基于 ZigBee 和 RFID 技術(shù)融合的家庭安防系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

0 引 言

隨著家居生活的不斷改善和安全防范意識的增強(qiáng)，人們對于居住環(huán)境的智能化和安全化也提出了更高的要求。安防系統(tǒng)不再單純局限于防火防盜，還要及時(shí)了解和解決家中的各種突發(fā)性安全事件。近些年來，雖然家庭安防的模式已經(jīng)在很多方面有了改善，但是家庭安防系統(tǒng)依舊存在功能單一、智能化程度低下、兼容性差等問題，在科學(xué)性、實(shí)時(shí)性、安全性等方面都不盡如人意。

物聯(lián)網(wǎng)是通過物理對象和其他嵌入了電子、軟件、網(wǎng)絡(luò)和特定的傳感器或者執(zhí)行器的設(shè)備之間的相互連接，使對象能夠采集和交換數(shù)據(jù)。近年來物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用越來越普遍，預(yù) 計(jì) 2020 年將有數(shù)十億個智能對象連接在一起，物聯(lián)網(wǎng)已成為家庭安防領(lǐng)域的一個重要平臺，預(yù)計(jì)在將來會有很大的應(yīng)用可能性。

本文針對目前家庭安防系統(tǒng)中存在的問題，在充分研究 ZigBee 技術(shù)和 RFID 技術(shù)的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于ZigBee 和 RFID 技術(shù)融合的家庭安防系統(tǒng)。本系統(tǒng)結(jié)合了傳統(tǒng)的家庭安防系統(tǒng)已有的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)針對傳統(tǒng)家庭安防系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，引入 ZigBee 技術(shù)和 RFID 技術(shù)，增加了環(huán)境監(jiān)管模塊和遠(yuǎn)程報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)了多功能的智能化家庭安防系統(tǒng)。

1 ZigBee 和 RFID 技術(shù)融合在家庭安防的可行性分析

ZigBee 技術(shù)因?yàn)榫哂邪踩煽?、距離近、功耗小、成本低、組網(wǎng)方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，日益得到人們的青睞，被廣泛應(yīng)用到各個行業(yè)中。對于智能安防系統(tǒng)，采用 ZigBee 技術(shù)也是十分有效的一種手段。與此同時(shí)，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，不僅ZigBee 技術(shù)得到了大力的發(fā)展，RFID 技術(shù)發(fā)展的勢頭也是非常迅猛。將 RFID 技術(shù)用于身份驗(yàn)證也是十分普遍的一種現(xiàn)象。RFID 門禁系統(tǒng)和 RFID 電子鎖都已經(jīng)出現(xiàn)在大眾的視野中，將 RFID 技術(shù)用于家庭安防已經(jīng)成為一種趨勢。將ZigBee 技術(shù)和 RFID 技術(shù)二者結(jié)合運(yùn)用于家庭安防管理，將對家庭安全有雙重保障。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括身份驗(yàn)證模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊、安防模塊、報(bào)警模塊、主控模塊五大模塊。

（1）身份驗(yàn)證模塊主要由 RFID 標(biāo)簽和手機(jī)短信兩種方式實(shí)現(xiàn)。RFID 身份驗(yàn)證主要是通過 RFID 感應(yīng)防盜門鎖實(shí)現(xiàn)的，通過由 Wiegand 技術(shù)提供的基本接口與 MIFARE Tag（智能標(biāo)簽）的相互操作 [1] 來實(shí)現(xiàn)對用戶身份的驗(yàn)證。對于用戶忘記帶 RFID 標(biāo)簽的情況，系統(tǒng)也做出了相應(yīng)的對策 ：用戶通過短信向系統(tǒng)發(fā)出短信開鎖的申請，系統(tǒng)給用戶發(fā)送 6 位解鎖驗(yàn)證碼，用戶在要求的時(shí)間內(nèi)輸入密碼，則身份驗(yàn)證成功。

（2）環(huán)境監(jiān)測模塊主要負(fù)責(zé)采集室內(nèi)環(huán)境信息，如室內(nèi)溫濕度、煙霧等信息，并繪制出溫濕度曲線圖。與此同時(shí)，通過攝像頭采集實(shí)時(shí)的監(jiān)控信息。

（3）安防模塊主要是針對非法人員的非授權(quán)闖入問題。在用戶設(shè)定的無人的時(shí)間段內(nèi)，通過紅外對射傳感器來監(jiān)測是否有人進(jìn)入該房間，在該時(shí)間段內(nèi)若有人進(jìn)入，系統(tǒng)將進(jìn)行報(bào)警，從而起到安全防護(hù)的作用。

（4）報(bào)警模塊分為本地報(bào)警和遠(yuǎn)程報(bào)警。本地報(bào)警主要是通過報(bào)警器的鳴笛實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程報(bào)警主要是通過給戶主發(fā)送短信并撥打報(bào)警電話的方式實(shí)現(xiàn)。報(bào)警模塊與前三個模塊相附相依 ：身份驗(yàn)證模塊，若身份驗(yàn)證不通過，在一定時(shí)間內(nèi)非法人員不離開，則報(bào)警 ；環(huán)境監(jiān)測模塊，若溫濕度超過合理的范圍，或是檢測到煙霧，則報(bào)警 ；安防模塊，若發(fā)現(xiàn)非法人員闖入，則報(bào)警。

（5）主控模塊負(fù)責(zé)這幾個模塊之間的控制和調(diào)度，包括身份驗(yàn)證過程中用到的 RFID 數(shù)據(jù)，還有環(huán)境監(jiān)測和安防過程中采集到的 ZigBee 傳感器的數(shù)據(jù)，視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。不同類型數(shù)據(jù)的靈活使用，短信收發(fā)以及報(bào)警電話的撥打，這些功能的集成，都在主控模塊完成。

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖 1 所示，主要包括數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的感應(yīng)、反向控制、身份驗(yàn)證和報(bào)警。其中，報(bào)警功能還分為本地報(bào)警和遠(yuǎn)程報(bào)警。數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)感應(yīng)、反向控制和本地報(bào)警都是采用 ZigBee 無線傳感網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)，攝像頭采集到的數(shù)據(jù)也是通過 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)?。身份?yàn)證主要通過 RFID 技術(shù)來完成，其中手機(jī)短信功能依賴于匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中的 GSM 模塊。系統(tǒng)的總體硬件框圖如圖 2 所示。其中，在環(huán)境監(jiān)管模塊所用到的 ZigBee 傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括溫濕度傳感器和煙霧傳感器 ；在安防報(bào)警模塊用到的 ZigBee 傳感器節(jié)點(diǎn)主要是紅外對射傳感器。

本系統(tǒng)采用 S3C6410X 高性能嵌入式處理器，S3C6410X是一款 16/32 的 RISC 微處理器，具有低成本、低功耗、高性能等優(yōu)良品質(zhì)，適用于移動電話和廣泛的應(yīng)用開發(fā)。核心無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選擇 TI 德州儀器公司的 CC2530。CC2530 用于 2.4 GHz IEEE 802.15.4，ZigBee 和 RF4CE 協(xié)議的 SoC 解決方案，集成了性能優(yōu)良的 2.4 GHz RF 收發(fā)器，支持 TI 公司的 Z-Stack 協(xié)議。其內(nèi)核為增強(qiáng)型 8051MCU，具有低成本、低功耗、高集成度等優(yōu)點(diǎn) [2-3]。RFID 身份驗(yàn)證模塊依賴于 PIC 16F873 微控制器 [1]，通過 RFID Proximity Wiegand reader 與該控制器相互連接實(shí)現(xiàn)身份驗(yàn)證的功能。其中相關(guān)的過程和數(shù)據(jù)處理都是由 PIC 16F873 微控制器來完成的。手機(jī)短信功能主要依賴于 GSM 模塊，GSM 模塊具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)、GSM 射頻處理、基帶處理，并提供標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊。ARM 通過 RS 232 串口與 GSM 模塊通信，使用標(biāo)準(zhǔn)的 AT 命令來控制 GSM 模塊實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能 [3]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫是“按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織、存儲和管理數(shù)據(jù)的倉庫”，主要的功能是存儲數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。用戶可以通過數(shù)據(jù)庫直觀地掌握系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)以及歷史狀態(tài)。本系統(tǒng)中涉及到的三個主要數(shù)據(jù)表分別是用戶信息表、環(huán)境信息表、預(yù)警信息表，見表 1 ～表 3 所列。

3.2 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

當(dāng)用戶進(jìn)入系統(tǒng)，首先看到的界面如圖 3 所示。從圖中可以看到整個房間的平面圖，選擇要進(jìn)入的房間號，進(jìn)入該區(qū)域，跳轉(zhuǎn)到的界面如圖 4 所示。在“環(huán)境綜合信息”部分，用戶可以直觀地看到房間內(nèi)此時(shí)此刻的溫濕度、煙霧、非授權(quán)人員是否闖入的綜合情況。在界面的數(shù)據(jù)顯示區(qū)域，可以看到房間一定時(shí)間范圍內(nèi)的溫濕度變化，單擊“數(shù)據(jù)查詢”按鈕，可以將數(shù)字形式和折線圖形式來回切換 ；單擊“視頻采集”按鈕，可以從系統(tǒng)中直接調(diào)出房間內(nèi)的監(jiān)控。效果如圖 5 所示。

當(dāng)房間中發(fā)生突發(fā)情況時(shí)，例如 ：房間內(nèi)溫濕度過高、發(fā)現(xiàn)煙霧或者發(fā)現(xiàn)有非授權(quán)人員闖入，在圖 4 界面中，相應(yīng)屬性后面的綠色按鈕變紅，出現(xiàn)一個彈窗，同時(shí)給用戶發(fā)送短信提醒。當(dāng)用戶接收到報(bào)警信息，可以點(diǎn)擊紅色按鈕，按鈕恢復(fù)原來的顏色，同時(shí)報(bào)警器關(guān)閉。視頻采集模塊一般情況下采集到的信息會定時(shí)清理，但在預(yù)警時(shí)間段以及預(yù)警后的一段時(shí)間內(nèi)采集到的視頻系統(tǒng)當(dāng)?shù)阶詣忧謇淼臅r(shí)間后，系統(tǒng)會給用戶發(fā)送短信提醒，用戶確認(rèn)清理后才可對相應(yīng)的視頻信息進(jìn)行清理。

4 結(jié) 語

本文通過軟硬件結(jié)合的方式設(shè)計(jì)了一種基于 ZigBee 和RFID 技術(shù)融合的家庭安防系統(tǒng)，有效解決了目前家庭安防系統(tǒng)中存在的功能單一、智能化程度低下、兼容性差等問題。該家庭安防系統(tǒng)同時(shí)滿足了科學(xué)性、實(shí)時(shí)性、安全性等方面的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)基于 RFID 技術(shù)的身份驗(yàn)證和基于 ZigBee技術(shù)的環(huán)境監(jiān)管，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)基于 GSM 的遠(yuǎn)程報(bào)警，具有較高的實(shí)用價(jià)值，應(yīng)用前景廣泛。