基于ZigBee无线通信的家庭智能安防系统设计＊

陈博睿 何泓洋

（1.武汉工程大学邮电与信息工程学院电信学部 武汉 430074）（2.海军工程大学导航工程系 武汉 430033）

1 引言

物联网的概念由美国麻省理工学院于1991年（MIT）首次提出。在之后的二十余年里，随着传感器技术、嵌入式系统技术和RFID标签技术等快速发展，物联网技术取得了飞速发展并走进人们的生活，进而有了智能家居的概念。

家庭安防系统［1～3］是智能家居的子系统。随着世界经济的发展，人们的生活水平不断提高，对物质安全的重视程度也随之提高。加上电器的大量使用、生活节奏加快，住宅出现火灾、煤气泄漏等安全隐患较以往大大增加，威胁到人们的生命、财产安全。因此，人们迫切需要智能化的家庭安防系统在住宅发生安全事故时进行紧急处理，并向自己和物业报警。

本文设计了基于ZigBee无线通信技术的家庭安防系统。系统合理利用了无线通信无需繁琐布线，以及ZigBee技术低功耗、高可靠性等优势，选取了有效的通信策略。同时，设计了基于ARM技术的功能完善、可拓展性强的控制策略。因此，本系统有较强的使用价值。

2 系统工作原理

家庭安防系统主要由前端系统和后端系统两个部分组成。前端系统主要分为检测传感器、信号处理器和无线发射器。后端系统主要分为无线接收机、中央处理器和外围响应电路。家庭安防系统的工作原理如图1所示。

图1 家庭智能安防系统原理图

如图1所示，在家庭安防系统中，检测传感器接收到相关信号之后，将其发送给信号处理器。信号处理器对信号的类别、危险等级等进行标记，并按一定格式进行编码，然后将编码后的信号传输给无线发射器。通过基于ZigBee技术的无线通信设备，将安防信号传输到中央处理器，处理器对接收到的数据进行解码，然后根据信号的类别、危险等级等信息输出相应的控制量，控制外围响应电路和相关设备的动作。

3 系统总体结构及硬件构成

家庭智能安防系统主要由检测传感器模块、无线通信模块、中央处理器模块和外围响应电路模块组成。系统总体方案如图2所示。

图2 家庭智能安防系统总体结构图

如图2所示，本系统的检测传感器分为红外探测器、门／窗磁式传感器、预警求助按钮、烟雾探测器和煤气报警器。无线发射装置采用了CC2538无线发射器，无线接收装置采用了CC2538无线接收机。中央处理器采用了AT912RM9200芯片。外围响应电路分为气阀切断电路、排气扇开启电路、电源切断电路和GPRS发送模块。

3.1 传感器模块及外部响应电路

传感器模块通过对室内各种环境的监测，为家庭安防系统提供防盗、防火、煤气泄漏和紧急求助等信号。外部响应电路是家庭安防系统的终端执行模块，它接收中央处理器的指令对传感器的各种信号进行响应。

下面，对本系统中使用的主要传感器及其驱动外部响应电路的机理进行说明。

1）人体红外热释电传感器。人体红外热释电传感器用以检测人体发射的红外线，以识别是否有人在传感器的监测区域内活动。当人体进入传感器的探测区域时就产生电平触发信号通知中央处理器有人体接近，中央处理器驱动外部GPRS模块进行报警。

2）门窗磁式传感器。门窗磁式传感器它有两部分组成：较小的部件为永磁体，内部有一块永久磁铁，用来产生恒定的磁场；较大的是门窗磁式传感器主体，内部有一个常开型的干簧管。当永磁体和干簧管靠得很近时（小于5mm），门窗磁式传感器处于工作守候状态；当永磁体离开干簧管一定距离后（大于8mm），门窗磁式传感器立即产生报警信号，中央处理器接收到该信号后，驱动外部GPRS模块进行报警。

3）烟雾报警传感器。烟雾报警传感器是火灾探测器的最常用类型，它能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能，是居民家庭通用的火灾报警器。遇到火灾发生的烟雾时，传感器产生报警信号。中央处理器接收到该信号后，一方面联动排风扇，把烟雾排出室外；另一方面，通过GPRS模块报警。

4）燃气泄漏传感器。燃气泄漏传感器分布于厨房里面执行燃气泄漏监测任务，以防止燃气中毒和燃气爆炸事件的发生。燃气泄漏报警器通过气体传感器探测周围环境中的低浓度可燃气体，经过采样电路，将探测信号用模拟量或数字量传递给控制器或控制电路，当可燃气体浓度超过控制器或控制电路中设定的值时，传感器产生报警信号，进而中央处理器驱动外部电路关闭燃气阀门、关闭室内电源并通过GPRS模块发出报警。

5）紧急求助报警按钮：在家庭安防系统中接入各种求助按钮，使得家中的老人小孩在遇到紧急情况时通过启动求助按钮快速进行现场报警和远程报警，及时获得各种救助。

3.2 ZigBee无线通信模块

3.2.1 ZigBee无线通信技术

Zigbee［4～9］是基于IEEE802.15.4标准的低功耗无线网络协议。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。

ZigBee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee网络中设备的可分为协调器（Coordinator）、汇聚节点（Router）、传感器节点（EndDevice）等三种角色，主要适用于自动控制和远程控制领域。

结合本系统的应用实际，ZigBee无线通信设备的主要优势在于：低功耗，低速率，可靠性高。

· 低功耗：由于本系统有多个无线终端设备长时间处于待机或工作状态，若无线通信设备功耗太大势必造成能源浪费以及整个安防系统的运行成本过高。因此，ZigBee无线通信设备的低功耗特点使得它非常适合本系统。在低耗电待机模式下，两节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比较而言，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。

· 低速率：在本系统中，通过无线通信设备传输给中央处理器的传感器信号的数据量非常小、频率非常低。因此，系统无需使用高速通信技术。ZigBee工作在20～250kbps的速率，分别 提供 250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。

高可靠性：无线通信设备的稳定、可靠性是本系统的关键。因此，高可靠性的ZigBee技术是本系统无线通信环节的理想选择。

3.2.2 通信模块片上系统

本系统采用了德州仪器公司推出的CC2538片上系统作为无线通信模块的核心。

CC2538片上系统是目前业内集成度最高的Zigbee解决方案。它包含一个强大的基于ARM Cortex M3的微控制器（MCU）系统，此系统具有高达32K片载RAM 和512K片载闪存。这使得它能够处理具有安全性、包含要求严格的应用以及无线下载的复杂网络堆栈。32个通用输入和输出（GPIO）以及串行外设接口可实现到电路板其它部分的简单连接。强大的安全加速器可在CPU处理应用任务的同时实现快速且高效的认证和加密。具有保持功能的低功耗模式可实现从睡眠状态中的快速唤醒并且大大降低了执行周期任务时的能耗。为了实现顺利平稳开发，CC2538包括一个强大的调试系统和一个综合性驱动器库。为了减少应用闪存封装尺寸，CC2538ROM包含一个实用功能库和一个串行引导加载器，与德州仪器（TI）提供的ZigBee协议栈PRO或Zigbee IP协议栈组合在一起免费使用。CC2538能提供市面上功能最强大且可靠耐用的Zigbee解决方案。

采用CC2538片上系统可以保证家庭安防系统无线通信模块正常工作，而且在设计上具有良好的拓展性。随着全球物联网技术的迅速发展，家庭安防系统也必将不断发展和完善，CC2538片上系统为家庭安防系统的拓展与进化创造了条件。

3.3 中央控制器

本系统选用AT91RM9200处理器作为系统的核心处理单元。AT91RM9200是ATMEL公司生产的一款高性能的ARM9［10～11］芯片，它是一款通用工业级 ARM 芯片，主频为180MHz／200MIPS，已经在工业控制、智能仪器仪表等领域内得到了大量的应用。

AT91RM9200是完全围绕ARM920TARM Thumb处理器构建的系统。它包括一个高速片上SRAM工作区及一个低等待时间的外部总线接口（EBI），以完成应用所要求的片外存储器和内部存储器映射外设配置的无缝连接。EBI有同步DRAM（SDRAM）、Burst Flash及静态存储器的控制器，并设计了专用电路以方便与SmartMedia、CompactFlash及NAND Flash连接。AT91RM9200集成了丰富的系统与应用外设，同时也集成了很多标准接口，包括USB 2.0全速主机和设备端口及与多数外设和在网络层广泛使用的10／100Base－T以太网媒体访问控制器（MAC）。高级中断控制器（AIC）通过多向量，中断源优先级划分及缩短中断处理传输时间来提高ARM920T处理器的中断处理性能。因此，AT91RM9200能够为低功耗、低成本、高性能的计算机需求提供一个单片解决方案。

本系统中采用AT91RM9200进行数据处理并输出控制信号。AT91RM9200强大的运算能力可以满足家庭安防系统对数据处理的需求，它多样化的对外接口可以实现与多种外设的通信，使得本系统的中央处理器有较广的适用范围。

4 系统软件设计

系统开机后，主机处于设防状态。此时，传感器通过信号处理器和无线通信模块发送给中央处理器的信号将被主机读取和处理，进而驱动GPRS报警模块以及外围联动设备。软件的总体流程如图3所示。

系统软件总流程如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。

如图3所示，系统开机后，若无线接收机有事故信号输入到中央处理器，则系统首先对信号进行解码，进而确定事故的类型以及危险等级。根据不同的事故类型驱动相应的外围设备，并通过GPRS模块向主人或者物业报警。上述工作完毕后，程序运行结束，系统进入待机状态。

图3 软件程序流程图

5 结语

本文设计了一套家庭智能安防系统。首先对系统工作原理进行了分析，对系统硬件构成进行了设计。分析了Zigbee无线通信技术的优势，并利用基于ZigBee的技术的CC2538片上系统对无线通信系统进行了设计。提出了利用基于ARM技术的AT91RM9200芯片作为中央处理器的核心。设计了安防系统控制软件，分析了软件程序流程。在硬件设计上，为系统进一步开发和完善预留了空间。可以预见这种家庭智能安防系统可以在家庭防盗、防火、防止煤气泄漏等工作中发挥作用，有效保护人们的生命、财产安全。

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