作者/ 梁興通 李揚 廣東工業大學(廣東 廣州 510006)

摘要：本文介紹了智能家居安防終端監控系統的設計和實現，采用基于ZigBee無線網絡技術的CC2530收發模塊，通過與溫度、紅外傳感器、霍爾傳感器的連接，實現各項信號的數據采集，并完成室內溫度、煙霧、防盜、煤氣泄漏監測等報警系統的軟件設計，實現對家居中各種監控，在確保報警的同時會采取相應的安全措施。

引言

　　智能家居^[1]是以住宅為平臺，安裝有智能家居監控系統的居住環境，作為一個綜合性智能系統，通過物聯網、傳輸技術、智能控制等先進的新技術實現智能化家居管理。智能家居系統^[2]所包括子系統中，安防最為關鍵，因此，研發安全可靠和性價比高，且方便易用的智能家居安防系統有著重大意義。

　　采用無線通信技術既美觀又可靠，可免除繁瑣雜亂的布線，只需一個模塊就可代替眾多線材，其中，ZigBee自組網技術[3]具有容量大、時延小、功耗低、長距離傳輸、速率低、安全可靠、工作靈活等特點，適用于構建家庭網絡。

　　本文研究一個具備豐富功能、安全可靠的智能家居安防系統解決方案，所設計系統當有入侵者時，安防系統都能及時發出報警，并通知小區物管或家庭主人，同時，家中攝像頭也打開進行抓拍，便于后期分析處理，有效減少錄像及存儲容量。

1 系統總體設計與工作原理

1.1 系統總體設計

　　智能家居安防監控系統組成^[4]為紅外和霍爾探測器，溫度、煙霧和氣體等傳感器，攝像頭及計算機、手機等，還需要起中間傳輸作用的網絡數據傳輸模塊，本設計選擇基于ZigBee技術的CC2530模塊。溫度傳感器安裝在客廳、廚房、主臥、客臥、書房;煙霧傳感器和攝像頭安裝在大門、主臥、客臥;霍爾探測器安裝在房門上;紅外探測器安裝在窗戶上。在廚房安裝特殊氣體探測器，以檢測煤氣泄漏情況，如表1。各傳感器信號通過ZigBee傳輸至與上位機連接的接收模塊，并于用戶界面顯示及分析，如圖1所示。

1.2 ZigBee無線網絡技術原理

　　ZigBee協議棧最下面是物理層(PHY)、介質訪問層(MAC)和數據鏈路層，都由IEEE802.15.4標準定義，在此之上是網絡層和應用層設計，如圖2所示為ZigBee協議棧的結構圖。

1.2.1 ZigBee協議棧物理層

　　物理層標準有兩個，都采用擴頻技術，數據包格式也相同，其主要區別在于一個工作在2.4GHz頻率，而另一個工作在838/915MHz頻率。 ZigBee物理層由同步包、物理層包頭、物理層凈荷三部分組成。

1.2.2 ZigBee協議棧MAC層

　　MAC層由其對應的PHY層決定，可以實現各種不同功能，其實現主要功能包括設備無線鏈路建立、終止和維護，其數據包信息分別是載荷、幀頭和幀尾。

1.2.3 ZigBee協議棧應用層和網絡層

　　協議棧應用層中，應用支持子層確保綁定設備的通訊。ZigBee設備功能是確定設備在網絡中的位置和建立網絡設備間安全應用層。

　　網絡層為MAC提供其工作過程中所需接口函數，以確保MAC層正常運作，且為應用層提供所需服務接口，還可提供數據和管理服務實體。此外，管理實體還能夠運用網絡層數據實現網絡管理，以便對網絡信息庫進行監測和維護。

2 智能家居安防系統

2.1 安防系統硬件設計

　　在實際應用中，將溫度傳感器、霍爾傳感器、氣體探測器、紅外探測器與CC2530傳輸模塊連接，各需要一組，并使之實現與微機的通訊。CC2530硬件設計分為主控電路、射頻前端電路、傳感器電路等。其中最為主要的是主控電路，負責控制CC2530的工作過程。其電路連接示意圖如圖3所示。射頻前端電路則決定著傳輸的質量，芯片的輸出信號為差分信號，所以射頻前端加入差分單端轉換電路，另外在射頻前端需進行阻抗變換。

2.2 硬件通訊功能實現

　　CC2530作為構建無線網絡的核心器件，不僅符合ZigBee技術，而且還具有強大的串行通信接口，使其應用范圍更加廣泛。其內核為增強型8051，但是鑒于系統節點多、數據量大等原因，需要借助具有強大數據處理功能的計算機完成數據的處理、分析及控制，協調器只做網絡管理及數據中轉功能。系統通過接口電路將CC2530的串行接口和PC機的COM口相連，完成無線網絡與運行控制系統的PC機相互通信，配合LabVIEW內置的串口控制模塊實現各個傳感器與主機通訊。

3 智能家居安防監控系統的軟件設計

3.1 CC2530軟件設計

　　每個傳感器模塊都連接一個CC2530芯片，而每一個芯片在出廠時都會分配唯一的MAC地址。在安裝好TI提供的協議棧，zstack的工程電腦中分別下載EDEB-PRO,REB-PRO,CEB-PRO到模塊中。依據星形拓撲網絡修改傳輸程序，設定與主機連接的協調器，每收到一個傳輸請求都先校驗其通訊地址，然后建立連接，按需進行數據傳輸。主機設計為同步通訊，可同時監測各個傳感器的實時信息。數據傳輸是CC2530模塊軟件設計的關鍵，數據的發送由傳感器端調用AF_DATAREQUEST()函數實現，數據的接收由zstack完成，數據傳輸完成后再觸發調用SYS_EVENT事件及MSG_CMD。主機接收到后，調用用戶程序進行處理，即完成一次信號的傳輸。

3.2 安防系統軟件設計

　　用戶軟件設計采用適用于智能家居視圖的開發環境——LabVIEW，該智能家居安防系統主要包括五部分功能：1)各個家用電器的開關控制;2)家庭內部溫度的實時監控與控制;3)家庭煤氣使用的安全監控;4)防止外來入侵的安保系統;5)防止火災的警報系統。

　　在主監控界面上按下啟動按鈕，整個系統就處于工作狀態。監測室溫、煤氣泄漏的監測系統、安保系統及防火的煙霧系統開始工作。通過主監控界面上的子系統選擇器，可跳轉到每個子系統的具體數據監測界面，而各個家用電器開關部分都可以在主監控界面得到控制，其中還包括全屋的電源總開關，如圖4所示。

　　在室溫監測部分可以看到實時的家居內部溫度。為提高居住環境舒適度，可以自行設置一個舒適的溫度范圍，當超出設定范圍時，信號燈便會提示，與此同時，空調也會按照設定自行打開，使室溫回到舒適的范圍內，如圖5所示。家用煤氣監測部分主要功能是監測煤氣管道是否漏氣及統計用氣量，如圖6所示。

　　在安保系統方面，每個紅外傳感器對應一個信號燈。當安保系統啟動時，有非法外來入侵時，信號燈就會變紅，同時發出警報響鈴，而且還能通過主監控界面上的信號燈知道入侵者從何而來，該功能可以利用布爾原件的與門實現，如圖7所示。

　　在煙霧感應系統方面，主要起到防止火災的作用。當信號燈變紅，表示檢測到火情，同時發出警報音，主監控界面上立即顯示具體火災現場，以便于逃生，如圖8所示。溫度檢測模塊樣機，如圖9所示。

4 結語

　　本文探討了ZigBee技術在家居安防中的應用，對短距離穩定數據無線傳輸有較強的實用價值，提供了安防系統常用模塊的整套方案。監控界面設計思路清晰，各功能安排層次分明，后臺分析合理。并能在功能演示環節，模擬現場，完成對應功能，基本符合相關要求，具有市場推廣意義。

參考文獻:

　　[1]廖秋香.基于ZigBee技術的智能家居安防系統設計研究[J].科技信息,2012(8):16-16.

　　[2]郭紅丹.基于無線網絡的家居安防系統的設計研究[J].硅谷,2012(2):98-98.

　　[3]楊彬彬.智能家居安防監控系統的設計及軟件實現[D].山東大學,2008.

　　[4]倪偉.智能家居安防系統的設計[J].淮陰工學院學報,2009,18(5):48-53.

　　[5]周潔明.基于LabVIEW的遠程無線監控系統[D].同濟大學2009.

本文來源于《電子產品世界》2017年第1期第69頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。