基于ZigBee的智能安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

智能安防系統(tǒng)是指利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、移動(dòng)通信、綜合布線技術(shù)將與安防系統(tǒng)有關(guān)的各種子系統(tǒng)結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理使安防變得更加智能、安全。Android 軟件的出現(xiàn)， 讓系統(tǒng)有了可視化的操作界面，使智能安防系統(tǒng)更加人性化。ZigBee 技術(shù)具有功耗低、成本低、能夠自組織組網(wǎng)等優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)利用Android 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于 ZigBee 的智能安防系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本智能安防系統(tǒng)主要由手機(jī)、Android 手機(jī)網(wǎng)關(guān)、ZigBee 傳感器網(wǎng)三大模塊組成，其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。手機(jī)指的是支持 GSM 模塊的終端，可以和手機(jī)網(wǎng)關(guān)之間遠(yuǎn)程通信。Android 手機(jī)網(wǎng)關(guān)由Android 手機(jī)和 ZigBee 協(xié)調(diào)器構(gòu)建，是智能安防系統(tǒng)的核心。ZigBee 協(xié)調(diào)器和多個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee 節(jié)點(diǎn)加載傳感器采集信息，如溫濕度、酒精檢測(cè)、煙霧檢測(cè)及超聲波檢測(cè)等。系統(tǒng)上電運(yùn)行時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)將采集到的信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳遞到Android-3G 智能手機(jī)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理。網(wǎng)關(guān)上的 GSM 模塊接收短信，自動(dòng)回復(fù)系統(tǒng)信息，也可根據(jù) GSM 指令遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)模塊。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 Android智能手機(jī)網(wǎng)關(guān)

本設(shè)計(jì)中手機(jī)網(wǎng)關(guān)采用的是 Cortex-A8 嵌入式開發(fā)板， 開發(fā)板采用開放式設(shè)計(jì)，主控制芯片是 Cortex-A8 處理器、可以搭載 Android 操作系統(tǒng)，含有 3G 模塊、WiFi 模塊、觸摸彩屏、ZigBee 模塊等。支持ZigBee、GPRS、GSM、短信等通信功能。Android 手機(jī)網(wǎng)關(guān)融合了嵌入式系統(tǒng)、無(wú)線通信、手持設(shè)備、遠(yuǎn)程智能控制等新實(shí)用技術(shù)。在手機(jī)網(wǎng)關(guān)上面安上GSM 卡，安裝編寫好的App 軟件，打開運(yùn)行即可在 ZigBee 組成的局域網(wǎng)中實(shí)時(shí)觀察各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息以及各個(gè)傳感器的信息。

2.2 ZigBee數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)采用多個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，每個(gè)模塊由數(shù)據(jù)采集底板和 ZigBee 模塊組成。ZigBee 模塊采用的核心芯片是CC2530，該芯片由射頻收發(fā)模塊和 8051 內(nèi)核構(gòu)成。ZigBee 通信模塊采用AMS117-3.3 V 芯片穩(wěn)壓和電容濾波的方式，可為 CC2530 提供穩(wěn)定的電壓。該模塊共設(shè)計(jì)了 32.768kHz 和32 MHz 兩種晶振，為ZigBee 不同的通信頻段提供支持。為了防止電流不穩(wěn)，在ZigBee 通信模塊的射頻電路中加入了電感電路。每個(gè)數(shù)據(jù)采集底板選擇的芯片是STM32F103VC，內(nèi)核為Cortex-M3 芯片。Cortex-M3 處理器可實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理和發(fā)送，接收CC2530 的控制指令以對(duì)相應(yīng)外設(shè)進(jìn)行控制操作。

2.3 傳感器

該智能安防系統(tǒng)中的傳感器主要包括酒精、煙霧、超聲波、溫濕度等。消防檢測(cè)主要由酒精傳感器、溫濕度傳感器SHT10、煙霧傳感器MQ-2 等組成。非法入侵檢測(cè)主要由超聲波傳感器、紅外傳感器、玻璃破碎傳感器等組成。煙霧傳感器MQ-2 的信號(hào)輸入端直接連接到STM32 芯片的IO 口，將采集到的電平變換直接傳遞給STM32 處理器。溫濕度傳感器SHT10 在采集環(huán)境的溫濕度時(shí)，將數(shù)據(jù)通過 3 號(hào)引腳傳遞給STM32 芯片，處理器調(diào)用溫濕度處理程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行分析。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

安防系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為四部分 ：ZigBee 通信模塊程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集底板設(shè)計(jì)、子系統(tǒng)控制程序、App 操作界面的編寫。其中，ZigBee 采用IAR 程序設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集底板和GSM 短信采用Keil C 編寫，App 采用Java 程序編寫。

3.1 ZigBee通信模塊的程序設(shè)計(jì)

ZigBee 傳感器網(wǎng)遵從ZigBee 2007 協(xié)議棧，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的通信模塊和協(xié)調(diào)器按照星狀組網(wǎng)模式組成 ZigBee 傳感器網(wǎng)。ZigBee 協(xié)調(diào)器就是傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理者，管理其網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)和手機(jī)網(wǎng)關(guān)的連接，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信模塊負(fù)責(zé)將采集到的傳感器信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器。ZigBee 根據(jù)設(shè)定的信道依次掃描，依據(jù)掃描情況，選擇一些合適參數(shù)建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。在一個(gè)ZigBee 傳感器網(wǎng)絡(luò)形成過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都不是獨(dú)立的，需要各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)調(diào)，共同遵守同一個(gè)協(xié)議。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)流程如圖 2 所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集底板的程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集底板采集傳感器信息，與監(jiān)控對(duì)象相連。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集底板都按設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)功能。比如酒精傳感器節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集底板采集到酒精氣體時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)解讀和判斷，一旦確定命令為酒精氣體則馬上調(diào)用相應(yīng)的濃度采集程序?qū)凭珰怏w濃度進(jìn)行采集和控制，然后通過ZigBee 通信模塊將采集的信息發(fā)送到ZigBee 協(xié)調(diào)器，再傳遞給手機(jī)網(wǎng)關(guān)， 用戶可以在操作界面上觀察酒精濃度。數(shù)據(jù)采集底板的程序流程圖如圖 3 所示。

3.3 GSM短信控制程序

控制程序采用Keil C編寫，首先要對(duì) STM32的串口、中斷、 定時(shí)器和 SIM900AGSM 模塊進(jìn)行系統(tǒng)初始化，當(dāng)檢測(cè)有短信 來(lái)時(shí)，調(diào)用中斷程序進(jìn)入系統(tǒng)外部中斷。根據(jù)短信內(nèi)容調(diào)用相 關(guān)的處理程序，完成相關(guān)操作比如繼電器的控制，傳感器信 息的采集等，通過 GSM 模塊程序的設(shè)計(jì)可以達(dá)到遠(yuǎn)程控制各 個(gè)節(jié)點(diǎn)的目的。

4 智能安防系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 

智能安防系統(tǒng)的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)采用星型組網(wǎng)，打開智能安 防系統(tǒng)的 App 軟件，系統(tǒng)連接圖如圖 4 所示。本系統(tǒng)由 8 個(gè) 節(jié)點(diǎn)組成，圖中顯示了 5 個(gè)節(jié)點(diǎn)。各終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送 給網(wǎng)關(guān)上的協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器直接和網(wǎng)關(guān)上的數(shù)據(jù)庫(kù)相連。點(diǎn)擊 其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)，比如節(jié)點(diǎn) 7 為煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)。打開該節(jié)點(diǎn)的 控制界面，在界面上可以看到如圖 5 所示的煙霧安全級(jí)別。為 防止其他類似煙霧的氣體對(duì)檢測(cè)的干擾，可以對(duì)多選框進(jìn)行 控制，打勾即為開狀態(tài)控制成功，去掉勾即為關(guān)閉狀態(tài)控制成 功，點(diǎn)擊“BACK”可返回網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

在 Android-3G 智能手機(jī)網(wǎng)關(guān)的 WCDMA-3G 卡槽上插好 聯(lián)通 3G 卡或 2G 卡。可以點(diǎn)擊 Android-3G 智能手機(jī)上面的菜 單鍵。為 App 軟件綁定手機(jī)賬號(hào) ；通過發(fā)送短信指令對(duì)系統(tǒng) 進(jìn)行遠(yuǎn)程查詢和控制。通過短信可以遠(yuǎn)程查詢節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)信 息，也可以控制繼電器的開關(guān)，從而控制窗簾或者電燈等，短 信信息圖如圖 6 所示。