方濤濤,　馬小軍,　陳　沖

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京　211816)

基于ZigBee的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計

方濤濤,馬小軍,陳沖

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京211816)

摘要：設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng),使用芯片CC2530實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng),采用多個終端節(jié)點(diǎn)對室內(nèi)各處的溫/濕度、可燃?xì)怏w、人員入侵等進(jìn)行探測。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明,基于ZigBee技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)各終端節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器,再通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能家居的管理平臺,從而實(shí)現(xiàn)對智能家居安全防范的監(jiān)測和報警。

關(guān)鍵詞：智能家居; 安防系統(tǒng); 無線通信; ZigBee技術(shù); 氣體檢測

0引言

目前,智能家居中使用的通信技術(shù)一般為有線傳輸和無線傳輸兩種方式。有線傳輸存在布線復(fù)雜、可擴(kuò)展性差、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等缺點(diǎn),因此一般采用無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee具有距離近、功耗低、成本低、組網(wǎng)方式靈活等優(yōu)點(diǎn),在智能家居安防系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用[1-3]。

1系統(tǒng)方案設(shè)計

智能家居安防系統(tǒng)通過使用CC2530來實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng),采用多個終端節(jié)點(diǎn)對室內(nèi)各個地方的溫/濕度、可燃?xì)怏w、人員入侵安防信息等進(jìn)行探測,將檢測的數(shù)據(jù)打包后發(fā)給協(xié)調(diào)器。對于距離較遠(yuǎn)的終端節(jié)點(diǎn),通過加設(shè)路由節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)順利傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器接收不同的終端節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù),在協(xié)調(diào)器上顯示并且上傳給智能家居的管理平臺。智能家居的管理平臺接收來自安防系統(tǒng)的數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)對智能家居安全防范的監(jiān)測和報警。

采用星形網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),所有的終端節(jié)點(diǎn)都連接在協(xié)調(diào)器上,每個節(jié)點(diǎn)將采集到的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器上,協(xié)調(diào)器再與管理系統(tǒng)通信。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框架

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1單片機(jī)的選擇

CC2530能通過較少的材料成本建立比較強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),具有低能耗、高性能特點(diǎn)[4],故選擇CC2530作為系統(tǒng)核心芯片。

2.2硬件總體設(shè)計

硬件設(shè)計分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計和終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計,協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計主要考慮終端節(jié)點(diǎn)通信以及幫助上位機(jī)上傳信息,而終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計主要考慮傳感器數(shù)據(jù)的采集和傳輸。CC2530最小系統(tǒng)板、液晶顯示屏、電源等部分電路共同組成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器的作用是以程序中設(shè)定的ID建立唯一ID的PAN網(wǎng)絡(luò),接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)中所有終端節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)膫鞲衅鲾?shù)據(jù),協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)顯示和處理收到的數(shù)據(jù),通過串口發(fā)送到智能家居的管理平臺,并在液晶顯示屏上顯示。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

CC2530最小系統(tǒng)板、溫/濕度傳感器和各類氣體檢測傳感器、振動傳感器、電源等部分共同組成系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)的作用是先搜索附近是否有自身ID的PAN網(wǎng)絡(luò),成功搜索之后自動加入網(wǎng)絡(luò),再周期性地將傳感器采集的數(shù)據(jù)打包,發(fā)送給處于同一網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3硬件部分電路設(shè)計

2.3.1CC2530最小系統(tǒng)電路

CC2530最小系統(tǒng)電路由CC2530芯片、高速晶振振蕩電路、低速晶振振蕩電路、射頻發(fā)射電路以及一些電源濾波電路組成,在CC2530所有電

圖3　終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

源引腳處接上濾波電容可以濾除電源的雜波,使CC2530可以更加可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行。射頻電路接入特定阻值的電容和電感,以提升CC2530的傳輸距離和傳輸質(zhì)量。

2.3.2部分傳感器采集電路

熱釋電傳感器模塊可以輸出數(shù)字量,需要一個I/O口進(jìn)行采集[5]。CC2530不停地讀取I/O獲取的值,判斷是否有人靠近。熱釋電傳感器檢測電路如圖4所示。

圖4　熱釋電傳感器檢測電路

2.3.3電源電路

系統(tǒng)電源支持適配器供電和電池供電兩種方式,適合ZigBee網(wǎng)絡(luò)中不同功能的節(jié)點(diǎn)。因?yàn)閰f(xié)調(diào)器、路由器需要長時間不停地工作,功耗較大,為了系統(tǒng)穩(wěn)定工作,可以使用適配器經(jīng)過線性穩(wěn)壓芯片后再給系統(tǒng)供電,系統(tǒng)功耗比直接采用電池供電要低。電源電路如圖5所示。

圖5　電源電路

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件編程部分由C語言實(shí)現(xiàn)。將傳感器、液晶等外設(shè)的模塊化程序可以不通過協(xié)議棧直接調(diào)試出,再將數(shù)據(jù)采集和顯示的模塊程序與Z-stack協(xié)議棧整合、調(diào)試。為解決ZigBee協(xié)議復(fù)雜、不便于開發(fā)的問題,運(yùn)行協(xié)議棧通過一個小型的操作系統(tǒng)(操作系統(tǒng)抽象層OSAL)使ZigBee開發(fā)簡單化[6-8]。

協(xié)調(diào)器上電后根據(jù)編譯時給定的參數(shù),在某個頻段發(fā)起一個網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)頻段的定義放在f8wConfig.cfg配置文件中,根據(jù)定義建立PAN ID,掃描DEFAULT_CHANLI ST指定的所有信道,并選擇最佳信道組建一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)啟動后進(jìn)行硬件的初始化,然后掃描DEFAULT_CHANLIST所指定的信道,并根據(jù)所定義的PAN ID自動加入網(wǎng)路。

協(xié)調(diào)器程序流程如圖6所示。

圖6　協(xié)調(diào)器程序流程

終端節(jié)點(diǎn)程序流程如圖7所示。

圖7　終端節(jié)點(diǎn)程序流程

在協(xié)調(diào)器創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)后,終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備會自動加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)之間建立無線通信,它們之間數(shù)據(jù)的發(fā)送主要分為周期定時發(fā)送和通過按鍵事件觸發(fā)。系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)采集是用周期性定時發(fā)送的方式來發(fā)送給協(xié)調(diào)器的。在Z-stack協(xié)議棧中,每個任務(wù)都有一個對應(yīng)的ProcessEvent()事件處理函數(shù),并循環(huán)檢測事件的產(chǎn)生。當(dāng)一個事件產(chǎn)生時,系統(tǒng)輪詢到該事件時,該事件就會被執(zhí)行。

4系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)中共制作了3個終端節(jié)點(diǎn)和1個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。在完成實(shí)物焊接與安裝后,分別將寫好的終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序燒入相應(yīng)的處理器中,觀察協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上液晶顯示屏是否正確顯示每個終端發(fā)來的傳感器采集數(shù)據(jù)。具體的調(diào)試過程如下:

(1) 打開協(xié)調(diào)器電源,選擇最優(yōu)的信道,并為網(wǎng)絡(luò)選定一個網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志符,開始組建網(wǎng)絡(luò),自組網(wǎng)燈常亮?xí)r,屬于協(xié)調(diào)器的PAN網(wǎng)絡(luò)組建完成。協(xié)調(diào)器啟動如圖8所示。

圖8　協(xié)調(diào)器啟動

(2) 打開所有終端節(jié)點(diǎn)電源,所有終端節(jié)點(diǎn)立刻搜索附近的網(wǎng)絡(luò),找到帶有自身ID的PAN網(wǎng)絡(luò),并加入,協(xié)調(diào)器就可以收到來自節(jié)點(diǎn)1溫/濕度傳感器的值、節(jié)點(diǎn)2紅外熱釋電的值、節(jié)點(diǎn)3氣體傳感器的值。終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)如圖9所示。

圖9　終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)

(3) 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)顯示屏在正常顯示傳感器數(shù)據(jù)的情況下,改變傳感器的檢測環(huán)境,觀察協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)顯示屏上對應(yīng)的數(shù)據(jù)是否變化,判斷系統(tǒng)是否工作。

由圖9可見,節(jié)點(diǎn)1顯示的室內(nèi)溫度為28 ℃,相對濕度69%;節(jié)點(diǎn)2由于傳感器附近沒有人入侵,所以顯示無人;節(jié)點(diǎn)3顯示了當(dāng)時的空氣情況。在啟動協(xié)調(diào)器模塊后,各個終端節(jié)點(diǎn)和路由器能夠快速實(shí)現(xiàn)自動組網(wǎng),各終端節(jié)點(diǎn)將采集的傳感器值發(fā)送給協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)后在顯示屏上顯示,并且通過串口將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給智能家居的管理系統(tǒng)。一旦數(shù)據(jù)到達(dá)設(shè)定的警戒值后,管理系統(tǒng)會聯(lián)動安防報警系統(tǒng)。

5結(jié)語

基于ZigBee的智能家居安防系統(tǒng)具有低功耗、高可靠性、大網(wǎng)絡(luò)容量、低數(shù)據(jù)速率等特點(diǎn),擺脫了傳統(tǒng)的有線傳輸方式,從而徹底解決了系統(tǒng)的布設(shè)、維護(hù)和更新升級的問題。經(jīng)調(diào)試,基于ZigBee的智能家居安防系統(tǒng)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定,可以實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集和傳輸,滿足了人們對智能家居安防系統(tǒng)的需求。

[1]ELAHI A,GSCHWENDER A.ZigBee wireless sensor and control network[M].Prentice Hall Press,2009.[2]劉川來,張典,寧通.基于ZigBee技術(shù)的家庭安防網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2009,28(1):90-93.

[3]戴善溪,張效民.基于ZigBee技術(shù)的數(shù)字式溫/濕度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù),2010(2):47-49.

[4]楊松,胡國榮,徐沛成.基于CC2530的ZigBee協(xié)議MAC層設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與設(shè)計,2013(11):3840-3844.

[5]丁海斌.智能傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[6]周立功.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[7]黃磊,付菲,閔華松.基于ZigBee技術(shù)的智能家居方案研究[J].微計算機(jī)信息,2009(14):71-73.

[8]張濤.基于CC2530的溫度監(jiān)測模塊設(shè)計與應(yīng)用[D].南昌:南昌大學(xué),2012.

Design of Security and Protection System of Smart Home Based on ZigBee

FANG Taotao,MA Xiaojun,CHEN Chong

(College of Electrical Engineering and Control Science, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China)

Abstract：This paper designed a security and protection system of smart home based on ZigBee technology.The wireless networking was implemented by using CC2530 chip.The temperature and humidity,combustible gas,personnel intrusion detection were detected by using multiple terminal nodes in every region of the indoor.The test debugging results show that the terminal nodes of security and protection system send the collected data to the coordinator,then the management platform of smart home receives the data though serial port,which can realize the security monitoring and alarming of smart home.

Key words:smart home; security and protection system; wireless communication; ZigBee technology; gas detection

中圖分類號：TU 855

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1674-8417(2016)05-0030-04

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.05.008

收稿日期：2016-02-26

馬小軍(1956—),男,教授,研究方向?yàn)榻ㄖ悄芑?/p>

陳沖(1991—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)榻ㄖ悄芑?/p>