基于ZigBee/SCS智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

智能家居是以住宅為平臺(tái)安裝有智能家居系統(tǒng)的居住環(huán) 境。在智能家居系統(tǒng)中安防監(jiān)控技術(shù)在可視對(duì)講，防盜報(bào)警, 家庭監(jiān)控，小區(qū)一卡通等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。根據(jù)不同的 家庭建筑情況，智能家居系統(tǒng)可采取不同的家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，對(duì) 于已經(jīng)裝修過的建筑可以采取無線自動(dòng)控制系統(tǒng)，而未裝修 的建筑，可以采取無線與有線相結(jié)合的控制方法，這樣彌補(bǔ) 了無線不穩(wěn)定等問題。

1系統(tǒng)構(gòu)建概述

安防監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)針對(duì)非法闖入、火災(zāi)險(xiǎn)情、煤氣泄 漏、水管泄漏、電路故障等危險(xiǎn)狀況進(jìn)行緊急求助與報(bào)警。 該安防監(jiān)控系統(tǒng)重點(diǎn)闡述三個(gè)設(shè)計(jì)：ZigBee/SCS智能網(wǎng)關(guān), ZigBee無線家庭網(wǎng)絡(luò)以及安防終端設(shè)計(jì)。ZigBee/SCS智能網(wǎng) 關(guān)連接ZigBee無線和SCS總線系統(tǒng)，可以使無線控制器控制 SCS總線設(shè)備。ZigBee無線家庭網(wǎng)絡(luò)是無線局域網(wǎng)，主要由 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)組成。用戶通過無線網(wǎng)絡(luò) 把查詢和控制信息發(fā)送給智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)對(duì)接收到的信 息進(jìn)行處理，進(jìn)而發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器根據(jù)接收的信息地址, 最終把指令信息發(fā)送給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居系 統(tǒng)的安防監(jiān)測(cè)。此外,ZigBee/SCS智能網(wǎng)關(guān)具有語音識(shí)別單元, 通過語音識(shí)別功能可以實(shí)現(xiàn)智能家居設(shè)備的語音控制。圖1為 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)是該系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)，是外網(wǎng)和家庭內(nèi) 部ZigBee網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是基于SCS協(xié)議的 ZigBee/SCS智能網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)主要接收采集節(jié)點(diǎn)，安防節(jié)點(diǎn)， 控制節(jié)點(diǎn)傳輸過來的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)對(duì)外網(wǎng)傳來 的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)以及傳遞采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，把SCS協(xié)議 或ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換到TCP協(xié)議。該ZigBee/SCS智能網(wǎng)關(guān)可 以連接到ZigBee無線系統(tǒng)和SCS總線系統(tǒng)，在智能家居實(shí) 際實(shí)施過程中，在該網(wǎng)關(guān)的作用下，可以實(shí)現(xiàn)無線電控制器控 制結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)(SCS)執(zhí)行器，同時(shí)結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)(SCS) 控制器能夠控制無線電ZigBee調(diào)光器開關(guān)。

網(wǎng)關(guān)的硬件電路主要有7個(gè)部分組成，分別是控制器 模塊ARM9處理器，64 MB的存儲(chǔ)單元NAND FLASH和 64 MB SDRAM，ZigBee 模 塊(ZigBee 協(xié)調(diào)器 CC2530), LCD顯示模塊，JTAG調(diào)試接口模塊以及SCS/BUS接口模塊。

安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的核心是控制器的選擇，該設(shè)計(jì)選擇ARM9芯片(S3C2440A)作為主控制器，它是以ARM920T為核心的RISC微處理器。該處理器集成了外部存儲(chǔ)控制器, 中斷控制器，LCD控制器，DMA控制器，時(shí)鐘和電源管理等 豐富資源。同時(shí)，通過外擴(kuò)存儲(chǔ)器，串口，JTAG調(diào)試接口和 SCS/SCS接口等構(gòu)成硬件開發(fā)平臺(tái)。

SCS-BUS是指結(jié)構(gòu)化布線/總線系統(tǒng)，SCS （Sistema Cablaggio Semplificato，簡(jiǎn)化布線系統(tǒng)）是一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議，目前在Bticino和羅格朗得到廣泛的應(yīng)用。SCS總線基 于護(hù)套雙絞線，可以調(diào)制4種不同的信號(hào)：電力供應(yīng)信號(hào)、數(shù) 據(jù)信號(hào)、音頻信號(hào)、視頻信號(hào)。其傳輸控制協(xié)議是CSMA/CA載 波偵聽/碰撞避免）。該網(wǎng)關(guān)是雙向的，他們將SCS幀轉(zhuǎn)化為 OpenWebNet幀，相反，開放協(xié)議OpenWebNet讓大家來構(gòu)建 軟件與SCS interact設(shè)備。SCS協(xié)議是一種專有Bticino協(xié)議。 與其他現(xiàn)場(chǎng)總線交互必須僅使用OpenWebNet編寫軟件。

ZigBee模塊選擇CC2530作為射頻收發(fā)器，完成與主控 制器之間的數(shù)據(jù)通信。CC2530芯片是2.4 GHz的片上系統(tǒng)， 建立在基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議上面，或是專門的網(wǎng)絡(luò)協(xié) 議上面。CC2530模塊大致可以分為CPU和內(nèi)存相關(guān)的模塊, 外設(shè)、時(shí)鐘和電源管理相關(guān)的模塊，無線電相關(guān)的模塊。此外, CC2530提供了一個(gè)IEEE 802.15.4兼容無線收發(fā)器，RF內(nèi)核 控制模擬無線模塊。

系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)部分，主控制器通過串口與無線收發(fā)模塊 CC2530連接，同時(shí)對(duì)無線模塊進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，并對(duì)采集節(jié) 點(diǎn)，安防節(jié)點(diǎn)，控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息接收與處理。有線設(shè)計(jì)部分, 實(shí)在網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)外擴(kuò)一個(gè)SCS接口，實(shí)現(xiàn)與終端設(shè)備的連接， 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傳輸數(shù)據(jù)，主控機(jī)根據(jù)接收到的信息進(jìn)行控制。 2.2協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的根本是充當(dāng)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁，每個(gè)網(wǎng) 絡(luò)必須有一個(gè)協(xié)調(diào)器，可以存儲(chǔ)其所屬網(wǎng)絡(luò)的信息，并且充當(dāng) 安全鍵的保險(xiǎn)裝置。該系統(tǒng)中ZigBee/SCS網(wǎng)關(guān)的協(xié)調(diào)器必須 是ZigBee協(xié)調(diào)器。

本系統(tǒng)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)選擇無線片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)的CC2530射頻 芯片作為ZigBee芯片，該芯片集成了系統(tǒng)所需要的一般基本 電路，只需設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的外圍電路就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無線收發(fā) 功能。圖3為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖。

2.3終端硬件電路設(shè)計(jì)

安防監(jiān)控報(bào)警模塊通過布置在室內(nèi)外的安防傳感器來探 測(cè)警報(bào)事件，由智能家居管理終端向用戶和小區(qū)保安系統(tǒng)發(fā)出 報(bào)警信息。安防傳感器主要有門磁、窗磁、煤氣泄露傳感器、 煙霧傳感器、紅外探頭等。

采用的技術(shù)路線：無線部分采用ZigBee芯片作為安防傳 感器的執(zhí)行器，安防傳感器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與智能家居 管理終端的通信。有線部分智能家居管理終端可以通過SCS 口連接來實(shí)現(xiàn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備定時(shí)上傳安防傳感 器的參數(shù)，通過智能家居管理終端可以查詢安防傳感器的工 作狀態(tài)和警報(bào)信息。圖4為安防監(jiān)控系統(tǒng)終端管理硬件結(jié)構(gòu)圖。

控制器S3C2440A核心板是智能家居管理終端的中央 控制器，負(fù)責(zé)分析處理各功能模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并作出相應(yīng) 的決策來實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。底板上的電源和復(fù) 位模塊負(fù)責(zé)為核心板和各功能模塊提供工作電壓，復(fù)位電路 使管理終端穩(wěn)定可靠的工作。下載調(diào)試接口負(fù)責(zé)智能家居管 理終端軟件操作系統(tǒng)的定制、安裝和應(yīng)用程序的下載調(diào)試。 ZigBee模塊作為協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與各種 智能家電和安防傳感器之間的通信。SD卡可以作為事件記錄。 監(jiān)控設(shè)備可以是多個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭，通過網(wǎng)線與路由器相連接, 在對(duì)其進(jìn)項(xiàng)相關(guān)設(shè)置。LCD觸摸顯示屏和音頻模塊組合可以 實(shí)現(xiàn)家居安防里的可視對(duì)講分機(jī)的功能。智能家居管理終端 本地控制的功能是通過LCD觸摸顯示屏來實(shí)現(xiàn)的。WiFi模塊、 GPRS模塊和SCS模塊使智能家居管理終端可以通過無線和 有線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)音頻視頻圖像傳輸和遠(yuǎn)程控制。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)主要程序設(shè)計(jì)

安防監(jiān)控網(wǎng)關(guān)連接外網(wǎng)和家庭內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行不 同的協(xié)議轉(zhuǎn)換，確保不同的網(wǎng)絡(luò)之間能夠正常通信。在本系 統(tǒng)中ZigBee/SCS智能網(wǎng)關(guān)把SCS協(xié)議或ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議。采集節(jié)點(diǎn)將監(jiān)控的信息進(jìn)行打包處理，包括該 節(jié)點(diǎn)的地址信息與檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息，無線部分以ZigBee幀 的方式發(fā)送給ZigBee/SCS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，有線部分將SCS幀轉(zhuǎn)化 為OpenWebNet幀，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到信息后，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行 處理，接著再以以TCP/IP協(xié)議進(jìn)行打包處理。圖5為安防監(jiān) 控網(wǎng)關(guān)主程序流程圖。

在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，首先對(duì)硬件進(jìn)行上電操作，啟動(dòng) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Linux，同時(shí)對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行初始化。安防監(jiān) 控網(wǎng)關(guān)起初是處于監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)過來時(shí), 將進(jìn)入中斷處理狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)來自ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，貝収對(duì) 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)顯示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行存儲(chǔ)打包發(fā)給外網(wǎng)， 最終回到監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。如果數(shù)據(jù)是SCS數(shù)據(jù)，則執(zhí)行指令 信息，把安防監(jiān)測(cè)信息發(fā)送給主機(jī)，與ZigBee數(shù)據(jù)信息一樣, 最終回歸到監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

3.2 ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)能夠成功通信的條件是協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)建立的新網(wǎng)絡(luò) 在可用的信道上，即空閑信道上。圖6為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)設(shè)計(jì) 主程序流程圖。首先對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行上電操作，硬件進(jìn)行初始化， 同時(shí)要求協(xié)議棧進(jìn)行初始化。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)通過掃描捜索可用信道 嘗試建立新的網(wǎng)絡(luò)。在射頻單元捜索過程中，如果有任何一 個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)在該信道上，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)將認(rèn)為該信道已經(jīng)被占 用，為不可用信道。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)將重復(fù)此過程直到捜索到可用信 道。成功建立新的網(wǎng)絡(luò)后，節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。當(dāng)終端 節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求時(shí)，將產(chǎn)生中斷，判斷是否為安防監(jiān)測(cè)終端 數(shù)據(jù)，如果是將進(jìn)行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與處理，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)最終回 歸于監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。

3.3安防監(jiān)控終端入網(wǎng)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)需要完成兩項(xiàng)工作，一是網(wǎng)絡(luò)之間的通信，二 是對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行操作。在終端節(jié)點(diǎn)中，采集節(jié)點(diǎn)需要采集家 庭安防數(shù)據(jù)信息，再發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接收處理發(fā)送給 它的查詢信息?？刂乒?jié)點(diǎn)在接收到控制命令后對(duì)家電進(jìn)行控制, 同時(shí)也要完成射頻信息接收的工作，這要求設(shè)備操作與網(wǎng)絡(luò)通 信之間建立連接。安防節(jié)點(diǎn)相對(duì)簡(jiǎn)單一些，只需要在規(guī)定的 時(shí)間內(nèi)進(jìn)行安防數(shù)據(jù)采集與發(fā)送。進(jìn)行終端節(jié)點(diǎn)操作時(shí)已經(jīng) 確定終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)了，因此，終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行上電操作與系統(tǒng) 初始化后，開始捜尋ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，直至確認(rèn)無線網(wǎng)絡(luò)所 載的信道，否則將重復(fù)進(jìn)行捜尋過程。申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)成 功后，終端節(jié)點(diǎn)將進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)與接收命令。

4結(jié)語

設(shè)計(jì)的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)是針對(duì)家庭住宅未裝修的 情況，它采取無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)安防 監(jiān)控功能。該系統(tǒng)是以ARM9為硬件平臺(tái)，Linux為實(shí)時(shí)操 作系統(tǒng)，SCS協(xié)議為智能家居總線協(xié)議，ZigBee/SCS為智能 網(wǎng)關(guān)，將家庭內(nèi)部無線傳感采集節(jié)點(diǎn)采集的安防數(shù)據(jù)信息發(fā) 送到控制主機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非法闖入，火災(zāi)險(xiǎn)情，電路故障等 狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該設(shè)計(jì)可以使安防監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)獲得穩(wěn)定的 網(wǎng)絡(luò)通信，同時(shí)該系統(tǒng)在實(shí)際布線過程中可實(shí)現(xiàn)無線電控制器 與SCS(結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng))執(zhí)行器的相互控制，對(duì)智能家居系 統(tǒng)的發(fā)展與建設(shè)有重要的意義。

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