基于ZigBee通信的家庭安防监控系统 ?

张峥 朱晓雨 包晨露 王丽娜 许鹏

摘 要：基于ZigBee通信的家庭安防监控系统使用CC2530和STM32作为核心微处理器，ZigBee实现对报警按钮、门磁、窗磁以及红外感应模块的实时监测，在出现异常时向嵌入式网关模块发送告警信息。嵌入式主控模块采用高清TFT LCD触摸液晶模块进行用户界面显示和触摸输入检测。结果表明，该系统具备对防盗系统进行启停控制，对采集终端告警信息处理以及将报警信息送至智能手机等功能。

关键词：ZigBee;CC2530;STM32;安防监控系统;红外感应;嵌入式

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2019）06-0-02

0 引 言

本文面向智能家居领域，以智能安防为研究重点，将嵌入式系统、物联网技术、生物识别技术等结合，设计基于ZigBee通信的家庭安防监控系统。该系统实现了对门磁、窗磁以及红外感应模块的实时监测，在以上模块出现异常时告警。用户可采用触摸输入或指纹识别方式以实现对防盗系统的启停控制，使用方便且安全灵活。防盗监测点均为ZigBee无线形式，功耗低且可以自组网，安装布局灵活。此外，网关模块上还配有WiFi通信功能，支持智能手机端远程监测，当用户身处公司或在外旅游时，也能随时监控家中的安全情况。

1 系统设计

本文系统分为嵌入式网关模块和ZigBee终端模块两部分，并分别使用STM32和CC2530作为两者的核心微处理器。ZigBee是基于国际标准IEEE 802.15.4的个人局域网协议的短距离无線通信技术。ZigBee拥有强大的组网能力，网络[1]中最大可允许65 535 B。ZigBee模块具备较好的低功耗特性，可以有效节约成本[2]。ZigBee采集终端用于实现对门磁、窗磁以及红外感应模块的实时监测，在出现异常时会向嵌入式网关STM32[3]模块发送告警信息。嵌入式网关模块采用高清TFT LCD触摸液晶模块进行用户界面显示和触摸输入检测，具备对防盗系统进行启停控制，对采集终端告警信息处理以及将报警信息送至智能手机等功能。系统架构如图1所示。

2 系统实现

2.1 硬件设计

系统的终端模块采用TI公司的CC2530作为微控制器和通信核心芯片，涉及到的传感器有窗磁开关、门磁开关、红外感应器，涉及到的控制模块为声光告警器。采集与控制信号通过ZigBee网络与网关模块进行信息交互[4]。终端模块的硬件设计如图2（a）所示。网关模块部分以ST公司的STM32F407为控制器核心[5]，采用TFT触屏进行显示与控制;告警取消部分采取指纹识别控制;与终端模块信息交流部分采用ZigBee CC2530;与手机通信部分则通过WiFi形式来实现。网关模块的硬件设计如图2（b）所示。

2.2 软件设计

微控制器CC2530使用的协议栈版本为TI ZStack-CC2530-2.1.5.1a。ZStack的体系结构由各层模块组成，每一层为其上层提供特定的服务[6]。每个服务实体通过相应的服务接入点为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。协议栈根据IEEE 802.15.4和ZigBee标准分为以下几层：应用层、网络安全层、介质访问控制层以及物理层。

门磁、窗磁模块以及红外探测模块将采集到的信息以一定的数据帧传送至终端，再以ZigBee无线形式传输至协调器，同时协调器也会将网关传来的触摸控制模块的信息传送给声光告警模块。终端模块的软件设计流程为：首先，在ZigBee系统和相应的I/O口进行初始化，I/O口用来检测各传感器的信息;然后，将检测到的信息以规定好的数据帧通过组播方式发送到协调器，并且做相应的控制;最后，协调器通过串口发送到网关STM32[7]。终端模块的软件设计流程如

3 系统功能测试

本系统采用的物联网技术架构[9]包括感知层、传输层、控制层、软件和开发环境以及应用。感知层由电磁感应终端、红外感应终端及指纹识别终端组成;传输层以ZigBee通信实现终端信息传送，以WiFi通信实现告警信息上报;控制层采用CC2530实现终端控制功能，采用STM32实现网关处理;软件和开发环境有IAR For 8051，MDK5;应用部分有手机终端APP防盗监测[10]。红外采集终端实物图、门窗磁采集终端实物图、指纹识别模块实物图、报警控制终端实物图以及系统整体实物效果图如图4所示。

以一个实际场景为例，测试装置功能。先给所有模块上电，上电后STM32界面效果如图5（a）所示，所有部分都为正常状态，随后短时间打开大门，即打开门磁，操作效果如图5（b）所示。此时显示界面相应位置将会变黄，表示大门显示“开”，但不告警，5 s后若仍为打开状态，装置认为有异常，则STM32和APP显示界面的大门和报警器的状态将会变红，并且报警器也将会随之报警，界面效果如图5（c）和图5（d）所示。此时房主若按下指纹，使报警器停止告警，一切恢复正常且界面效果恢复至图5（a）。同样，若红外探测器检测到有人，也会有类似以上的效果。由此可见，本系统设计的防盗报警装置实现了预期的功能，能够完成家庭防盗报警的任务。

4 结 语

这套系统不仅能够实时监测家庭的安全情况，还可以在发生异常状况时及时向住户告警;而且其所需的门窗磁模块可以灵活地安装在门窗等任何开合式场所，安装过程也很方便快捷。因此该系统一方面可以提高住宅的舒适温馨度，另一方面也可以帮助住户及时了解住宅的安全情况。综上，本系统不仅可以应用于智能家居的环境监测，也可以应用于车间环境监测，市场应用前景良好。

参 考 文 献

[1] KAUR A，KAUR J，SINGH G. An efficient hybrid topology construction in ZigBee sensor network [C]// International Conference on Recent Advances and Innovations in Engineering. Jaipur，India： IEEE，2014： 1-6.

[2] LEE J，DONG M，SUN Y. A preliminary study of low power wireless technologies：ZigBee and Bluetooth Low Energy [C]// 2015 IEEE 10th Conference on Industrial Electronics and Applications. Auckland：IEEE，2015：135-139.

[3]翟亚芳，张天鹏，赵建周，等.基于STM32的家庭智能安防控制系统设计[J].黑龙江大学自然科学学报，2016，33（1）：118-123.

[4]许东，操文元，孙茜.基于CC2530的环境监测无线传感器网络节点设计[J].计算机应用，2013，33（z2）：17-20.

[5]许华春，朱宗玖.基于STM32的家庭智能家居设计[J].中小企业管理与科技，2017（1）：150-151.

[6]徐振峰，尹晶晶，陈小林，等. 基于ZigBee协议栈的无线传感器网络的设计[J]. 电子设计工程，2012，20（5）：75-77.

[7]张艺粟，李鸿彬，贾军营，等. 物联网ZigBee网关的设计与实现[J]. 计算机系统应用，2013，22（6）：34-38.

[8] Firdaus，EKO Nugroho，SAHRONI A. ZigBee and wifi network interface on Wireless Sensor Networks [C]// 2014 Makassar International Conference on Electrical Engineering and Informatics. Makassar，Indonesia：IEEE，2014： 54-58.

[9]沈蘇彬.物联网技术架构[J].中兴通讯技术，2011，17（1）：8-10.

[10] FAN Binwen，PAN Ga，LIU Ming Liu，et al. Design of a home surveillance system based on the android platform[C]// 2015 12th International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery. Zhangjiajie：IEEE，2015：2101-2105.