基于 ZigBee 通信的家庭安防監(jiān)控系統(tǒng)

 引 言

本文面向智能家居領(lǐng)域，以智能安防為研究重點(diǎn)，將嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、生物識(shí)別技術(shù)等結(jié)合，設(shè)計(jì)基于ZigBee 通信的家庭安防監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)門(mén)磁、窗磁以及紅外感應(yīng)模塊的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在以上模塊出現(xiàn)異常時(shí)告警。用戶(hù)可采用觸摸輸入或指紋識(shí)別方式以實(shí)現(xiàn)對(duì)防盜系統(tǒng)的啟停控制，使用方便且安全靈活。防盜監(jiān)測(cè)點(diǎn)均為 ZigBee 無(wú)線形式，功耗低且可以自組網(wǎng)，安裝布局靈活。此外，網(wǎng)關(guān)模塊上還配有 WiFi 通信功能，支持智能手機(jī)端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)， 當(dāng)用戶(hù)身處公司或在外旅游時(shí)，也能隨時(shí)監(jiān)控家中的安全情況。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)分為嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊和 ZigBee終端模塊兩部分，并分別使用 STM32和CC2530作為兩者的核心微處理器。ZigBee是基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEEE802.15.4的個(gè)人局域網(wǎng)協(xié)議的短距離無(wú)線通信技術(shù)。ZigBee擁有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，網(wǎng)絡(luò) [1]中最大可允許 65 535 B。ZigBee模塊具備較好的低功耗特性， 可以有效節(jié)約成本 [2]。ZigBee采集終端用于實(shí)現(xiàn)對(duì)門(mén)磁、窗磁以及紅外感應(yīng)模塊的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在出現(xiàn)異常時(shí)會(huì)向嵌入式網(wǎng)關(guān) STM32[3]模塊發(fā)送告警信息。嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊采用高清TFTLCD觸摸液晶模塊進(jìn)行用戶(hù)界面顯示和觸摸輸入檢測(cè)， 具備對(duì)防盜系統(tǒng)進(jìn)行啟?？刂?，對(duì)采集終端告警信息處理以及將報(bào)警信息送至智能手機(jī)等功能。系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的終端模塊采用 TI公司的 CC2530作為微控制器和通信核心芯片，涉及到的傳感器有窗磁開(kāi)關(guān)、門(mén)磁開(kāi)關(guān)、紅外感應(yīng)器，涉及到的控制模塊為聲光告警器。采集與控制 信號(hào)通過(guò) ZigBee網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)模塊進(jìn)行信息交互 [4]。終端模塊的硬件設(shè)計(jì)如圖 2（a）所示。網(wǎng)關(guān)模塊部分以 ST公司的STM32F407為控制器核心 [5]，采用 TFT觸屏進(jìn)行顯示與控制 ；告警取消部分采取指紋識(shí)別控制 ；與終端模塊信息交流部分采用 ZigBee CC2530；與手機(jī)通信部分則通過(guò) WiFi形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)關(guān)模塊的硬件設(shè)計(jì)如圖 2（b）所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

微控制器 CC2530 使用的協(xié)議棧版本為 TI ZStack-CC2530-2.1.5.1a。ZStack 的體系結(jié)構(gòu)由各層模塊組成，每一層為其上層提供特定的服務(wù) [6]。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過(guò)相應(yīng)的服務(wù)接入點(diǎn)為其上層提供一個(gè)接口，每個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)通過(guò)服務(wù)原語(yǔ)來(lái)完成所對(duì)應(yīng)的功能。協(xié)議棧根據(jù) IEEE 802.15.4 和ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)分為以下幾層 ：應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)安全層、介質(zhì)訪問(wèn)控制層以及物理層。

門(mén)磁、窗磁模塊以及紅外探測(cè)模塊將采集到的信息以一定的數(shù)據(jù)幀傳送至終端，再以ZigBee 無(wú)線形式傳輸至協(xié)調(diào)器， 同時(shí)協(xié)調(diào)器也會(huì)將網(wǎng)關(guān)傳來(lái)的觸摸控制模塊的信息傳送給聲光告警模塊。終端模塊的軟件設(shè)計(jì)流程為 ：首先，在 ZigBee 系統(tǒng)和相應(yīng)的 I/O 口進(jìn)行初始化，I/O 口用來(lái)檢測(cè)各傳感器的信息 ；然后，將檢測(cè)到的信息以規(guī)定好的數(shù)據(jù)幀通過(guò)組播方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器，并且做相應(yīng)的控制 ；最后，協(xié)調(diào)器通過(guò)串口發(fā)送到網(wǎng)關(guān) STM32[7]。終端模塊的軟件設(shè)計(jì)流程如圖 3（a）所示。指紋采集模塊將指紋傳入網(wǎng)關(guān) STM32，網(wǎng)關(guān)將指紋識(shí)別信息送至 ZigBee 協(xié)調(diào)器以控制是否報(bào)警 ；網(wǎng)關(guān)模塊處理 ZigBee 協(xié)調(diào)器傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)幀，判斷各個(gè)模塊的情況并控制報(bào)警和顯示屏的顯示，同時(shí)通過(guò) WiFi 模塊 [8] 向 APP 傳送數(shù)據(jù)，在 APP 上顯示各個(gè)位置的情況。網(wǎng)關(guān)模塊的軟件設(shè)計(jì)流程為 ：先對(duì) STM32 的各個(gè)模塊以及 I/O 口進(jìn)行初始化后開(kāi)啟時(shí)鐘，利用 RTC 系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)時(shí)，每隔 1 s 進(jìn)行數(shù)據(jù)接收并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析判斷是否需要報(bào)警。如果需要報(bào)警，通過(guò)串口發(fā)送報(bào)警信號(hào) ；如果不需要報(bào)警就繼續(xù)接收數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，如此循環(huán)。網(wǎng)關(guān)模塊的軟件設(shè)計(jì)流程如圖 3（b）所示。

3 系統(tǒng)功能測(cè)試

本系統(tǒng)采用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu) [9] 包括感知層、傳輸層、控制層、軟件和開(kāi)發(fā)環(huán)境以及應(yīng)用。感知層由電磁感應(yīng)終端、紅外感應(yīng)終端及指紋識(shí)別終端組成 ；傳輸層以 ZigBee 通信實(shí)現(xiàn)終端信息傳送，以 WiFi 通信實(shí)現(xiàn)告警信息上報(bào) ；控制層采用 CC2530 實(shí)現(xiàn)終端控制功能，采用 STM32 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)處理 ；軟件和開(kāi)發(fā)環(huán)境有 IAR For 8051，MDK5 ；應(yīng)用部分有手機(jī)終端 APP 防盜監(jiān)測(cè) [10]。紅外采集終端實(shí)物圖、門(mén)窗磁采集終端實(shí)物圖、指紋識(shí)別模塊實(shí)物圖、報(bào)警控制終端實(shí)物圖以及系統(tǒng)整體實(shí)物效果圖如圖 4 所示。

圖 4 系統(tǒng)整體實(shí)物效果圖

以一個(gè)實(shí)際場(chǎng)景為例，測(cè)試裝置功能。先給所有模塊上電，上電后 STM32 界面效果如圖 5（a）所示，所有部分都為正常狀態(tài)，隨后短時(shí)間打開(kāi)大門(mén)，即打開(kāi)門(mén)磁，操作效果如圖 5（b）所示。此時(shí)顯示界面相應(yīng)位置將會(huì)變黃，表示大門(mén)顯示“開(kāi)”，但不告警，5 s 后若仍為打開(kāi)狀態(tài)，裝置認(rèn)為有異常，則 STM32 和 APP 顯示界面的大門(mén)和報(bào)警器的狀態(tài)將會(huì)變紅，并且報(bào)警器也將會(huì)隨之報(bào)警，界面效果如圖 5（c） 和圖 5（d）所示。此時(shí)房主若按下指紋，使報(bào)警器停止告警， 一切恢復(fù)正常且界面效果恢復(fù)至圖 5（a）。同樣，若紅外探測(cè)器檢測(cè)到有人，也會(huì)有類(lèi)似以上的效果。由此可見(jiàn)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的防盜報(bào)警裝置實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，能夠完成家庭防盜報(bào)警的任務(wù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

這套系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)家庭的安全情況，還可以在發(fā)生異常狀況時(shí)及時(shí)向住戶(hù)告警 ；而且其所需的門(mén)窗磁模塊可以靈活地安裝在門(mén)窗等任何開(kāi)合式場(chǎng)所，安裝過(guò)程也很方便快捷。因此該系統(tǒng)一方面可以提高住宅的舒適溫馨度，另一方面也可以幫助住戶(hù)及時(shí)了解住宅的安全情況。綜上，本系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于智能家居的環(huán)境監(jiān)測(cè)，也可以應(yīng)用于車(chē)間環(huán)境監(jiān)測(cè)，市場(chǎng)應(yīng)用前景良好。