張崢 朱曉雨 包晨露 王麗娜 許鵬

摘 要：基于ZigBee通信的家庭安防監(jiān)控系統(tǒng)使用CC2530和STM32作為核心微處理器，ZigBee實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警按鈕、門磁、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)向嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊發(fā)送告警信息。嵌入式主控模塊采用高清TFT LCD觸摸液晶模塊進(jìn)行用戶界面顯示和觸摸輸入檢測(cè)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)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。

關(guān)鍵詞：ZigBee;CC2530;STM32;安防監(jiān)控系統(tǒng);紅外感應(yīng);嵌入式

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2019）06-0-02

0 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)IEEE 802.15.4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TFT LCD觸摸液晶模塊進(jìn)行用戶界面顯示和觸摸輸入檢測(cè)，具備對(duì)防盜系統(tǒng)進(jìn)行啟停控制，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(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

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。

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)間打開大門，即打開門磁，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(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)有類似以上的效果。由此可見，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(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)用于車間環(huán)境監(jiān)測(cè)，市場(chǎng)應(yīng)用前景良好。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] KAUR A，KAUR J，SINGH G. An efficient hybrid topology construction in ZigBee sensor network [C]// International Conference on Recent Advances and Innovations in Engineering. Jaipur，India： IEEE，2014： 1-6.

[2] LEE J，DONG M，SUN Y. A preliminary study of low power wireless technologies：ZigBee and Bluetooth Low Energy [C]// 2015 IEEE 10th Conference on Industrial Electronics and Applications. Auckland：IEEE，2015：135-139.

[3]翟亞芳，張?zhí)禊i，趙建周，等.基于STM32的家庭智能安防控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，33（1）：118-123.

[4]許東，操文元，孫茜.基于CC2530的環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，33（z2）：17-20.

[5]許華春，朱宗玖.基于STM32的家庭智能家居設(shè)計(jì)[J].中小企業(yè)管理與科技，2017（1）：150-151.

[6]徐振峰，尹晶晶，陳小林，等. 基于ZigBee協(xié)議棧的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（5）：75-77.

[7]張藝粟，李鴻彬，賈軍營(yíng)，等. 物聯(lián)網(wǎng)ZigBee網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2013，22（6）：34-38.

[8] Firdaus，EKO Nugroho，SAHRONI A. ZigBee and wifi network interface on Wireless Sensor Networks [C]// 2014 Makassar International Conference on Electrical Engineering and Informatics. Makassar，Indonesia：IEEE，2014： 54-58.

[9]沈蘇彬.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)[J].中興通訊技術(shù)，2011，17（1）：8-10.

[10] FAN Binwen，PAN Ga，LIU Ming Liu，et al. Design of a home surveillance system based on the android platform[C]// 2015 12th International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery. Zhangjiajie：IEEE，2015：2101-2105.