基于ZigBee的智能家居安防系统的设计与实现

摘要：综合利用ZigBee组网技术、无线传感器技术、GSM技术，设计并实现了一种智能家居安防系统，该系统包括感应节点、ZigBee协调器结点以及后端控制系统。通过感应结点实时监测室内环境以及安防信息并利用ZigBee自组织无线网络传送给控制系统进行处理。经过实验测试表明：该系统性能稳定、实时性强，具有一定的实用市场价值。

关键词：ZigBee;无线传感器技术;安防系统;自组织无线网络

中图分类号：TP309 文献标识码：Al

文章编号：1009-3044（2020）22-0173-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：j

随着ZigBee技术、传感器技术等物联网技术的飞速发展，智能家居市场日趋成熟，人们对于家居室内的安全越来越重视，智能家居安防系统应运而生并受到关注。文献[1]提出并实现了一种利用ARM平台的智能安防系统，文献[2]结合ZigBee技術和GSM设计实现了一种混合网络的智能家居安防系统。

本文基于已有的智能家居安防系统方案，从经济性、实时可靠性等方面考虑，使用ZigBee模块、无线传感器设备结合GSM技术设计并实现了一种可以同时在控制端和手机端实时查看室内家居环境信息和安防信息的智能家居安防系统。

1 智能家居安防系统架构

本智能家居安防系统主要包括三个部分：基于传感器的感应节点，基于ZigBee设备的协调节点以及后端智能家居安防控制系统。感应节点主要负责温湿度、空气PM2.5值、火情以及安防信息的采集，基于ZigBee的协调器节点负责数据的传输，智能家居安防控制系统包含两部分：智能家居网关和手机端，负责室内环境信息和安防信息的查看和控制。传感器采集相应的环境信息和安防信息发送给协调器节点，协调器节点接收到传输的数据转发给后端智能家居安防控制系统中的智能网关，网关利用GSM网络将数据以短信的形式发送给手机端，从而实现在网关和手机端实时查看相关的环境信息和安防信息。

2 智能家居安防系统硬件设计

设计实现的智能家居安防系统主要利用部署在室内的传感器节点实时采集温度、湿度、火情等环境信息以及安防信息，通过ZigBee协调器节点转发后，可以在智能家居安防控制系统中的智能网关和手机端实时查看室内的环境情况，当室内发生火灾、空气中存在易燃气体或者非法闯入的时候，能够及时发出预警。

2.1 ZigBee芯片

从智能家居安防系统的整体性能以及经济性、可靠性、稳定性考虑，系统采用的ZigBee芯片为TI公司的CC2530，其外设功能强大，数据传输距离较远，使用成本和功耗方面均较低[3]，因此在智能家居安防系统设计与实现之中广泛被使用。

2.2 火焰检测传感器

火焰检测传感器作为系统中重要的传感器之一，主要负责实时监测家居环境里的火情，当室内出现明火的时候，火焰传感器上会有灯光闪烁，同时与之相连的蜂鸣器会及时发声报警，同时将火情信息通过GSM网络，以短信的形式发送给户主或者相关的消防部门。其电路图如图2所示。

2.3 气体检测传感器

对于室内引起火灾安全的易燃气体，例如天然气、煤气、液化气等，系统中利用气体检测传感器进行实时监测相关易燃气体的浓度。综合使用的灵敏度、监测的气体的范围以及功能的稳定性等方面考虑，系统中选用的传感器型号为MQ-2气体传感器，该传感器可以实现对液化气、一氧化碳、乙醇、烟雾等多种物质的监测，而且使用的期限长，具备较高的使用价值[4]。

2.4 温湿度传感器

为了实时采集室内的温度和湿度等环境信息，系统中采用了温湿度传感器DHTlI，DHTII传感器采用了专用的温湿度传感技术结合数字模块采集技术，通过校准的数字信号输出采集到的温湿度，其使用成本低、传送数据的速度快、响应及时、抗干扰能力强，具有较高的可靠性和稳定的性能[5]。其电路图如图3所示。

2.5 PM2.5检测传感器

PM2.5值是空气质量的重要参数，其表示空气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物[6]。它的数值越大表示空气质量越差。系统中采用PM2.5检测传感器及时采集空气中的PM2.5数据进行采集后计算出PM2.5数值，并通过ZigBee网络及时传送给后端的控制系统，以便于及时了解室内的空气情况。当空气中的PM2.5数值超过预设的阈值后，会及时发出预警。

2.6 热释电红外传感器

为了监测进入室内的人员情况，系统中部署了红外传感器，从灵敏度、可靠性、功耗等方面考虑，系统中采用HC-SR501传感器，其工作原理是利用热释电元件去接收人体红外辐射温度发生的变化，从而失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经过检测处理后从而产生报警信号[7]。当红外传感器检测到非法闯入时，会触发报警装置，并及时发送信息给户主进行预警。传感器的电路图如图4所示。

3 智能家居安防系统软件设计与测试

系统软件采用的开发软件是IAR Embedded Workbenchversion 8.11.该软件集成了功能强大的编辑器和项目管理器，适用于多种芯片的开发[8]。

3.1系统整体软件设计

智能家居安防系统的系统软件设计是基于Z-Stack协议栈实现完成的，该协议栈采用任务轮询机制的操作系统。首先Z-Stack协议栈进行相关软件和硬件的初始化，接着启动OSAL操作系统进行任务轮询，当检测有事件发生时，则调用相应的事件处理函数，如果没有检测到事件发生，则轮询下一个任务。

用来传送传感器检测到的数据的ZigBee自组织网络，是ZigBee协调器节点通过检测到传感器节点后，将其加入自组织网络。当所有的传感器节点都加入网络后，通过OSAL操作系统轮询机制检测到有传感器节点发送数据的需求时，调用发送函数，将需要发送的数据发送给接收方;接收方需要调用接收函数执行接收的步骤，从而实现传感器检测到的数据实时发送到后端系统的过程。

3.2 安防信息短信收发的实现

智能家居网关与手机终端之间的短信通信，主要通过网关中的SIM卡进行实现，利用AT指令集，当网关中的SIM卡接收到网关进程中的安防信息后，设置好短信的发送格式，通过GSM网络发送给户主的手机终端，从而实现安防信息的远程接收和查询。

3.3 智能家居网关界面设计

智能家居网关的功能是实现前端传感器节点采集到的温湿度信息、安防监控信息、空气质量信息的数据处理和实时显示，其界面设计主要包括温度监测、湿度监测、空气质量、安防监控四个模块，如图5所示。

3.4 系统测试

3.4.1 溫湿度监测模块测试

经过测试，本智能家居安防系统利用终端湿度传感器监测到环境中的温湿度信息，经过协调器节点处理，利用组织的网络传输到智能网关后，可以在界面上实时显示。

3.4.2 空气质量测试

设计的智能家居安防系统在终端节点中部署了空气质量监测功能。即空气中的PM2.5值的实时监测。采集完数据后，传送到协调器节点，协调器节点经过处理后转发给智能家居网关，同时会和预先设置的阈值进行对比，当超过阈值时，触发蜂鸣器进行报警。

3.4.3 安防监控测试

安防监控是本系统中的重要组成部分，安防信息主要包括非法闯入、室内是否存在明火以及空气中是否存在易燃气体，系统中部署的红外传感器负责检测非法闯人信息，火焰检测传感器负责检测室内的明火信息，气体检测传感器检测空气中包含的易燃气体信息，通过测试，智能网关可以实时显示有无非法闯入、有无明火、空气中有无易燃气体等安防信息，同时当室内出现安防信息异常时，会及时发送短信给手机终端，同时相应的报警装置会发出响声预警。

4 结语

本文设计的基于ZigBee的智能家居安防系统可以实时监测并显示空气中的环境信息，主要包括温湿度信息、空气中的PM2.5浓度、室内的安防信息，具体包括是否有异常闯人、空气中的易燃气体情况和室内明火情况、如果存在异常安防情况，系统会及时预警并发送短信给户主手机。本安防系统设计方案在提供安防信息的同时，可以让用户实时掌握室内的环境信息，丰富了安防系统的功能，具有一定的市场推广价值。

参考文献：

[1]刘春林，杨晖，基于ARM平台的智能安防系统的设计与实现[Jl.现代电子技术，2016，39（24）：75-78.

[2]江丹丹，唐煜程，唐冬，一种基于ZigBee及GSM混合网络的轻智能家居安防系统设计[Jl，现代电子技术，2015，38（3）：6-8，12.

[3]刘坤，崔永俊，张祥，基于ZigBee和Qt的高精度无线温控系统[Jl，仪表技术与传感器，2018（12）：115-119.

[4]高金转，彭旭锋，张会新，等，基于ZigBee无线传感网络的环境监测系统的设计[J].电子器件，2016，39（03）：546-550.

[5]刘雄飞，陈浩，聂伟，等，基于MT7623A的远程室内环境监测系统设计[J].传感器与微系统，2018，37（8）：79-81.

[6]余辉，袁晶，于旭耀，等，基于ARMAX的PM：，小时浓度跟踪预测模型[J].天津大学学报f自然科学与工程技术版），2017，50（1）：105-111.

[7]李振兴，谭洪，李开成，等，基于热释电红外传感器的人体追踪电机控制的应用[J].电测与仪表，2017，54（10）：108-112.

[8]王二伟，丑修建，刘立，张鹏，基于ZigBee的可自充电式无线温度传感监测系统[J].现代电子技术，2017，40（4）：99-102，106.

【通联编辑：梁书】

基金项目：芜湖职业技术学院自然科学研究项目（Wzyzr202015）

作者简介：陶奉春（1989-），男，安徽马鞍山人，助教，硕士研究生，主要从事物联网技术、无线传感器网络等研究工作。