基于ZigBee的家庭安全监控系统研究

王步洲，陈宁坡, 李 妍，李朝阳, 蔡凌云

(1. 东旭集团有限公司，河北石家庄 050000;2.河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄 050018；3.河北工业大学计算机科学与软件学院，天津 300401)

基于ZigBee的家庭安全监控系统研究

王步洲1，陈宁坡2, 李 妍3，李朝阳1, 蔡凌云2

(1. 东旭集团有限公司，河北石家庄 050000;2.河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄 050018；3.河北工业大学计算机科学与软件学院，天津 300401)

通过对家庭安全监控系统需求的分析，设计了一种基于ZigBee技术的家庭安全监控系统。分析了家庭安全监控系统的特点，给出了ZigBee网络组建方法和系统的软硬件设计，并介绍了ZigBee网关的实现方法和硬件设计，完成对家庭安全监控系统的搭建。实验验证本系统稳定性强，使用灵活方便，可以实现家庭安全的实时监控，保障家庭安全。

安全监控；ZigBee；组网；STM32W108；网关

当今人们的安全意识逐渐提高，越来越多的人们，尤其是上班族和经常出差的人开始考虑安装家庭安全监控系统。家庭安全监控系统的关键技术是传感器的准确性和网络通信的稳定性。由于科技的进步，单一的报警传感器的误报率极低，但只能满足单一化的场地需求，对于多元化的家庭安全监控来说，还是达不到安全监控的目标。家庭安全监控系统的通信方式大致分为有线和无线两种。有线方式有电力载波通信、总线网络等，这种方式由于其准确、可靠，得到大多数人的认可，但其存在安装布线和拆卸的不方便以及价格昂贵等缺点。随着科技的发展，无线通信的可靠性大大提高，人们开始考虑采用无线的方式进行信息传输。无线方式有蓝牙( Bluetooth)，WiFi，ZigBee，无线USB，UWB及红外等。无线方式的优点在于无需布线，节省资源，能够降低施工难度。在各种无线通信标准中，ZigBee技术的低功耗、容量大、安全性、组网方便等诸多优势，使其在激烈的竞争中脱颖而出。

基于以上描述，提出一种采用ZigBee技术组网的家庭安全监控系统，通过无线通信方式连接各种检测传感器[1]，经过网关将数据信息传至远端，实现家庭远程监控。

1 ZigBee无线网络组建

1.1家庭监控ZigBee网络拓扑的选择[2-3]

ZigBee网络的拓扑主要有星型、网型和簇树型结构。

分析家庭安全监控系统的需求如下：1)家庭安全监控系统整体应采用低功耗器件，为了减少供电线的限制，可用高容量锂电池供电，所以应尽量减少终端节点的工作量，节约终端节点用电；2)家庭安全监控系统中外接的传感器主要是开关量信号，网络中传输处理数据量不大，不必采用复杂的网络拓扑来保证数据通信的可靠性；3)家庭安全监控系统控制网络的设计不需要很大的覆盖范围，根据ZigBee的标准说明，空旷环境传输距离为90～100 m，在室内有墙壁等障碍物的环境一般也能达到30～70 m的覆盖距离，这已经满足了大多数的家庭安全监控系统的需求。

通过上述分析，采用星型网络拓扑结构完全能满足家庭安全监控系统要求，并且成本低廉、实现简单、连接容易、容易扩充和管理、不涉及路由寻址等特点。星型网络拓扑结构由一个协调器节点(主设备)和一个或多个终端设备(从设备)组成，主设备和从设备网络标示符一致。

1.2采用ZigBee网络协议组建网络

在无线模块组成的网络中，一个ZigBee无线模块称为一个节点。在ZigBee网络存在3类节点，分别是协调器节点、路由节点以及终端节点。ZigBee协议栈构建在IEEE 802.15.4标准基础之上，IEEE 802.15.4标准定义了物理层和MAC层。每个ZigBee节点都有一个唯一的8字节 MAC 地址。因此家庭安全监控系统使用MAC地址作为网络地址进行寻址即可[4]。

2 系统方案设计

家庭安全监控系统由各类检测传感器模块、报警模块、ZigBee通信模块以及网关等组成。每个检测传感器模块和报警模块与ZigBee通信模块相连作为终端节点，网关与ZigBee通信模块相连作为协调器节点并负责将采集到的终端节点的数据发送至远程客户端。按照上述的方法组成星型网络，用户可以通过无线遥控或远程客户端对家庭环境进行布防、撤防，各类检测传感器实时探测相应的家庭安全情况，例如入侵事件或意外情况、发生异常事件(如非法入侵、煤气泄漏等)，检测传感器可立即通过ZigBee无线模块传至远程客户端并发出警报[5]。

本系统可以完成：1)实时检测入侵事件，例如门窗异常开启或室内异常人体活动；2)实时检测家内安全情况，例如火灾引起的烟雾检测或一氧化碳/天然气泄漏检测；3)远程和现场报警相结合，现场的声光报警，远程的短信/电话报警，并可以根据需要接通相关的报警电话；4)异常事件发生时可触发摄像机录像并存储至云平台，做好图像证据记录；5)通过云平台远程视频查看家里状况；6)使用遥控器或远程客户端一键设置布防/撤防。家庭安全监控系统的结构如图1所示。

图1 家庭安全监控系统结构图Fig.1 Structural drawing of home security monitoring system

3 系统硬件设计

家庭安全监控系统硬件由处理器模块、检测传感器模块、无线通信模块、电源模块、报警模块、网关模块和网络摄像头7个模块组成。

处理器模块和无线通信模块均采用意法半导体(ST)公司推出的STM32W108无线射频WSN/ZigBee单片机。STM32W108是一个基于ARM Cortex-M3内核的MCU与2.4 GHz基于IEEE 802.15.4标准的无线射频(RF)结合的SoC，内部既有强大的MCU通用资源和外设，也有特殊的射频模块。片上系统STM32W108具有MCU一般的通用外设，例如GPIO、通用定时器、串行接口、中断等，所以无需额外加MCU对系统进行数据处理。处理器模块负责控制整个节点的数据处理操作、路由协议、功耗管理、任务管理和实现网络安全可靠的通信协议。无线通信模块负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发数据。

检测传感器模块包括各类安全检测传感器，例如门磁/窗磁开关、人体热释电红外传感器、烟雾探测器、一氧化碳探测器、震动传感器以及网络摄像头等。检测传感器模块主要负责监测区域内信息的采集并将各种传感器采集的信号转变为数字信号传送给处理器模块。

报警模块包括声光报警器和GSM短信/电话报警。报警模块负责接收传感器模块的信息，提供远程报警和现场报警。

电源模块可用高容量锂电池供电，但要注意STM32W108内部是+3.3 V供电电压，需要添加电压转换电路，以保证在终端节点STM32W108与传感器同时工作。电源模块负责为节点的各个功能模块供电。

各类检测传感器通过GPIO与STM32W108相连；便携遥控器连接STM32W108的中断引脚，用于对家庭环境进行布防、撤防设置；网络摄像头、GSM模块通过串口与STM32W108进行通信。系统硬件连接框图以热释电红外传感器为例，如图2所示。

图2 热释电红外传感器硬件连接框图Fig.2 Hardware connection diagram of pyroelectric infrared sensor

4 ZigBee网关设计

网关控制部分用于完成对ZigBee协议数据打包，从数据包中提取有效信息，并转化成Internet协议数据，也就是TCP/IP数据包数据，通过UDP方式或TCP方式经过有线或3G无线路由器传给远程客户端，完成整个网络的数据传输[6]。

为实现ZigBee向以太网协议数据转换，该部分采用以太网控制芯片和MCU控制来实现，以太网芯片采用WIZnet系列的W5300以太网芯片来实现，该芯片支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，IGMP，ARP和PPPoE等全部通信协议并能够高性能实现数据通信。W5300支持16位数据总线和8位数据总线，对寄存器访问模式支持直接和间接访问操作，用户可以使用8个独立的SCOKET端口进行高速数据通信，W5300与主机(MCU)采用总线接口方式，通过直接访问方式或间接访问方式，W5300与主机接口实现通信非常容易。而采用总线访问的好处就是一旦配置好之后读写控制及数据都是FSMC自动控制的。当向地址总线所代表的地址上写数据时，FSMC就会自动执行一个向W5300写的操作，其对应的主控芯片的WE，RD这些脚就会呈现出写的时序出来，因而就执行了一次读或写的操作，就如访问内部RAM一样。

由于直接寻址模式比间接寻址模式具有更高的访问速度，本设计采用直接地址访问方式，采用ST系列的STM32F207ZGT6单片机作为主控芯片，该单片机具有6路同步或异步串行口并支持26位FSMC地址和16位数据总线，总线长度可根据需求灵活配置，设计采用STM32F207ZGT6地址总线AD[0：9]和W5300的地址总线AD[0：9]相连，数据总线DATA[0：15]和W5300的数据总线DATA[0：15]相连，其他控制信号相互连接，电路设计如图3所示。

图3 网关硬件连接图Fig.3 Hardware connection diagram of gateway

各路ZigBee中心站点通过射频单片机STM32W108串口和主控CPU STM32F207ZGT6串口相连，主控CPU接收到ZigBee中心站点发来的数据后，将数据通过地址数据总线控制写入以太网控制芯片W5300，同时W5300接收到网络传输过来的数据后，传送给主控CPU，CPU便执行一次读时序操作并将读到的数据传递给相应的ZigBee中心站点[7-8]，从而完成ZigBee协议数据向以太网协议数据的转换。

每个ZigBee中心站点可接入一个家庭用户，每一个用户可对应一路SCOKET或多路SCOKET进行通信，这样就构成了具有强大承载能力的网关数据通信功能。

5 系统软件设计

本系统软件开发环境采用IAR System公司的IAR embedded workbench for ARM(EWARM)集成开发环境。EWARM是IAR目前发展很快的产品，编译器还可针对一种SoC芯片进行专门优化[9]。

本系统组建的家庭网络采用星型拓扑结构。ZigBee终端节点负责采集终端设备数据，接收来自协调器的命令并执行，将数据汇报给协调器，协调器将数据处理打包传递给网关，网关部分将数据打包成TCP/IP协议数据包传递给网络服务端，进而实现远程监控；协调器也可以控制GSM模块进行短信/电话报警；远程客户端也可以通过网络控制家庭监控系统的布防、撤防，并通过网络摄像头监控家里的情况[10]。其终端节点的主流程图和中断流程图如图4所示，协调器节点的主流程图和中断流程图如图5所示。

图4 终端节点的主流程图和中断流程图Fig.4 Flow chart of main program and interrupt process of the end device

图5 协调器节点的主流程图和中断流程图Fig.5 Flow chart of main program and interrupt process of the coordinator

6 结 语

本研究提出并完成一种基于ZigBee的家庭安全监控系统设计，分别从ZigBee组网设计、系统方案设计、硬件设计、软件设计以及网关等方面深入ZigBee技术在该系统中的应用。采用具有MCU与2.4 GHz无线射频结合的SoC-STM32W108作为系统的处理器和无线传输模块，实现了快速率、低成本、低功耗的无线网络通信。通过将传统检测传感器与无线模块相连成为终端节点，协调器接收数据后经过网关传至远程客户端，终端节点自由加入网络，从而实现灵活、便捷的家庭安全监控系统。

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Research of ZigBee-based home security monitoring system

WANG Buzhou1， CHEN Ningpo2， LI Yan3, LI Chaoyang1， CAI Lingyun2

(1.Dongxu Group Company Limited, Shijiazhuang Hebei 050000, China; 2.School of Information Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China;3.School of Computer Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)

Through analysis of the requirement for home security monitoring system, a home security monitoring system design based on ZigBee technology is provided. The characteristics of home security monitoring systems are analyzed, then the construction method of ZigBee network and hardware and software design are realized. The implementation method and hardware design of ZigBee gateway are also introduced. Experiment results show that the system can achieve and guarantee real-time monitoring of home security, and it has strong stability and is convenient to use.

security monitoring; ZigBee; networking; STM32W108; gateway

1008-1534(2013)04-0257-05

TP277

A

10.7535/hbgykj.2013yx0409

2013-04-01；

2013-05-04

责任编辑：陈书欣

地震科技星火计划(XH12005Y)

王步洲(1977-)，男，河北冀州人，工程师，主要从事机电一体化设备方面的研究。

陈宁坡。E-mail:chenningpo3@163.com