基于ZigBee的智能家居安防系统设计

方涛涛,　马小军,　陈　冲

(南京工业大学 电气工程与控制科学学院, 江苏 南京　211816)

基于ZigBee的智能家居安防系统设计

方涛涛,马小军,陈冲

(南京工业大学 电气工程与控制科学学院, 江苏 南京211816)

摘要：设计了一种基于ZigBee技术的智能家居安防系统,使用芯片CC2530实现无线组网,采用多个终端节点对室内各处的温/湿度、可燃气体、人员入侵等进行探测。系统调试结果表明,基于ZigBee技术的智能家居安防系统各终端节点将采集的数据发送到协调器,再通过串口将数据发送到智能家居的管理平台,从而实现对智能家居安全防范的监测和报警。

关键词：智能家居; 安防系统; 无线通信; ZigBee技术; 气体检测

0引言

目前,智能家居中使用的通信技术一般为有线传输和无线传输两种方式。有线传输存在布线复杂、可扩展性差、标准不统一等缺点,因此一般采用无线方式进行数据传输。ZigBee具有距离近、功耗低、成本低、组网方式灵活等优点,在智能家居安防系统中已得到广泛应用[1-3]。

1系统方案设计

智能家居安防系统通过使用CC2530来实现无线组网,采用多个终端节点对室内各个地方的温/湿度、可燃气体、人员入侵安防信息等进行探测,将检测的数据打包后发给协调器。对于距离较远的终端节点,通过加设路由节点把数据顺利传输到协调器。协调器接收不同的终端节点或路由节点传输的数据,在协调器上显示并且上传给智能家居的管理平台。智能家居的管理平台接收来自安防系统的数据,从而实现对智能家居安全防范的监测和报警。

采用星形网络的拓扑结构,所有的终端节点都连接在协调器上,每个节点将采集到的传感器数据发送到协调器上,协调器再与管理系统通信。系统框架如图1所示。

图1　系统框架

2系统硬件设计

2.1单片机的选择

CC2530能通过较少的材料成本建立比较强大的网络节点,具有低能耗、高性能特点[4],故选择CC2530作为系统核心芯片。

2.2硬件总体设计

硬件设计分为协调器节点设计和终端节点设计,协调器节点设计主要考虑终端节点通信以及帮助上位机上传信息,而终端节点设计主要考虑传感器数据的采集和传输。CC2530最小系统板、液晶显示屏、电源等部分电路共同组成协调器节点。协调器的作用是以程序中设定的ID建立唯一ID的PAN网络,接收ZigBee网络中所有终端节点传输的传感器数据,协调器负责显示和处理收到的数据,通过串口发送到智能家居的管理平台,并在液晶显示屏上显示。协调器节点结构如图2所示。

图2　协调器节点结构

CC2530最小系统板、温/湿度传感器和各类气体检测传感器、振动传感器、电源等部分共同组成系统的终端节点。终端节点的作用是先搜索附近是否有自身ID的PAN网络,成功搜索之后自动加入网络,再周期性地将传感器采集的数据打包,发送给处于同一网络中的协调器。终端节点结构如图3所示。

2.3硬件部分电路设计

2.3.1CC2530最小系统电路

CC2530最小系统电路由CC2530芯片、高速晶振振荡电路、低速晶振振荡电路、射频发射电路以及一些电源滤波电路组成,在CC2530所有电

图3　终端节点结构

源引脚处接上滤波电容可以滤除电源的杂波,使CC2530可以更加可靠、稳定地运行。射频电路接入特定阻值的电容和电感,以提升CC2530的传输距离和传输质量。

2.3.2部分传感器采集电路

热释电传感器模块可以输出数字量,需要一个I/O口进行采集[5]。CC2530不停地读取I/O获取的值,判断是否有人靠近。热释电传感器检测电路如图4所示。

图4　热释电传感器检测电路

2.3.3电源电路

系统电源支持适配器供电和电池供电两种方式,适合ZigBee网络中不同功能的节点。因为协调器、路由器需要长时间不停地工作,功耗较大,为了系统稳定工作,可以使用适配器经过线性稳压芯片后再给系统供电,系统功耗比直接采用电池供电要低。电源电路如图5所示。

图5　电源电路

3系统软件设计

系统软件编程部分由C语言实现。将传感器、液晶等外设的模块化程序可以不通过协议栈直接调试出,再将数据采集和显示的模块程序与Z-stack协议栈整合、调试。为解决ZigBee协议复杂、不便于开发的问题,运行协议栈通过一个小型的操作系统(操作系统抽象层OSAL)使ZigBee开发简单化[6-8]。

协调器上电后根据编译时给定的参数,在某个频段发起一个网络,网络频段的定义放在f8wConfig.cfg配置文件中,根据定义建立PAN ID,扫描DEFAULT_CHANLI ST指定的所有信道,并选择最佳信道组建一个ZigBee网络。传感器节点启动后进行硬件的初始化,然后扫描DEFAULT_CHANLIST所指定的信道,并根据所定义的PAN ID自动加入网路。

协调器程序流程如图6所示。

图6　协调器程序流程

终端节点程序流程如图7所示。

图7　终端节点程序流程

在协调器创建ZigBee网络后,终端节点设备会自动加入网络。协调器和终端节点之间建立无线通信,它们之间数据的发送主要分为周期定时发送和通过按键事件触发。系统传感器数据采集是用周期性定时发送的方式来发送给协调器的。在Z-stack协议栈中,每个任务都有一个对应的ProcessEvent()事件处理函数,并循环检测事件的产生。当一个事件产生时,系统轮询到该事件时,该事件就会被执行。

4系统调试

系统中共制作了3个终端节点和1个协调器节点。在完成实物焊接与安装后,分别将写好的终端节点和协调器节点程序烧入相应的处理器中,观察协调器节点上液晶显示屏是否正确显示每个终端发来的传感器采集数据。具体的调试过程如下:

(1) 打开协调器电源,选择最优的信道,并为网络选定一个网络标志符,开始组建网络,自组网灯常亮时,属于协调器的PAN网络组建完成。协调器启动如图8所示。

图8　协调器启动

(2) 打开所有终端节点电源,所有终端节点立刻搜索附近的网络,找到带有自身ID的PAN网络,并加入,协调器就可以收到来自节点1温/湿度传感器的值、节点2红外热释电的值、节点3气体传感器的值。终端节点加入网络如图9所示。

图9　终端节点加入网络

(3) 协调器节点显示屏在正常显示传感器数据的情况下,改变传感器的检测环境,观察协调器节点显示屏上对应的数据是否变化,判断系统是否工作。

由图9可见,节点1显示的室内温度为28 ℃,相对湿度69%;节点2由于传感器附近没有人入侵,所以显示无人;节点3显示了当时的空气情况。在启动协调器模块后,各个终端节点和路由器能够快速实现自动组网,各终端节点将采集的传感器值发送给协调器,协调器接收数据后在显示屏上显示,并且通过串口将接收到的数据发送给智能家居的管理系统。一旦数据到达设定的警戒值后,管理系统会联动安防报警系统。

5结语

基于ZigBee的智能家居安防系统具有低功耗、高可靠性、大网络容量、低数据速率等特点,摆脱了传统的有线传输方式,从而彻底解决了系统的布设、维护和更新升级的问题。经调试,基于ZigBee的智能家居安防系统运行可靠、稳定,可以实现传感器数据的采集和传输,满足了人们对智能家居安防系统的需求。

[1]ELAHI A,GSCHWENDER A.ZigBee wireless sensor and control network[M].Prentice Hall Press,2009.[2]刘川来,张典,宁通.基于ZigBee技术的家庭安防网络的设计[J].传感器与微系统,2009,28(1):90-93.

[3]戴善溪,张效民.基于ZigBee技术的数字式温/湿度监测网络设计[J].国外电子测量技术,2010(2):47-49.

[4]杨松,胡国荣,徐沛成.基于CC2530的ZigBee协议MAC层设计与实现[J].计算机工程与设计,2013(11):3840-3844.

[5]丁海斌.智能传感器网络系统[M].北京:科学出版社,2006.

[6]周立功.单片机实验与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

[7]黄磊,付菲,闵华松.基于ZigBee技术的智能家居方案研究[J].微计算机信息,2009(14):71-73.

[8]张涛.基于CC2530的温度监测模块设计与应用[D].南昌:南昌大学,2012.

Design of Security and Protection System of Smart Home Based on ZigBee

FANG Taotao,MA Xiaojun,CHEN Chong

(College of Electrical Engineering and Control Science, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China)

Abstract：This paper designed a security and protection system of smart home based on ZigBee technology.The wireless networking was implemented by using CC2530 chip.The temperature and humidity,combustible gas,personnel intrusion detection were detected by using multiple terminal nodes in every region of the indoor.The test debugging results show that the terminal nodes of security and protection system send the collected data to the coordinator,then the management platform of smart home receives the data though serial port,which can realize the security monitoring and alarming of smart home.

Key words:smart home; security and protection system; wireless communication; ZigBee technology; gas detection

中图分类号：TU 855

文献标志码：B

文章编号：1674-8417(2016)05-0030-04

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.05.008

收稿日期：2016-02-26

马小军(1956—),男,教授,研究方向为建筑智能化。

陈冲(1991—),男,硕士研究生,研究方向为建筑智能化。