基于ZigBee架构的疗养院智能安防系统设计

(海军特勤疗养中心，山东 青岛 266071)

0 引言

随着我国老龄化日益严重，疗养院、养老院等养老服务机构越来越受到人们的青睐。然而，疗养院等机构的现代化水平仍于人们的需求有较大差距[1]。特别是信息化、智能化方面，需要此类机构配备相适应的智能化管理系统[2]。智能系统平台集成或控制各种智能安全防护设备，使得智能设备在统一平台下进行管理和运维。智能系统平台通过硬件、软件的支持实现了智能安全防护设备终端设备的管理，以及对住宅的监控和状态的监测，将数据记录通过软件保存在系统的数据库中[3]。

设计了基于ZigBee协议无线连接通信技术，使控制核心与检测火灾、有害气体和入侵检测的硬件设备之间通过无线局域网络连接在一起进行通信和数据传输，软件系统对传输的数据进行处理和判定[4-5]。这套智能安全系统以STC89C52芯片为控制器核心，控制其他相关的硬件设备。系统可靠性高，体积小，能够对火灾、有害气体和非法入侵监听监测，及时发出报警，控制智能安全防护设备设备做出妥当处理，适用于疗养院等机构。

1 疗养院安防系统设计

ZigBee为基于IEEE802.15.4标准的开发而来的低功耗协议[6-7]。ZigBee除本身自带优势外，还可以用户根据自己的需要，设置多个安全级别。嵌入式技术也是ZigBee优于其他无线设备的另一个优势，可以集成多种嵌入式设备，使设备之间互联互通。因此，在我国智能安全防护设备安全系统中得到了广泛的应用[8]。

智能安全防护设备安防系统采用模块化的思想进行设计和开发，主要功能包括了火灾检测、煤气泄漏等有害气体的检测、入侵检测和报警功能，如图1所示。

图1 智能安全防护设备安全系统的功能组成

在智能安全防护设备安全系统的实现过程中，以STC89C52为该系统的主控核心芯片，选用温湿度传感器DHT11实现室内火灾气体检测，MQ-2型烟雾传感器用于有害气体检测硬件实现、HC-SR501红外传感器用于入侵检测的硬件实现，CC2530芯片用于实现ZigBee技术协调器节点设计，无线连接不同的硬件设备，使之通信，12864LCD液晶显示器显示从传感器中检测到的数据信息，报警模块警示居住人潜在的危险信号。智能安全防护设备安全系统的总体硬件结构图如图2所示。

图2 智能安全防护设备安全系统总体硬件结构图

2 系统硬件设计

2.1 STC89C52芯片

STC89C52芯片作为系统的主控模块，当检测到其他硬件传输过来的异常数据，就产生一个危险信号，向蜂鸣器发出报警指令，控制蜂鸣器发出报警信号，提示并警告居住人有危害生命财产安全的事情发生，共同辅助其他模块电路进行紧急处理[9-10]。STC89C52芯片可降至0 Hz的静态逻辑操作，提供2种节电模式[11]。

2.2 DHT11温湿度传感器

型号为DHT11温湿度传感器在行业内应用较广，其湿度为30～80%RH，温度 10～45 ℃范围内传感器具有较高的分辨率[12]。DHT11可以将温度、湿度的信号通过传感器进行信号的采样比鞥转换成数字信号，通过基于ZigBee技术与控制器无线通信，将数字信号提供给STC89C52芯片进行分析处理，从而达到对火灾的检测效果[13]。

DHT11温湿传感器使用单行4个引脚，引脚1用于电源，引脚2用于数据端口，单线双向传输，引脚3留空，引脚4用于接地，可以直接连接到I/O CC2530端口，其正常工作时可以测量的温度范围是0～50 ℃，考虑岛室内正常温度不会超过40 ℃，因此将检测到大于40 ℃的情况定义为火灾发生危害。为了获得更精确的检测结果，在数据端和电源之间连接一个4.7 kΩ上拉电阻，且连接线的长度小于20 m。值得注意的是，如果DHT11温湿传感器没有接受到主控芯片发送的开始信号，是不会主动进行温湿度的采集，在采集的过程中，DHT11处于高速模式，空闲状态处于低功耗模式，所以在使用的时候必须周期性地通过主控芯片对传感器发送采集数据命令。具体的DHT11电路图如图3所示。

图3 DHT11温湿度传感器电路图

2.3 MQ-2型烟雾传感器

MQ-2型烟雾传感器煤气、液化石油气等有毒有害烟雾的检测具有很高的灵敏度，尤其是对烷类烟雾最为敏感，其良好的抗干好性，可以准确排除有刺激性而非可燃性烟雾的干扰[14-15]；而且MQ-2型烟雾传感器具有长期的稳定性，相应时间短，能适应繁重的长时间有害气体的检测任务，使得智能安全防护设备安全系统具有较好的安全性能[16]。MQ-2型烟雾传感器对可燃、有害气体的检测相当灵敏，本系统设置的气体检测阈值为300ppm，将电压的变化作为有害气体浓度的监测指标。

当室内有害气体烟雾浓度高于预设阈值对应电压时，U1A输出低电平(0 V)，LED灯报警；否则，U1A输出高电平(VCC)，LED熄灭。该模块的电路图如图4所示。

图4 MQ-2型烟雾传感器示意图

2.4 HC-SR501红外传感器

HC-SR501 PIR传感器的最初用途是检测模块前面的人体运动。传感器有2种触发模式，即重复触发模式和不重复触发模式，通过改变跳线帽位置。在非重复触发模式下，如果传感器模块的输出电压保持高电压，即使检测到其他人的运动，也不会再次触发。在重复触发模式中，当在延迟时间内检测到第二个人体运动时，将重新计算输出延迟。智能对象中的传感器模块在重复触发模型中工作。HC-SR501的延迟时间和检测范围可调。为了开发HC-SR501能耗模型，对输出高和输出低状态下的电流值进行了分析。HC-SR501红外传感器的最远探测距离受到环境的影响，本文中最远的探测距离达到了6m，在有效范围内检测到人的时候，会输出一个高电平作为检测信号，其工作原理如图5所示。

图5 红外传感器工作原理

2.5 CC2530协调器

CC2530是一种片上系统(SOC)，可以在ZigBee中使用，实验测试平台采用基于802.15.4 IEEE无线传感器网络标准的ZigBee协议栈(Z-Stack)[19]。在通信过程中，节点传输的每一帧数据都携带RSSI信息。CC2530有一个内置的接收信号强度指示器(RSSI)，该值为有符号8位2的补码格式。从接收到的CC2530的MAC帧中读取rssi-val寄存器的值。CC2530可以用于ZigBee无线网络上的一个真正的片上系统解决方案。它不仅保证了ZigBee网络的优异性能，还集成了性能良好的RF核心和运算功能强大的CPU，保证对节点数值运算和信号处理的强大计算能力，是搭建ZigBee无线局域网络第一个快速建立起来的节点设备。

2.6 ZigBee网络体系结构[20]

ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率、大容量、低功耗的无线网络技术，具有低功耗、延时短、成本低、安全可靠等优点。本文设计开发的智能安全防护设备安全系统，需要使用ZigBee技术搭建连接各种检测设备的硬件的无线局域网。ZigBee网络中存在着两种功能型网络设备，由3种类型的网络节点可以组成三种类型的网络拓扑结构的网络。

ZigBee网络中的设备可以分为：协调器，路由器和终端设备，本文采用CC2530协调器作为无线局域网的协调器，主要负责建立网络；路由器负责对无线局域网中的报文信息进行路由传输；终端设备是具有加入、推出无线局域网络功能的硬件设备，并且可以接受和分发网络报文，不允许在终端设备上进行报文的路由转发。由于本文设计开发的系统只涉及到室内封闭环境的无线组网，无需使用路由功能。

ZigBee网络的拓扑结构分为：星型网络、网状网络和树形网状网络，本文采用的是树形网状网络的拓扑结构组织协调器与终端设备。ZigBee网络的工作模式分为信标模式和非信标模式，在信标模式下，实现了网络中所有的设备的同步工作与休眠，节省用电；在非信标模式下，网络中的设备周期性进入休眠模式，而网络协调器和路由器长期处于工作状态，由于系统的设计需求，需要采用信标模式对协调器和终端设备进行组织和管理。

经过论证，在ZigBee网络架构的实现阶段，采用CC2530协调器作为ZigBee无线网络的协调器，在各种检测硬件设备的终端上植入ZigBee模块(NRF24L01模块和GSM短消息模块)，在控制器段也需植入ZigBee模块(植入ZigBee模块的硬件设备可以称为是一个ZigBee终端设备或是路由器设备)，然后将这些设备与基于CC2530芯片作为协调器的ZigBee无线网络进行连接，组网进行各个设备的通讯。在ZigBee无线网络中组网的流程图如图6所示。

图6 ZigBee无线网络组网流程图

ZigBee技术的无线局域网组网过程如下：当一个设备被激活后，首先扫描信道是否存在能量，检测可能存在的干扰，按照能量排序信道；然后选择一个最佳的信道作为当前的工作信道，一般情况下，第一个建立起来的ZigBee无线网络节点就是协调器节点，然后需要确定设备自身的16位网络地址、设备网络的PAN标识符(PANID号，信道的唯一标识)、网络的拓扑参数等信息；最后各项参数配置完成后，协调器就可以允许其他的节点设备加入该ZigBee无线网络。ZigBee使用了3个频段，定义了27个物理信道，本系统使用的是2.4 GHZ频段附近定义的5个信道，信道间隔为5 MHZ，数据的传输速率可达250 kb/s，系统在物理层和数据链路层采用的是IEEE 802.15.4协议。

2.7 报警模块

在报警模块中，当主控模块监测到危险的信号时，微控制器向报警模块发送低电平信号，蜂鸣器在确认后发送报警信号，通知用户室内烟雾浓度超过正常浓度或非法侵入，以防止事故的发生，保证居住人的生命财产安全；当温湿度的值异常时，也会引起警报系统，产生报警。

3 系统结构及原理

总体上看，本智能安全防护设备安全系统的软件部分主要由检测、控制和报警三部分组成，这些都是基于单片机的编程技术实现的，其主要的硬件设计结构如图2所示，本节主要介绍系统的软件流程设计。

在系统进行初始化时，首先搭建一个基于ZigBee无线网络系统，将DHT11、MQ-2、HC-SR501传感器设备通过无线局域网连接起来；然后系统中的传感器开始工作，周期性地向温湿传感器发送激活信号，不断地检测家庭中的温度和湿度，将收集到的数据经过ZigBee无线网络传输给STC89C52单片机主控模块进行处理，并显示温湿度；值得注意的是：有害气体和入侵检测的硬件可以实时自主工作，无需周期性发送激活信号。当主控模块检测的指标超过正常设置时，系统会做出报警，提醒居住人进行紧急情况的处理。如果红外传感器检测到非法入侵，报警器也会被激活，产生报警。智能安防系统的软件流程图如图7所示。

图7 系统软件流程图

在主控模块的编程上，操作系统是基于Windows7，采用模块化的思想进行C语言编程，实现对STC89C52单片机接受到的传感器数据解码和处理，对于DHT11火灾检测的温度数据阈值设置为40 ℃，一旦高于这个温度，则判定为高温，表明发生了火灾；MQ-2型烟雾传感器的浓度阈值设置为300 ppm，当监测到MQ-2型设备的电压降低时，证明环境中的有害气体高于300 ppm，就触发报警；对于HC-SR501红外传感器，对于6 m以内的范围，当监测到有效范围内的入侵时，HC-SR501红外传感器输出的高电平将会被主控模块监测到，从而产生报警。

4 系统测试

整个智能安防系统以STC89C52型微处理器为核心控制。信息采集模块由红外传感器、振动传感器、可燃气体传感器、温湿度传感器组成。基于ZigBee技术的无线通信模块主要包括NRF24L01模块和GSM短消息模块。主机和从机通过无线通信模块实现信息交换。GSM模块与主机相连，构成智能安全防护设备安防系统，具有防盗、防火、室内多点布防、远程报警等功能。系统启动后，传感器采集的室内温度和湿度将显示在12864 LCD液晶显示器上。同时，传感器检测有害气体(包括烟雾、可燃气体等)、火灾和陌生人非法入侵信号，如果这些值超过阈值，将转换成电信号并传输到单片机进行后处理，单片机根据不同情况进行报警。单片机的使用使得该系统具有操作简单、功能稳定、成本低、功耗低、实用价值高、应用范围广等优点。

4.1 温湿度传感器模块测试

测试结果与设定的温度阈值有关，为保证设计系统的准确性，将所设计的智能安全防护设备安全系统与检测合格的数字温度表在同一时间、同一地点践行环境测试，测试的结果如表1所示。

表1 温度测试

在实时监测的过程中，12864 LCD模块会实时显示当前住宅区环境下的温湿度信息，给居住人提供准确的数字参考信息，具体的信息如图8所示。

图8 12864LCD显示当前住宅区的温湿度信息

4.2 烟雾传感器模块测试

针对MQ-2型烟雾传感器模块，采用燃烧纸法对室内环境中的烟度传感器进行检测。在四种不同的距离上进行检验，然后根据不同的数据得到统计时间。其灵敏度特性如图9所示。从图9可以看出，MQ-2型烟雾传感器模块对不同的气体敏感度不一样。可广泛应用于家庭和工业气体泄漏检测设备中。

图9 MQ-2型烟雾传感器的灵敏度特性

为了保证MQ-2型烟雾传感器模块在实际烟雾环境下的准确效率，测试实验额外使用烟雾源靠近烟雾传感器，测得的烟雾浓度值为1 600 ppm，远高于设置在主控模块中的阈值，达到了需要报警的要求，此时黄色的LED灯亮起，蜂鸣器发出滴滴声报警。

4.3 红外传感模块测试

在实验允许的条件下，分别测试了HC-SR501红外传感器在不同场合下感应人体红外的最大距离，经过实验测试得知，在室内环境下，红外感应模块可以在2 m的范围内感应到人体辐射出的红外线，探测到人体，从而产生报警；在5 m的范围内，当人体左右移动的时候，都可以检测到人体辐射出的红外线，产生报警，所以室内检测的最大距离为5 m。在室外测试环境中，由于无障碍物的干扰，增大了红外传感模块的探测距离，最远检测距离可达6 m，监控较为灵敏，满足智能安全防护设备安全系统的需求。

4.4 实验小结

通过对智能安全防护设备安全系统模块的火灾检测、有害气体检测和入侵检测的实验可以得知，本文设计开发的系统能够满足探测火灾、有害气体和非法入侵的需求，灵敏度较高，能准备地检测灾害的发生，产生报警，提醒居住人排除安全隐患，保障居住人的生命财产安全，是现代化居家必备的系统之一；本系统使用基于ZigBee技术搭建的无线局域网络能很好地将这些传感设备与主控设备连接起来，网络稳定，延时较低，使一个主控设备可以同时控制多个传感设备，在保证系统可靠运行的同时，增加了系统的鲁棒性，克服了传统的有限网络接线复杂、布局不美观的弊端。

5 结论

本文设计开发了一款智能安全防护设备安全系统。该系统基于ZigBee技术搭建了一套无线局域网，使得主控设备与多个智能终端感知设备处于同一个无线局域网中，主控设备能实时处理终端设备发送过来的传感数据，从而检测火灾、有害气体和陌生人非法入侵，系统运行稳定，可靠性高，在智能家电多样化发展的今天，将会有广阔的市场应用场景，其潜力有待进一步地挖掘。