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，將嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、生物識別技術(shù)等結(jié)合，設(shè)計基于ZigBee 通信的家庭安防監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對門磁、窗磁以及紅外感應(yīng)模塊的實時監(jiān)測，在以上模塊出現(xiàn)異常時告警。用戶可采用觸摸輸入或指紋識別方式以實現(xiàn)對防盜系統(tǒng)的啟?？刂?，使用方便且安全靈活。防盜監(jiān)測點均為 ZigBee 無線形式，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， 當(dāng)用戶身處公司或在外旅游時，也能隨時監(jiān)控家中的安全情況。

1 系統(tǒng)設(shè)計

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是基于國際標(biāo)準(zhǔn) IEEE802.15.4的個人局域網(wǎng)協(xié)議的短距離無線通信技術(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采集終端用于實現(xiàn)對門磁、窗磁以及紅外感應(yīng)模塊的實時監(jiān)測，在出現(xiàn)異常時會向嵌入式網(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)行用戶界面顯示和觸摸輸入檢測， 具備對防盜系統(tǒng)進(jìn)行啟?？刂?，對采集終端告警信息處理以及將報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)實現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計

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關(guān)、門磁開關(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 信號通過 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 WiFi形式來實現(xiàn)。網(wǎng)關(guān)模塊的硬件設(shè)計如圖 2（b）所示。

2.2 軟件設(shè)計

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]。每個服務(wù)實體通過相應(yīng)的服務(wù)接入點為其上層提供一個接口，每個服務(wù)接入點通過服務(wù)原語來完成所對應(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)訪問控制層以及物理層。

門磁、窗磁模塊以及紅外探測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 無線形式傳輸至協(xié)調(diào)器， 同時協(xié)調(diào)器也會將網(wǎng)關(guān)傳來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 口用來檢測各傳感器的信息 ；然后，將檢測到的信息以規(guī)定好的數(shù)據(jù)幀通過組播方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器，并且做相應(yīng)的控制 ；最后，協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送到網(wǎng)關(guān) STM32[7]。終端模塊的軟件設(shè)計流程如圖 3（a）所示。指紋采集模塊將指紋傳入網(wǎng)關(guān) STM32，網(wǎng)關(guān)將指紋識別信息送至 ZigBee 協(xié)調(diào)器以控制是否報警 ；網(wǎng)關(guān)模塊處理 ZigBee 協(xié)調(diào)器傳送過來的數(shù)據(jù)幀，判斷各個模塊的情況并控制報警和顯示屏的顯示，同時通過 WiFi 模塊 [8] 向 APP 傳送數(shù)據(jù)，在 APP 上顯示各個位置的情況。網(wǎng)關(guān)模塊的軟件設(shè)計流程為 ：先對 STM32 的各個模塊以及 I/O 口進(jìn)行初始化后開啟時鐘，利用 RTC 系統(tǒng)時鐘計時，每隔 1 s 進(jìn)行數(shù)據(jù)接收并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析判斷是否需要報警。如果需要報警，通過串口發(fā)送報警信號 ；如果不需要報警就繼續(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)計流程如圖 3（b）所示。

3 系統(tǒng)功能測試

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)終端及指紋識別終端組成 ；傳輸層以 ZigBee 通信實現(xiàn)終端信息傳送，以 WiFi 通信實現(xiàn)告警信息上報 ；控制層采用 CC2530 實現(xiàn)終端控制功能，采用 STM32 實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)處理 ；軟件和開發(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 [10]。紅外采集終端實物圖、門窗磁采集終端實物圖、指紋識別模塊實物圖、報警控制終端實物圖以及系統(tǒng)整體實物效果圖如圖 4 所示。

圖 4 系統(tǒng)整體實物效果圖

以一個實際場景為例，測試裝置功能。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)，隨后短時間打開大門，即打開門磁，操作效果如圖 5（b）所示。此時顯示界面相應(yīng)位置將會變黃，表示大門顯示“開”，但不告警，5 s 后若仍為打開狀態(tài)，裝置認(rèn)為有異常，則 STM32 和 APP 顯示界面的大門和報警器的狀態(tài)將會變紅，并且報警器也將會隨之報警，界面效果如圖 5（c） 和圖 5（d）所示。此時房主若按下指紋，使報警器停止告警， 一切恢復(fù)正常且界面效果恢復(fù)至圖 5（a）。同樣，若紅外探測器檢測到有人，也會有類似以上的效果。由此可見，本系統(tǒng)設(shè)計的防盜報警裝置實現(xiàn)了預(yù)期的功能，能夠完成家庭防盜報警的任務(wù)。

4 結(jié) 語

這套系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r監(jiān)測家庭的安全情況，還可以在發(fā)生異常狀況時及時向住戶告警 ；而且其所需的門窗磁模塊可以靈活地安裝在門窗等任何開合式場所，安裝過程也很方便快捷。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及時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，也可以應(yīng)用于車間環(huán)境監(jiān)測，市場應(yīng)用前景良好。