shù)據(jù)時(shí)，該模塊接受命令將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，如果沒(méi)有接收到命令，該模塊處于休眠狀態(tài)。上位機(jī)模塊向傳感器模塊發(fā)送指令需要數(shù)據(jù)，傳感器模塊通過(guò)ZigBee無(wú)線通訊傳輸數(shù)據(jù)。如果沒(méi)有接收到指令，數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)入低功耗狀態(tài)，等待下一次查詢指令。

ZigBee無(wú)線通訊模塊接收發(fā)送數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的流程圖如圖4所示。無(wú)線通訊模塊上電后先進(jìn)性初始化，判斷系統(tǒng)有多少個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行自動(dòng)組網(wǎng)。無(wú)線通訊模塊根據(jù)上位機(jī)的指令向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，下位機(jī)將采集的數(shù)據(jù)上傳，上位機(jī)將接收得到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，并顯示。

上位機(jī)控制處理器的流程圖如圖5所示。作為上微機(jī)，系統(tǒng)上電后進(jìn)行相應(yīng)的初始化。通過(guò)系統(tǒng)自檢，判斷系統(tǒng)是否正常，沒(méi)有發(fā)生異常的情況下，上位機(jī)通過(guò)無(wú)線模塊向下微機(jī)發(fā)送指令，每個(gè)下位機(jī)根據(jù)指令上傳對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，包括，外來(lái)入侵，火災(zāi)，可燃?xì)怏w的濃度。下位機(jī)將數(shù)據(jù)上傳。控制器根據(jù)得到的數(shù)據(jù)和設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，如果有異常就及時(shí)報(bào)警。并且在LCD屏上進(jìn)行顯示。用戶根據(jù)報(bào)警采取相應(yīng)的措施解除警報(bào)。上位機(jī)的主要功能就是將接受到的數(shù)據(jù)顯示、判斷、報(bào)警。

圖3 傳感器終端節(jié)點(diǎn)程序流程

圖4 ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊

圖5 微控制器程序流程

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)智能家居安防系統(tǒng)的控制特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以STM32F4處理器為核心的只能家居安防控制系統(tǒng)?；赯igBee的智能家居安防系統(tǒng)具有低功耗、高可靠性、大網(wǎng)絡(luò)容量、低數(shù)據(jù)速率等特點(diǎn)，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(shè)、維護(hù)和更新升級(jí)的問(wèn)題。系統(tǒng)通過(guò)芯片CC2530實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)，采用多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)對(duì)室內(nèi)可燃?xì)怏w，人員入侵等進(jìn)行探測(cè)。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明，基于ZigBee技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)各終端節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，在通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能家居的管理平臺(tái)，即上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居安全防范的檢測(cè)和報(bào)警。