基于ZigBee技術(shù)智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)

引 言

伴隨著信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的推進(jìn)，通信方式由原有的有線通信逐漸演變到現(xiàn)在流行的無(wú)線通信，物物相連的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)也得到了空前發(fā)展。人民在享受經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)帶來(lái)的幸福生活的同時(shí)，對(duì)家居環(huán)境安全保障也更加重視。人們希望通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)將家中的各種智能設(shè)備、家用電器等整合到一個(gè)智能化體系中，智能家居應(yīng)運(yùn)而生。

首先應(yīng)滿足現(xiàn)代人對(duì)家居生活的需求，結(jié)合ZigBee無(wú)線通信技術(shù)及GPRS網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)出一套基于ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)通信的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)，滿足人們對(duì)家居環(huán)境監(jiān)測(cè)和家居異常環(huán)境智能報(bào)警的需求。為營(yíng)造安全、舒適的家居氛圍， 對(duì)改善用戶家居生活有著深遠(yuǎn)而重要的意義。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器模塊、ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊和主控制器模塊組成。系統(tǒng)框圖如圖 1所示。傳感器模塊負(fù)責(zé)對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集。ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊連接傳感器模塊和主控制器模塊。而主控制器模塊作為整個(gè)智能家居數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算的核心。傳感器模塊作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)源，主要對(duì)家居環(huán)境信息進(jìn)行檢測(cè)，并將采集到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)ZigBee無(wú)線協(xié)議發(fā)送到微控制器。主控制器模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)以及用戶和小區(qū)進(jìn)行信息交換。當(dāng)采集數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，微控制器采取警報(bào)措施，并及時(shí)通知小區(qū)安防系統(tǒng)和用戶手機(jī)終端。當(dāng)異常信息得到及時(shí)有效的處理后，警報(bào)解除。

1.2 系統(tǒng)主要功能

智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)主要面向小區(qū)用戶設(shè)計(jì)，小區(qū)用戶可通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)家居內(nèi)部情況和家居外圍進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)危險(xiǎn)情況發(fā)生時(shí)，小區(qū)安防可及時(shí)采取處理措施，避免發(fā)生不必要的事故。智能家居安防監(jiān)控主要通過(guò)傳感器模塊檢測(cè)家居環(huán)境，通過(guò)ZigBee 通信協(xié)議將家居現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)信息傳遞到微控制器。對(duì) ZigBee 無(wú)線收發(fā)模塊和微控制器分別設(shè)定閾值并采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果兩次對(duì)比超過(guò)閾值，則進(jìn)行聲光報(bào)警提示，并通過(guò)CAN 總線和GPRS 網(wǎng)絡(luò)通知小區(qū)安防系統(tǒng)和用戶手機(jī)終端。異常情況得到有效處理后，警報(bào)自動(dòng)解除。

1.2.1 家居狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)傳感器模塊主要對(duì)家居中可能出現(xiàn)的火災(zāi)、可燃?xì)怏w泄漏等危險(xiǎn)情況進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)信息通過(guò)液晶進(jìn)行信息分類顯示，并通過(guò)CAN 總線將家居外圍相關(guān)情況發(fā)送至小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。用戶通過(guò)GPRS 無(wú)線模塊對(duì)家居室內(nèi)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.2.2 家居異常雙重檢測(cè)

當(dāng)家居環(huán)境數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，對(duì)異常數(shù)據(jù)信息進(jìn)行雙重檢測(cè)對(duì)比，如果兩次對(duì)比都超過(guò)預(yù)定閾值，則進(jìn)行報(bào)警提示， 并將異常情況反饋給小區(qū)安防和用戶手機(jī)終端。當(dāng)異常信息得到有效處理后，報(bào)警解除。

1.2.3 家居安全智能報(bào)警

在智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，如果家居環(huán)境發(fā)現(xiàn)異常，則傳感器模塊將異常情況發(fā)送到主控制器。主控制器接收到數(shù)據(jù)信息后，將相關(guān)報(bào)警信息發(fā)送到小區(qū)安防系統(tǒng)， 并告知用戶。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

傳感器模塊主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和 ZigBee 無(wú)線收發(fā)模塊組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。為避免火災(zāi)檢測(cè)出現(xiàn)誤報(bào)，煙霧檢測(cè)和溫度檢測(cè)同時(shí)進(jìn)行。環(huán)境檢測(cè)需要的傳感器不盡相同，因而信號(hào)調(diào)理電路有差別，但最終都將環(huán)境采集數(shù)據(jù)的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)ZigBee 無(wú)線協(xié)議傳遞到微控制器。

主控制器模塊主要由ZigBee 無(wú)線收發(fā)模塊、微控制器、GPRS 無(wú)線通信模塊組成，具體如圖 2 所示。考慮到智能家居系統(tǒng)的人性化和可視化，利用按鍵輸入控制家居系統(tǒng)的開(kāi)啟和關(guān)閉。液晶顯示主要是對(duì)家居現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行顯示，一目了然。

如果發(fā)生異常或危險(xiǎn)情況，微控制器立即發(fā)出警報(bào)，并通過(guò) CAN 總線將警報(bào)信息發(fā)送到小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)利用GPRS 無(wú)線通信將警報(bào)信息發(fā)送到用戶手機(jī)終端。用戶和小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)接收并查看警報(bào)后，將警報(bào)解除，并根據(jù)家居相關(guān)情況進(jìn)行處理。

系統(tǒng)中ZigBee 無(wú)線收發(fā)模塊采用 2.4 GHz 射頻芯片CC2530。CC2530 核心板包括 CC2530 單片機(jī)、RF 天線接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、晶振以及I/O 擴(kuò)展接口。為實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境的整潔和美觀，避免雜亂無(wú)章的線路布局，傳感器模塊與主控制模塊通過(guò)ZigBee 無(wú)線收發(fā)模塊進(jìn)行連接，完美解決了這一難題，為日常家居布置和清理添光加彩。ZigBee 作為一種新興無(wú)線通信技術(shù)，其低成本、低功耗、通信可靠等特點(diǎn)，從某種意義上來(lái)說(shuō)推動(dòng)了智能家居的迅速發(fā)展，為人們的生活帶來(lái)更多便利。

智能家居安防系統(tǒng)微控制器采用運(yùn)算能力強(qiáng)，具有雙串口的LPC1768 芯片，實(shí)現(xiàn) ZigeBee 無(wú)線收發(fā)模塊和 GPRS 無(wú)線通信模塊與控制器通過(guò)串口連接進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的信息傳輸。小區(qū)安防監(jiān)控對(duì)監(jiān)控信息安全和實(shí)時(shí)性要求高，采用LPC1768 中 2條 CAN 通道與小區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)連接，保證相關(guān)監(jiān)控信息安全、可靠、快速傳遞到后臺(tái)小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控家居狀況及小區(qū)保安維護(hù)家居治安有重要意義。

智能家居安防系統(tǒng)GPRS 無(wú)線通信模塊采用SIM900A 模塊，實(shí)現(xiàn)微控制器和用戶手機(jī)終端之間的信息傳輸。SIM900A 模塊精簡(jiǎn)，接口豐富，功耗低，價(jià)格低廉，大大降低了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的入門門檻。當(dāng)主控制器向用戶手機(jī)發(fā)送信息時(shí)，在卡槽中插入SIM 卡，并向SIM900A 發(fā)送AT 指令，就可以實(shí)現(xiàn)微控制器與用戶手機(jī)終端間的數(shù)據(jù)通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分由傳感器模塊子程序、ZigBee 無(wú)線收發(fā)子程序、微控制器子程序組成。傳感器終端節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)信息作為整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要數(shù)據(jù)信息，與系統(tǒng)中設(shè)定的閾值比較，超過(guò)閾值則報(bào)警，微控制器負(fù)責(zé)通知小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)和用戶手機(jī)終端，方便用戶及小區(qū)采取相應(yīng)措施，避免小區(qū)用戶家中發(fā)生事故。

傳感器終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖 3 所示。傳感器上電后進(jìn)行各自傳感器硬件的初始化。如果家居環(huán)境有特殊要求，需要加入新的傳感器，則對(duì)新的傳感器進(jìn)行ZigBee 自組網(wǎng)，重新配置節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。各傳感器對(duì)家居中環(huán)境狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。傳感器模塊中的ZigBee 收發(fā)模塊作為信息傳遞的通道，將采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)信息通過(guò) ZigBee 無(wú)線協(xié)議發(fā)送到ZigBee 無(wú)線收發(fā)模塊協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。如果并未收到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)查詢指令，則傳感器終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，等待查詢命令。

ZigBee 無(wú)線收發(fā)模塊協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)程序流程如圖 4 所示。ZigBee 無(wú)線收發(fā)模塊協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)上電后，進(jìn)行相應(yīng)的硬件初始化和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)判斷。若有新的節(jié)點(diǎn)加入，則協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自組網(wǎng)。首先 ZigBee 收發(fā)模塊向家居現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送采集數(shù)據(jù)查詢命令，利用設(shè)定閾值和現(xiàn)場(chǎng)傳遞采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。若采集數(shù)據(jù)異常， 則進(jìn)行初步報(bào)警提示。并將異常數(shù)據(jù)發(fā)送到微控制器。若并未發(fā)生異常狀況，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)處于低功耗模式，等待異常情況。

微控制器程序流程圖如圖 5 所示。上電后進(jìn)行相應(yīng)的硬件初始化和系統(tǒng)按鍵檢測(cè)。如果系統(tǒng)按鍵關(guān)閉，那么整個(gè)家居系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)。如果系統(tǒng)按鍵開(kāi)啟，那么整個(gè)家居系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)，微控制器程序先調(diào)用 ZigBee 無(wú)線通信，將傳感器模塊對(duì)外來(lái)入侵、火災(zāi)、可燃?xì)怏w等的檢測(cè)信息顯示在顯示屏上，并再次與預(yù)先設(shè)定的閾值對(duì)比，如果超過(guò)閾值，則調(diào)用CAN 總線通知小區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)，調(diào)用GPRS 通信通知用戶。用戶和小區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)響應(yīng)警報(bào)并采取應(yīng)急處理后，解除警報(bào)。

結(jié) 語(yǔ)

作為生活的首要因素，家居安防系統(tǒng)也是困擾人們生活的難題，研究基于ZigBee 技術(shù)網(wǎng)絡(luò)通信的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。未來(lái) ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)具有很好的市場(chǎng)前景。相信在不久的將來(lái)，這種智能化安防系統(tǒng)必將得到更廣泛的應(yīng)用。