基于ZigBee的嵌入式智能家居安防系统

出处：chunyang 发布于：2011-09-19 09:03:46

　　随着现代家居生活的不断改善，人们对财产、人身安全的要求也越来越高。安防系统不再只局限于防盗，而且要能做到防劫、防火，并即时了解和解决家中突发事件，实现家庭安全系统的智能化。现在市场上出现的安防系统，不是容易引起误报，就是功能比较单一，或是采用有线连接方式，布线繁琐且线路容易老损。

　　针对现代家庭安防的要求和当前市场上类似产品的不足，本研究提出了以ZigBee+ARM9为的嵌入式智能家庭安防系统（EmbeddedIntelli2gentHomeSecuritySystem,EIHSS）。本系统有以下特点：

　　①完善的防盗系统，实现门、窗、阳台等地方的监控和报警，力争做到零误报；

　　②实现家中火灾早期的监测和煤气泄漏等突发事件的检测；

　　③实现家庭安全状况远程实时监测和查询；

　　④具有现场图像抓拍功能，在设防状态下，当红外传感器或者门磁触发告警时，系统将启动USB摄像头对现场进行拍摄。

　　1　系统结构及工作原理

　　系统总体结构如图1所示，主要由前端（Zig2Bee节点）和后端（主服务器）2部分组成，前端有传感器检测、信号处理、无线发送，后端有无线接收、中央处理及外围电路等。前端和后端通过ZigBee网络无线连接。

系统结构

图1　系统结构

　　系统后端有2个功能按键，分别为设防键和撤防键。主人在出门时按下设防键，再通过手机短信方式由GPRS通知主机进入工作状态；当主人回家时再通过短信通知主机进入待机状态，待主人进入家中时则按下撤防键，主机停止工作。

　　每个传感器加上信号处理以及CC2430收发模块组成一个ZigBee节点，分配有不同的地址，节点通过ZigBee无线网络与主服务器ARM9模块通信，主机根据地址判断信号是来自哪个节点，然后通过软件判断是有非法人员进入还是有火灾隐患或是有煤气泄漏，无论哪种突发状况发生，主机都会启动USB摄像头对现场图像抓拍，通过GPRS网络通知主人或物管中心，并驱动报警装置进行报警，同时用以太网接入小区的局域网或互联网，实现家庭网络Internet接入。

　　2　EIHSS硬件系统

　　本系统硬件电路框图如图2所示，主要由传感器模块，ZigBee无线收发模块，电源及复位模块，以太网网络模块，USB摄像头、功能按键、报警模块，GPRS模块及中央控制器ARM9模块等组成。

系统硬件电路框图

图2　系统硬件电路框图

　　2.1　传感器和电源模块

　　传感器模块按功能可分为3个部分：防盗、火灾检测和煤气泄漏检测。防盗部分由振动传感器、门磁窗磁传感器、热释电红外传感器组成。把振动传感器安装在入户门上的隐蔽处，当它检测到门上有振动，如果振动持续超过8min（有待考究），则判断为可能是非法人员撬门。门磁传感器也是安装在入户门上，当门被打开超过2cm时传感器会有信号输出。通过这2个传感器相结合来判断是否有人非法进入，消除误报。另外，热释电红外传感器能感应到物体在室内的移动[3].对于窗、阳台等其他地方的防盗原理跟入户门防盗相似。

　　火灾检测由烟雾传感器和温度传感器组成，两者均检测到信号则认为确有火灾发生，这样可以避免误报。而煤气泄漏检测则用MQ-6传感器作为感应器，它对液化气、天然气及城市煤气有较好的灵敏度，而对乙醇、烟雾几乎不响应。

　　电源模块包括内部电源和外部电源。内部电源包括可充电电池和充电电路，主要任务是在监控状态下外部断电时供整个电路正常工作。其充电也是由微控制器控制完成的，在外部电源供电状态下，低于下限电平时自动接通充电电路，高于上限电平时自动断开充电电路。

　　2.2　ZigBee模块

　　ZigBee是新兴的具有自组网功能的Ad-Hoc网络，是一种短距离、低复杂度、低速率、低功耗、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域。

　　2.2.1　ZigBee协议栈

　　ZigBee协议使用IEEE802.15.4规范作为介质访问层（MAC）和物理层，IEEE802.15.4总共定义了3个工作频带：2.4GHz（），915MHz（美国）和868MHz（欧洲），以上3种频带所提供的数据速率分别为250kbps,40kbps和20kbps.完整的ZigBee协议栈结构如图3所示。

ZigBee协议栈结构

图3　ZigBee协议栈结构

　　每个ZigBee网络节点（FFD和RFD）可以支持多达31个传感器和受控设备，每个传感器和受控设备可以有8种不同的接口方式，可以采集和传输数字量和模拟量。

　　2.2.2　ZigBee网络配置域网络关联

　　ZigBee无线网络可采用多种类型的网络配置。

　　本系统设计使用星型网络实现通信。星型网络配置由一个协调器节点和一个或多个终端设备组成。在星型网络中，所有的终端设备都只与协调器通信。

　　根据系统需求，协调器会在非易失性存储器中存储所有网络关联，称为邻接表。为了连接到网络，终端设备可能执行孤立通知过程来查找先前与之关联的网络，或者执行关联过程来加入一个新网络。在执行孤立通知过程的情况下，协调器将通过查找其邻接表来识别先前与之关联的终端设备。

　　2.2.3　ZigBee节点硬件电路

　　由于本系统是典型的短距离无线通信系统，故选用支持ZigBee协议的CC2430芯片，是一种真正的系统芯片（SoC）CMOS解决方案，这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用对低成本低功耗的要求。CC2430芯片结合一个高性能2.4GHzDSSS（直接序列扩频）射频收发器和一颗工业级的小巧高效的8051控制器。

　　在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有32/64/128KB可编程闪存和8KB的RAM,还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚。

　　本系统采用的收发频率为2.4GHz,其典型的硬件应用电路如图4所示。

　　该电路使用一个非平衡天线，连接非平衡变压器可使天线性能更好。电路中的非平衡变压器由电容C341和电感L341、L321、L331以及一个PCB微波传输线组成。整个结构满足RF输人/输出匹配电阻（50Ω）的要求。内部T/R交换电路完成LNA和PA之间的交换。R221和R261为偏置电阻，电阻R221主要用来为32MHz的晶振提供一个合适的工作电流。用一个32MHz的石英谐振器（XTAL1）和两个电容（C191和C221）构成一个32MHz的晶振电路。用一个32.768KHz的石英谐振器（XTAL2）和两个电容（C441和C437）构成一个32.768KHz的晶振电路。电压调节器为所有要求1.8V电压的引脚和内部电源供电。C241和C421电容是去耦合电容，用来实现电源滤波，以提高芯片工作的稳定性。

典型CC2430应用电路

图4　典型CC2430应用电路

　　2.3　中央控制器

　　本系统选用三星公司的S3C2410,它是一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，主要面向便携式和高性价比及低功耗设备的应用。ARM920T有CP14和CP15二个内部协处理器，CP14用于调试控制，CP15用于存储和测试控制。S3C2410集成了SDRAM控制器、3个UART、4个DMA、4个具有PWM功能的计时器和1个内部时钟、8通道的10位ADC.S3C2410有很多丰富的外部接口，包括IIC总线接口、IIS总线接口、2个USB主机接口、1个USB设备接口、MMC卡等。

　　S3C2410在时钟方面也有突出的特点，集成了1个具有日历功能的RTC和具有PLL功能的时钟发生器。具有日历功能的RTC能提供到秒位的时间，解决了次声观测系统组成多点阵时各点的时间同步问题。MPLL产生主时钟，使处理器工作频率达到203MHz.该工作频率可使处理器轻松运行WinCE、Linux等操作系统以及进行较为复杂的信息处理。

　　2.4　GSM/GPRS模块

　　GSM/GPRS模块采用西门子公司的SIM300,中央控制系统通过串口与之连接实现移动通信，该模块内嵌TCP/IP协议栈，可以连接网络。当SIM300接收到主人手机AT短息命令后会唤醒中央控制系统，系统根据指令查询各模块的状态；而当中央控制器接收到传感器的信号判断有异常情况时，也通过SIM300向主人手机发送短消息。

　　3　EIHSS软件系统

　　本系统在软件上移植了嵌入式实时操作系统μc/osII.该系统具有易移植、稳定性高、裁剪方便和源码公开等优点，且可实现多个任务的调度。

　　系统软件总流程如图5所示。

　　系统开机后首先调用控制器进行初始化，然后读取按键值，根据按键值判断当前状态。当主机处于设防状态时，通过扫描CC2430接收模块来查询各个节点的情况，一旦发现有异常状况，系统判断为何种突发事件后，立即启动报警装置、USB摄像头，并给预先设置好的手机号码发送短信。

系统软件总流程

图5　系统软件总流程

　　4　结语

　　本文中介绍的智能家庭安防系统，运用ZigBee技术，搭建出前端信号采集与后端控制器之间的无线通信系统，避免了繁琐的布线；利用ARM技术和嵌入式实时操作系统实现安防终端的有效控制；GSM/GPRS则为系统预防和报警提供了方便快捷的有利条件。可以预计，这种无线的智能系统在未来家庭安防中将会得到更多的运用，有一定的实际运用价值。