基于物联网无线传感的小区安防系统设计

贺小艳

（河源职业技术学院电子与信息工程学院，广东河源，517000）

0 引言

更舒适、更节能、更安全的生活是如今更多人的追求。因此，人们对安防系统的要求不仅能有效保证财产安全，防止没有授权的非法入侵，还要求能实时连续监测水、电、煤气、求助报警等家用设备的运行，以便能及时消除火灾隐患和防止有害气体中毒。而目前的安防系统只是以防止非法入侵为目的，多采用有线技术进行联网；另外有线安防系统还存在线路老化、电磁干扰等增加系统误报率的问题。因此，研究了一种能将所有信息点进行连接、管理并使用无线网络技术的小区安防系统，适应了当今社会的安防需求。

1 Zigbee技术介绍

Zigbee技术是一种无线传感技术，由Zigbee联盟推出，基于IEEE802.15.4标准，并在其基础上增加了网络层、安全层和应用层，来保证无线传输数据的安全性[1]。Zigbee的工作频段2.4GHz免费，容纳节点量高达65000个，节点功耗低，仅2节5号电池就可以维持工作6-24个月[2]。因此，基于Zigbee技术的网络系统，具有低成本、低功耗、大容量、高可靠性、高安全性等特点[3]。

Zigbee技术的这些特性完全符合小区安防网络通讯的需要，因此选择ZigBee技术构建智能安防系统是最佳选择。

2 基于Zigbee的小区安防系统设计

本无线安防系统由4部分组成：底层采集节点、中间路由节点、协调节点和监控中心及用户[4]。系统整体方案如图1所示，由底层传感器节点采集安防信息，将小区内的每栋楼、每个住户设为不同层次的节点，每层设置一个Zigbee路由器，与采集节点形成星型与树型连接，负责完成数据的中继转发，采集到的数据由协调节点传送到PC机或用户。其中底层采集节点、路由节点、协调节点都采用Zigbee技术，协调器与PC机间的通讯采用以太网或GSM等公用传输网，底层采集节点一旦出现任何异常情况，能及时发出报警信号，系统还具有自我诊断功能。

图1 系统整体方案

系统硬件主要由Zigbee无线网络和主控模块组成[4]，其结构框图如图2所示。Zigbee无线网络由各类传感器及无线通信模块构成，Zigbee无线网络将传感器探测到的参数通过串口发送到主控模块，主控模块将接收到的信息发送到用户或监控中心。

图2 硬件结构框图

3 硬件设计与实现

小区安防系统要求具有防火防盗功能，因此系统采用烟雾气敏传感器、温度传感器采集消防参数，被动红外探测器、门磁振动传感器采集安防参数[5]。采集节点由传感器、通信模块及电源组成，以电源作为底板，传感器和通信模块都接在电源底板上，如图3所示。

图3 采集节点结构图

3.1 传感器电路设计

传感器负责检测单个用户的消防、安防信息，将采集到的数据通过节点中的通信模块发送到路由节点，实现楼栋与监控中心的无线通信。其中烟雾气敏传感器选用MQ_2，应用电路如图4所示，该模块支持数字、模拟两种数据采集方式，本系统选择模拟方式。温度传感器选用DS18B20，应用电路如图5所示，DS18B20测量温度范围为-55～+125℃，精度达到±0.5℃，体积小，价格便宜，支持单总线通讯方式。被动红外探测器选用HCSR501，应用电路如图6所示，当有人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动输出低电平；HCSR501是基于红外线技术的自动控制模块，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，可用干电池供电[6]。门磁选用振动传感器SW200D，为单方向性触发开关，开关寿命长，可达10万次。

图4 MQ_2应用电路

图5 DS18B20应用电路

图6 HCRS501应用电路

3.2 电源设计

节点由2节5号干电池供电，输出电压稳定在5V。

3.3 无线通信电路设计

无线通信模块负责无线信号的收发，遵从Zigbee协议，并存储、处理各类传感器的检测数据，模块选用CC2530射频模块。CC2530 是TI公司推出的一款芯片，是一个兼容IEEE 802.15.4的真正片上系统，里面包含了51单片机内核与Zigbee技术，提供了很好的Zigbee协议栈以及解决方案[7]。能以超低材料成本建立强大的网络节点[8]。CC2530的工作电压为2~3.6 V，功耗低，由电源底板提供。

3.4 主控模块硬件设计

主控模块采用STM32F103C8T6单片机，程序存储器容量64KB，工作电压 2V～3.6V，频率为 72MHz，I/O 口为 37 个[9]，价格便宜且够用。保证主控单片机正常工作的最小系统电路包括电源电路、晶振电路、程序下载电路、芯片电路[9]。电源电路如图7所示，从USB电路引入5V电源，通过AMS1117-3.3将5V电压降低到3.3V，为主控单片机提供稳定的电源。本系统设计了USB和JTAG两种程序下载方式，在后期调试过程中根据实际情况方便选择合适的下载方式，程序下载电路如图8所示。

图7 主控电源电路

4 软件设计

系统软件设计主要分为函数初始化模块和串口通信模块。系统上电后，主函数开始对各个模块进行初始化操作，后创建开始任务，创建成功后再进行其他任务的初始化操作并开始各个任务的轮训操作，各个传感器的数据以多任务的形式获取，保证了实时性。

图8 程序下载电路

STM32主控单片机有3个独立的串口，支持中断模式与DMA模式[9]。CC2530提供两个USART串口，将USART0与STM32的USART串口通信。数据的读取使用中断的方式，以下是串口数据读写的核心代码：

5 结论

利用CC2530射频模块和烟雾、红外等各类传感器设计无线安防系统，实现实时监测水、电、煤气、求助报警等家用设备的运行，及时消除火灾隐患和防止有害气体中毒，具有零漏报，零误报，可靠性高，探测范围广的特点。实践证明利用无线组网技术能减少布线施工环节，缩短三分之一的施工周期，节省60%的线材，降低25%的施工成本。

参考文献

[1]黄丹青,费敏锐.IEEE 802.15.4a工业无线标准的研究与应用[J].自动化仪表,2010(1):5-9.

[2]林鑫海,李树磊,赵研,李威.无线传感器网络通信技术与标准化分析[J].移动通信,2014(24):42-45.

[3]李猛,田立国,丁航,刘书威.基于ZigBee的农田土壤水分采集节点的设计[J].科技创新与应用,2017(15):74.

[4]陈海生.基于ZigBee的病房叫号系统的设计[J].医疗装备,2016(11):43-44.

[5]张科.基于ZigBee技术的家用安防系统的设计[J].现代信息科技,2017,02(1):39-41.

[6]路成.物联网智能建筑安防消防探测系统的研制[D].南京师范大学,2015.

[7]周晓,李杰,边裕挺.基于无线传感网络的环境温度监测系统设计[J].浙江工业大学学报,2013,04(41):440-443.

[8]李志瑞,程万里,杜章永.基于CC2530无线MEMS加速度传感器设计与验证[J].物联网技术,2015(6):6-8.

[9]燕丽红,林志雄,王灏.基于嵌入式ARMv7的监测飞行器系统设计[J].电子设计工程,2014(23):70-73.