基于GPRS与Zigbee技术的家庭智能安防设计

费玉洁

摘 要：针对人们对家庭安全环境监测的需求，在传统方法的基础上提出使用Zigbee无线网络传输技术与GPRS短信报警相结合的方式，实现家庭智能安防设计。系统分析了传感器原理，设计了CC2530芯片工作电路，对协调器和终端节点的软件进行了设计，并分析了软件流程。对家庭安防领域设备的研究提出了新的方向。

关键词：Zigbee 无线通信 智能安防

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）06（b）-0029-02

随着经济的快速增长，人们生活水平的不断提高，人们已经不能满足普通的居住环境，越来越重视自己的个人安全和财产安全，加上电器的大量使用、生活节奏的加速，火灾、燃气泄漏等安全隐患也越来越得到关注，家庭对安全方面的要求也越来越高，人防的安保措施越来越难以适应社会的要求，智能安防技术开始发展起来。

智能安防技术在很早以前就得到了人们的重视，随着物联网技术的普及和应用，传感器技术和无线传输技术取得飞速发展并逐渐走入人们的日常生活，智能安防技术就有了突飞猛进的发展。新技术的应用可以使各种电子传感器对居住环境进行多点监控，一旦遇到突发情况立即向用户报警，无论用户身处何处都能对家庭安全状况进行实时监测。

该文设计了基于Zigbee无线通信技术的家庭智能安防系统，采用多个电子传感器，并采用无线的组网方式，小范围局域网和GPRS网络相结合，能够扩大监测范围，提高监测能力，具有低功耗，高可靠性等优势，有较强的使用价值。

1 Zigbee技术介绍

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离，低功耗的无线通信技术，主要用于传输控制信息，数据量相对来说比较小，特别适应于电池供电的系统，此外，相对于其他通信标准，Zigbee协议实现成本更低。

Zigbee无线网络总共分为5层，有物理层（PHY）、介质访问控制层（MAC）、网络层（NWK）、应用程序支持子层（APS）、应用层（APL）。IEEE 802.15.4仅仅是定义了物理层和介质访问控制层的数据传输规范，而Zigbee协议定义了网络层、应用程序支持子层及应用层的数据传输规范，这就是Zigbee无线网络。

Zigbee技术具有如下特点：

（1）高可靠性

对于无线通信而言，由于电磁波在传输过程中容易受到很多因素的干扰，所以在传输过程中，具有内在的不可靠性。Zigbee规范采取了一些措施来提高数据传输的可靠性。

（2）低成本、低功耗

Zigbee技术可以应用于8-bit MCU，例如TI公司推出的CC2530，每片价格在20～35元，外接几个电阻电容构成的滤波电路和PCB天线即可实现节点的组网和构建。终端节点可以定时休眠，采用两节5号电池即可供电半年左右。

（3）高安全性

Zigbee规范为了保证数据传输的安全性，可以选择使用AES-128加密技术，提高了安全可靠性。

低数据速率

Zigbee主要用在短距离无线控制系统，传输少量的控制信息。

因此，Zigbee技术完全可以使用在智能安防的家庭内部网络无线通信中，本系统选择Zigbee技术构建内网也是最佳选择。

2 系统硬件设计

系统硬件总体结构如图1所示，主要是由传感器节点、Zigbee终端节点、Zigbee协调器、GPRS短信收发模块和电源供电部分组成，实现家居的消防和防盗功能。传感器节点用于探测家居环境的状况，Zigbee节点用于将传感器探测的数据发送给Zigbee协调器，协调器通过GPRS短信收发模块将家居环境中的突发情况发送给用户手机，以便用户及时处理紧急情况。

2.1 传感器模块

安装在家居中的传感器可以分为三个部分：

第一部分为防盗部分，主要包括人体红外感应模块和震动传感器组成。震动传感器紧贴门内安装，当检测到持续持续震动超过20秒，则认为是人为撬动，输出信号为高电平，产生上升沿触发。人体红外热释电传感器安装在室内门窗口，用于检测人体发射的红外线，以识别是否有人在传感器检测范围内活动。当有人通过门窗闯入时，传感器产生电平触发信号。

第二部分为火灾检测部分，主要包括烟雾传感器和温度传感器，只有当烟雾传感器发生动作并且检测到室内温度超过预设范围时才会发生报警。

第三部分为煤气泄漏检测部分，使用MQ-9气体传感器，MQ-9气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。采用高温循环检测方式检测一氧化碳，电导率随一氧化碳浓度增加而增大，高温检测可燃气体甲烷、丙烷。使用简单电路即可将电导率的变化转换为高低电平输出，在可燃气体浓度较低时输出为高电平，浓度高是输出为低电平，所以可以配置为下降沿触发。电平转换灵敏度可以通过可调电阻调节。

2.2 无线通信模块

本系统使用的无线通信模块是Zigbee模块，选择TI的CC2530无线射频收发器。CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其它强大的功能。其典型的电路如图2所示：

从图中可以看出除CC2530芯片外，外部需要一个32MHz的石英谐振器和两个电容构成一个32MHz的晶振电路，用一个32.768kHz的石英谐振器和两个电容构成一个32.768kHz的晶振电路。RF_N和RF_P引脚连接一个非平衡天线，使用电感电容组成的非平衡变压器可使天线性能变得更好。endprint

Zigbee模块可以配置为协调器和终端节点。使用星形网络配置，网络由一个协调器和多个终端节点设备组成，每个节点设备连接一个或多个传感器，所有终端节点都与协调器通信，相互之间不通信。协调器与终端节点均采用两节1.5V电池供电，为了使电压稳定并达到3.3V，系统使用了TPS60211稳压芯片将3V输入转换为3.3V输出。为了与GPRS模块通信，协调器硬件电路设计了RS232接口，使用MAX3232芯片进行电平转换。

2.3 GPRS模块部分

本设计采用灵旗通信的LQ1000 GPRS DTU，模块采用先进的GPRS无线通信技术、嵌入式单片机技术和TCP/IP网络通信技术，其稳定性强、可靠性高、实时性好，是一种实现串口设备数据通过无线透传到中心软件的有力设备。GPRS模块提供标准RS232数据接口，可以方便与Zigbee协调器连接，实现数据的全透明传输。

3 系统软件设计

本系统在TI公司提供的Z-Stack协议栈基础上进行程序开发，协议栈分为API（用户接口）、HAL（硬件描述）、MAC（媒介控制）、NWK（网络）、OSAL（操作系统）、Security（安全）、Service（服务）、ZDO（设备对象）8层。协议采用事件轮询机制，对不同任务事件做不同的响应。当事件发生后，唤醒操作系统，系统开始中断处理，处理完后进入休眠模式，当几个事件同时发生时，系统根据事件的优先级进行处理，这种软件结构可以极大的降低终端节点的功耗，只有在外部中断触发后才会进行系统工作。

由于本系统使用的传感器动作后均为低电平，所以使用下降沿触发，平时为高电平，一旦有动作，产生按键中断事件，判断传感器类型，调用发送函数AF_DataRequest进行信息发送。当协调器接有消息接收事件发生后，先提取消息内容，判断传感器类型，并通过串口输出发送命令，使用GPRS模块对预先设置的手机号码发送短信，协调器和终端节点流程图如图3和图4所示。

4 结语

本系统使用Zigbee模块与GPRS模块构建了一个智能家庭安防系统，分析了无线传输的优势，设计了CC2530及传感器外围电路，分析了系统软件流程。利用Zigbee技术搭建了传感器模块与协调器之前的无线传输系统，简化了施工布线，使用GPRS模块将内部网络数据发送到用户手机，可以实时监测家庭内部的安全状况，可以预见这种新型家庭智能安防系统可以在今后社会生活中发挥重要作用，可以有效的保护人民的生命和财产安全。

参考文献

[1] 李炜，张国全，方坤.算机系统的线缆耦合泄漏研究[J].算机工程与设计，2011（9）.

[2] 李新.于CC2530的Zigbee网络节点设计[J].编程控制器与工厂自动化，2011（3）.

[3] 夏飞.于Z-Stack协议的无线传感器网络节点研究[J].子元器件应用，2009（12）.

[4] 马艳峥，王盟，徐晓辉，等.基于HBS协议的智能家庭控制网络设计[J].现代电子技术，2009（13）.

[5] 齐放.基于ZigBee的无线智能家居系统的设计与实现[D].厦门大学，2007.

[6] 陈强.基于ZigBee技术的智能家居系统的研究[D].武汉纺织大学，2010.

[7] 杨利亚.基于ZigBee的无线传感器网络在智能家居系统中的应用[D].浙江工业大学，2010.endprint

Zigbee模块可以配置为协调器和终端节点。使用星形网络配置，网络由一个协调器和多个终端节点设备组成，每个节点设备连接一个或多个传感器，所有终端节点都与协调器通信，相互之间不通信。协调器与终端节点均采用两节1.5V电池供电，为了使电压稳定并达到3.3V，系统使用了TPS60211稳压芯片将3V输入转换为3.3V输出。为了与GPRS模块通信，协调器硬件电路设计了RS232接口，使用MAX3232芯片进行电平转换。

2.3 GPRS模块部分

本设计采用灵旗通信的LQ1000 GPRS DTU，模块采用先进的GPRS无线通信技术、嵌入式单片机技术和TCP/IP网络通信技术，其稳定性强、可靠性高、实时性好，是一种实现串口设备数据通过无线透传到中心软件的有力设备。GPRS模块提供标准RS232数据接口，可以方便与Zigbee协调器连接，实现数据的全透明传输。

3 系统软件设计

本系统在TI公司提供的Z-Stack协议栈基础上进行程序开发，协议栈分为API（用户接口）、HAL（硬件描述）、MAC（媒介控制）、NWK（网络）、OSAL（操作系统）、Security（安全）、Service（服务）、ZDO（设备对象）8层。协议采用事件轮询机制，对不同任务事件做不同的响应。当事件发生后，唤醒操作系统，系统开始中断处理，处理完后进入休眠模式，当几个事件同时发生时，系统根据事件的优先级进行处理，这种软件结构可以极大的降低终端节点的功耗，只有在外部中断触发后才会进行系统工作。

由于本系统使用的传感器动作后均为低电平，所以使用下降沿触发，平时为高电平，一旦有动作，产生按键中断事件，判断传感器类型，调用发送函数AF_DataRequest进行信息发送。当协调器接有消息接收事件发生后，先提取消息内容，判断传感器类型，并通过串口输出发送命令，使用GPRS模块对预先设置的手机号码发送短信，协调器和终端节点流程图如图3和图4所示。

4 结语

本系统使用Zigbee模块与GPRS模块构建了一个智能家庭安防系统，分析了无线传输的优势，设计了CC2530及传感器外围电路，分析了系统软件流程。利用Zigbee技术搭建了传感器模块与协调器之前的无线传输系统，简化了施工布线，使用GPRS模块将内部网络数据发送到用户手机，可以实时监测家庭内部的安全状况，可以预见这种新型家庭智能安防系统可以在今后社会生活中发挥重要作用，可以有效的保护人民的生命和财产安全。

参考文献

[1] 李炜，张国全，方坤.算机系统的线缆耦合泄漏研究[J].算机工程与设计，2011（9）.

[2] 李新.于CC2530的Zigbee网络节点设计[J].编程控制器与工厂自动化，2011（3）.

[3] 夏飞.于Z-Stack协议的无线传感器网络节点研究[J].子元器件应用，2009（12）.

[4] 马艳峥，王盟，徐晓辉，等.基于HBS协议的智能家庭控制网络设计[J].现代电子技术，2009（13）.

[5] 齐放.基于ZigBee的无线智能家居系统的设计与实现[D].厦门大学，2007.

[6] 陈强.基于ZigBee技术的智能家居系统的研究[D].武汉纺织大学，2010.

[7] 杨利亚.基于ZigBee的无线传感器网络在智能家居系统中的应用[D].浙江工业大学，2010.endprint

Zigbee模块可以配置为协调器和终端节点。使用星形网络配置，网络由一个协调器和多个终端节点设备组成，每个节点设备连接一个或多个传感器，所有终端节点都与协调器通信，相互之间不通信。协调器与终端节点均采用两节1.5V电池供电，为了使电压稳定并达到3.3V，系统使用了TPS60211稳压芯片将3V输入转换为3.3V输出。为了与GPRS模块通信，协调器硬件电路设计了RS232接口，使用MAX3232芯片进行电平转换。

2.3 GPRS模块部分

本设计采用灵旗通信的LQ1000 GPRS DTU，模块采用先进的GPRS无线通信技术、嵌入式单片机技术和TCP/IP网络通信技术，其稳定性强、可靠性高、实时性好，是一种实现串口设备数据通过无线透传到中心软件的有力设备。GPRS模块提供标准RS232数据接口，可以方便与Zigbee协调器连接，实现数据的全透明传输。

3 系统软件设计

本系统在TI公司提供的Z-Stack协议栈基础上进行程序开发，协议栈分为API（用户接口）、HAL（硬件描述）、MAC（媒介控制）、NWK（网络）、OSAL（操作系统）、Security（安全）、Service（服务）、ZDO（设备对象）8层。协议采用事件轮询机制，对不同任务事件做不同的响应。当事件发生后，唤醒操作系统，系统开始中断处理，处理完后进入休眠模式，当几个事件同时发生时，系统根据事件的优先级进行处理，这种软件结构可以极大的降低终端节点的功耗，只有在外部中断触发后才会进行系统工作。

由于本系统使用的传感器动作后均为低电平，所以使用下降沿触发，平时为高电平，一旦有动作，产生按键中断事件，判断传感器类型，调用发送函数AF_DataRequest进行信息发送。当协调器接有消息接收事件发生后，先提取消息内容，判断传感器类型，并通过串口输出发送命令，使用GPRS模块对预先设置的手机号码发送短信，协调器和终端节点流程图如图3和图4所示。

4 结语

本系统使用Zigbee模块与GPRS模块构建了一个智能家庭安防系统，分析了无线传输的优势，设计了CC2530及传感器外围电路，分析了系统软件流程。利用Zigbee技术搭建了传感器模块与协调器之前的无线传输系统，简化了施工布线，使用GPRS模块将内部网络数据发送到用户手机，可以实时监测家庭内部的安全状况，可以预见这种新型家庭智能安防系统可以在今后社会生活中发挥重要作用，可以有效的保护人民的生命和财产安全。

参考文献

[1] 李炜，张国全，方坤.算机系统的线缆耦合泄漏研究[J].算机工程与设计，2011（9）.

[2] 李新.于CC2530的Zigbee网络节点设计[J].编程控制器与工厂自动化，2011（3）.

[3] 夏飞.于Z-Stack协议的无线传感器网络节点研究[J].子元器件应用，2009（12）.

[4] 马艳峥，王盟，徐晓辉，等.基于HBS协议的智能家庭控制网络设计[J].现代电子技术，2009（13）.

[5] 齐放.基于ZigBee的无线智能家居系统的设计与实现[D].厦门大学，2007.

[6] 陈强.基于ZigBee技术的智能家居系统的研究[D].武汉纺织大学，2010.

[7] 杨利亚.基于ZigBee的无线传感器网络在智能家居系统中的应用[D].浙江工业大学，2010.endprint