薛誓穎++李捍東
摘 要:為實(shí)現(xiàn)對家居安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控,文中設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)通信的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)。在所設(shè)計(jì)的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)中,利用相關(guān)傳感器對家居環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并將采集到的數(shù)據(jù)信息通過ZigBee無線收發(fā)模塊發(fā)送到微控制器。當(dāng)家居環(huán)境出現(xiàn)異常情況時(shí),則啟動聲光報(bào)警,并通過CAN總線將報(bào)警信息發(fā)送到小區(qū)智能安防系統(tǒng),利用GPRS無線通信模塊發(fā)送到用戶手機(jī)終端。當(dāng)報(bào)警信息得到有效處理后,警報(bào)自動解除。
關(guān)鍵詞:智能家居;無線網(wǎng)絡(luò);ZigBee技術(shù);GPRS網(wǎng)絡(luò)
中圖分類號:TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:2095-1302(2017)07-00-03
0 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)在流行的無線通信,物物相連的無線傳感網(wǎng)絡(luò)也得到了空前發(fā)展。人民在享受經(jīng)濟(jì)增長帶來的幸福生活的同時(shí),對家居環(huán)境安全保障也更加重視。人們希望通過無線傳感網(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)代人對家居生活的需求,結(jié)合ZigBee無線通信技術(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),滿足人們對家居環(huán)境監(jiān)測和家居異常環(huán)境智能報(bào)警的需求。為營造安全、舒適的家居氛圍,對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)對家居環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集。ZigBee無線收發(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)來源,主要對家居環(huán)境信息進(jìn)行檢測,并將采集到的數(shù)據(jù)信息通過ZigBee無線協(xié)議發(fā)送到微控制器。主控制器模塊主要實(shí)現(xiàn)對整個控制系統(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)用戶可通過該系統(tǒng)對家居內(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)控主要通過傳感器模塊檢測家居環(huán)境,通過ZigBee通信協(xié)議將家居現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)信息傳遞到微控制器。對ZigBee無線收發(fā)模塊和微控制器分別設(shè)定閾值并采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,如果兩次對比超過閾值,則進(jìn)行聲光報(bào)警提示,并通過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)自動解除。
1.2.1 家居狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測
智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)傳感器模塊主要對家居中可能出現(xiàn)的火災(zāi)、可燃?xì)怏w泄漏等危險(xiǎn)情況進(jìn)行檢測。檢測信息通過液晶進(jìn)行信息分類顯示,并通過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GPRS無線模塊對家居室內(nèi)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
1.2.2 家居異常雙重檢測
當(dāng)家居環(huán)境數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí),對異常數(shù)據(jù)信息進(jìn)行雙重檢測對比,如果兩次對比都超過預(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、信號調(diào)理電路和ZigBee無線收發(fā)模塊組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)對家居環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。為避免火災(zāi)檢測出現(xiàn)誤報(bào),煙霧檢測和溫度檢測同時(shí)進(jìn)行。環(huán)境檢測需要的傳感器不盡相同,因而信號調(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ZigBee無線協(xié)議傳遞到微控制器。
主控制器模塊主要由ZigBee無線收發(fā)模塊、微控制器、GPRS無線通信模塊組成,具體如圖2所示??紤]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)的開啟和關(guān)閉。液晶顯示主要是對家居現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行顯示,一目了然。
如果發(fā)生異?;蛭kU(xiǎn)情況,微控制器立即發(fā)出警報(bào),并通過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,避免雜亂無章的線路布局,傳感器模塊與主控制模塊通過ZigBee無線收發(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),從某種意義上來說推動了智能家居的迅速發(fā)展,為人們的生活帶來更多便利。
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無線收發(fā)模塊和GPRS無線通信模塊與控制器通過串口連接進(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、快速傳遞到后臺小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng),對用戶實(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,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ZigBee無線協(xié)議發(fā)送到ZigBee無線收發(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)場發(fā)送采集數(shù)據(jù)查詢命令,利用設(shè)定閾值和現(xiàn)場傳遞采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。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。如果系統(tǒng)按鍵關(guān)閉,那么整個家居系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)。如果系統(tǒng)按鍵開啟,那么整個家居系統(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無線通信,將傳感器模塊對外來入侵、火災(zāi)、可燃?xì)怏w等的檢測信息顯示在顯示屏上,并再次與預(yù)先設(shè)定的閾值對比,如果超過閾值,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)。
4 結(jié) 語
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ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)具有很好的市場前景。相信在不久的將來,這種智能化安防系統(tǒng)必將得到更廣泛的應(yīng)用。
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