基于ZigBee的智能家居远程安防系统的设计

王亚+陈虹兵+常芬+王雨+黄亚男+武亚奇

摘要：利用短距离ZigBee通信技术，将燃气、红外、振动等多个传感器节点与网关节点相连，搭建了智能家居远程安防系统。主要功能可以实现，检测燃气浓度、人体红外感应和门窗外力破坏等，采用Qt软件开发设计界面并在Cortex-A8网关实现实时数据显示，通过与GSM模块通信完成远程报警功能。

关键词：智能家居；短距离通信；远程安防

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）08-0052-03

Abstract： This paper uses ZigBee short-range communication technology， sets up a remote smart home security system， which attach multiple sensor nodes such as gas node， infrared node， vibration node and etc. to gateway node. The main functions can be achieved with detection of gas concentration， human infrared sensing and external forces destruction of door and windows. With Qt software development design interface and Cortex-A8 gateway， it enables real-time data display with GSM module communication to accomplish remote alarm.

Key words： smart home； short-range communication； remote security

随着人们生活水平日益提高，对生活质量提出了更高的要求，同时家居安全也日趋引起人们的关注。一些家庭由于疏忽大意可能会发生天然气泄漏、失火或者财物被盗的情况，给家庭带来巨大损失。特别对于大多数上班族，大部分时间都是在外忙碌工作，家里很多时间是处于无人状态，这就给一些不法分子进入室内盗窃提供了可趁之机，同时厨房内燃气的泄露也会直接威胁家庭成员的健康。所以有必要利用智能手段设计一套安防系统，为家庭提供一个安全舒适的家居环境。

智能安防系统比传统安防要更加的安全、智能，也能减少资金人力的浪费，该系统能够及时的向网关发送报警信息，进而做到及时发现及时处理减少事故发生率，做到智能安防、智能生活。它与传统安防相比具有无与伦比的时效性，可以随时随地的反馈家里的情况不会出现人力所疏忽的情况。对数据的处理能力也是在安防方面是其传统安防所不能比的。目前的智能安防领域还存在着诸多的问题，如设备兼容性、网络节点的建设、组网以及在信息的处理、通信方面等[1-2]。因此本设计初始工作便是寻找一个兼容性强的开发环境，其次，确定ZigBee组网、协议栈运行方式、串口数据传输、节点间的通信以及终端节点数据信息的采集。由于ZigBee是一种短距离通信的技术，其低功耗、低数据速率和低成本等特点[3-4]，适应于自动和远程控制领域，因此本系统采用基于ZigBee通信技术进行远程安防系统的设计。

1 系统总体设计方案

本系统的总体设计方案，是在家居环境中布置ZigBee协调器和终端节点组成无线传感器网络，大量传感器分散布置在家居环境中，以多跳路由方式传输，以协作方式感知、采集、处理和传送网络中被感知对象的信息，并把这些信息发送给计算机检测中心。在门外和窗口安装红外线传感器节点和振动传感器，通过红外线强弱变化感知人体的靠近和远离，通过振动传感器来检测门窗的受力情况，在设计的过程中为这些传感器设置了“设防”和“撤防”两种状态，一旦出现意外情况就发出报警。同时在厨房布置燃气传感器，检测空气中燃气的浓度。这些若干节点采用ZigBee进行通信，将采集到的数据送入ZigBee网关节点进行分析，及时觉察危险的存在，然后通过拨打电话的功能及时发送危险信号给主人，从而避免危险以及及时解除危险境况的产生。

整个系统的设计与开发是基于嵌入式Cortex-A8物联网实验开发系统之上[5]，下图是系统的总体框架图。

2 硬件设备

1） 系统网关

系统网关采用三星S5PV210应用处理器，该处理器采用了Cortex-A8内核芯片，该内核芯片采用了低功耗制程技术，主频率可达到1GHz。S5PV210可提供非常丰富的外围接口，可运行Windows CE、Linux、Android等主流操作系统满足各种移动设备的需求。

2） 中央总控节点

该总控节点选用的主控制单片机是AT89C51，它是一种带4KB Flash存储器的低电压、高性能CMOS的8位处理器。

3） ZigBee通信模块

传感器节点的无线通信模块采用TI公司的CC2530片上系统，它支持2.4GHz IEEE802.15.4/ZigBee协议，其整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器，通信距离可达400m左右。CC2530具有不同的运行模式，使其非常适合超低功耗要求的系统。因此CC2530被用作组建无线安防网络，终端节点采集家居环境信息，通过无线传输、多跳路由汇总到协调器并上传到监测中心，设定各种传感器的临界报警值，实现安防系统的功能。

4） GSM通信模块

支持GSM收发短信、拨打电话、短信报警与输出控制，实现与总控制中心的数据通信等功能。支持多种传感器输入接口，温湿度、燃气探测、振动等多种传感器数据的采集。将采集到的数据送入ZigBee网关节点进行分析，及时觉察危险的存在，然后通过拨打电话的功能及时发送危险信号给主人，从而避免危险以及及时解除危险境况的产生。

5） 传感器节点

包括：红外传感器、振动传感器、燃气传感器和报警器等。燃气传感器，在城市多以天然气等可燃气体为日常生活燃料，检测厨房内是否出现其他天然气泄漏。红外传感器，主要安装在过道、阳台、门窗等处，监测是否有人非法入侵。根据热释电传感器工作原理，只要热释电元件的温度发生变化，就会产生信号输出。为了减少传感器的误报警，在安装该类传感器时，注意避免安装在空调出风口、暖气片附近处，应安置在环境正常变化的场所。振动传感器，玻璃破碎时会发出特定的声波，主要根据这点做出报警判断。

3 系统软件设计与测试

传感器网协议：采用ZigBee通信协议，Z-stack协议栈[6]。软件开发采用具有良好的跨平台集成开发环境，IAR集成开发和QT界面开发软件。在IAR开发环境和Z-stack协议栈基础上，确定ZigBee组网、协议栈运行方式、串口数据传输、节点间的通信以及终端节点数据信息的采集。在A8网关实现实时数据显示界面，采用Qt软件开发设计，并通过GSM网络完成了远程报警功能。

3.1 ZigBee组网过程

当网关启动和中央总控节点开始工作时，首先，调用协议栈提供的组网函数，实现网络的初始化，不断检测是否有新节点加入，当组建网络成功后；然后发送设备调用协议栈提供的无线数据发送函数，实现数据的发送，Z-Stack中发送数据通过在应用层调用函数void SampleApp_ SendFlashMes-sage（uintl6 flashTime）完成，这个函数在应用中通过调用afStatus_ t AF_ DataRequest（afAddrType_ t *dstAddr，endPointDesc_ t *srcEP，uintl6 cID，uintl6 len，uint8 *buf， uint8 *transID， uint8 options， uint8 radius）函数完成数据的发送。

3.2 与GSM模块通信过程

两个模块在通信时采用主从式通信方式，由移动终端发起请求，GSM模块应答，GSM模块将信息发送给主协调节点。在采用Qt软件开发设计网关应用程序，应用程序总开发流程，如图3所示，其中重点展示了与GSM模块通信的流程。启动网关组网成功后，网关UI界面显示节点的初始化信息，包括节点的布局以及节点状态的“设防”和“撤防”的设计。当业主家中无人时，将节点设置为“设防”状态；当业主回到家中，可以对节点状态进行“撤防”设置。

协议采用异步串口通信方式，通信波特率为38400 b/s， 8位数据位，1位停止位，无校验位。协议命令格式包括帧头，命令字、数据、校验和、帧尾，如表1所示。校验和为命令字，数据之和。

3.3 测试方案

在门窗口安装振动传感器和红外线感应器，在厨房安装燃气探测器。系统启动ZigBee网关，初始化连接ZigBee主节点的串口，启动串口监测，等待ZigBee终端节点发送数据。设置相关属性后，节点状态设为“设防”，将采集到的数据送入ZigBee网关节点进行分析，一旦超过预期设定的额定值，就通过GSM，拨打业主电话。

4 结语

本文主要基于ZigBee技术的Cortex-A8网关和GSM实现的一整套智能家居安防系统，通过各个节点传感器收集的信息来及时地提供最及时家庭安防系统上存在的隐患，实现了移动终端远程监控安全状态的功能。本系统结构简单，可满足用户对家庭安防的需求。

参考文献：

[1] 张维勇，冯琳，魏振春. ZigBee 实现家庭组网技术的研究[J]. 合肥工业大学学报： 自然科学版， 2005， 28（7）： 755-759.

[2] 孟祥敏，侯德文.基于ZigBee 技术的智能家居系统的研究[J].信息技术与信息化，2009（2）：36.

[3] 邹卫华. ZigBee 技术在智能家居中的应用[D]. 哈尔滨理工大学， 2008.

[4] 杨恒.最新物联网实用开发技术[M].北京：清华大学出版社，2012，1.

[5] 殷松迁，郭培源，王建华. 基于嵌入式及ZigBee技术的居室环境监测系统[J].电子技术应用，2012，38（8）：23-29.

[6] 刘礼建，张广明.基于 ZigBee 无线技术的智能家居管理系统的设计[J] .计算机技术与发展，2011，12（21）： 251-253.