智能家居安防系统设计

(四川文理学院 智能制造学院，四川 达州 635000)

0 引言

近年来，火灾、煤气中毒、入室抢劫盗窃等安全事件屡有发生，使人们的生命财产遭受损失，同时也造成了极大的负面社会影响。人们对生活空间的安全性的需求更加迫切。财产和人身安全已成为人们对智能家居的首要要求。因此家庭安防系统成为了智能家居中的必不可少的一部分[1]。

智能家居系统中的网络体系结构在整个家居系统中起着十分重要的纽带作用。现有的家庭安防系统中的信息传输大多是采用有线网络传输的方式，存在着布线困难、线路老化以及维护维修成本高等缺陷。

为提高智能家居安防系统的可靠性和灵活性，本文设计开发了基于ZigBee和GSM网络的智能家居安防系统。GSM网络负责实现外网的通信连接，ZigBee网络节点负责组建内部网络。

1 总体设计

智能家居安防系统是为了能在突发状况发生时能够快速准确的识别并发出报警。该智能家居安防系统的功能主要包括以下几个方面：防火灾功能、防可燃气体泄漏、智能门禁防盗功能。这就要求该安防系统必须能够实时监控家庭环境状况，并根据传感器采集到的数据及时分析处理。

系统主要分为3个部分，分别是传感器模块、ZigBee无线传输网络模块、GSM网络模块。传感器模块主要包括了煤气监测传感器MQ-7、温度传感器、烟雾传感器及无线门磁传感器等。ZigBee无线传输网络有3中网络拓扑结构，分别是星型网络、树状型网络及网状网络。由于各个节点是安装在室内，且有墙壁、家具等障碍物，使得两个ZigBee节点之间的通信距离会大大减小。所以，在设计时选择了可以以多跳形式增加传输距离的网状网络。网状网络包括了3中类型的节点，分别是终端节点、路由器节点及协调器节点。路由器节点可以直接与协调器节点和终端节点进行通信，但终端节点与终端节点之间不能直接通信。在设计时，该网络系统的终端节点和路由器节点将采集到的数据以点播的方式传输给协调器节点。为了降低功耗，终端节点在完成信息传输之后会进入休眠模式。协调器节点再通过串口与GSM网络模块相连，GSM网络模块会将报警信息以短信的方式传送给用户，实现远程监控。图1为该系统的总体设计框图。

图1 系统总体设计框图

2 硬件设计

系统硬件设计主要是针对ZigBee无线传输网络模块、传感器模块。由系统总体设计图可知，ZigBee节点分为三组，分别用于火灾监控、煤气泄漏监控及智能门禁防盗。所以每一组ZigBee节点连接的传感器是不一样的。但ZigBee节点核心控制模块的硬件设计是相同的。协调器节点的主要功能是对采集到的数据信息进行分析处理，并通过串口将处理结果传输给GSM网络模块，该网络模块再将报警信息发送给用户。所以协调器节点无需连接传感器模块，但需要通过串口与GSM网络模块连接。图2为ZigBee节点设计框图。

图2 ZigBee节点设计框图

2.1 ZigBee网络模块

典型的无线传输网络技术有ZigBee技术、蓝牙技术、WiFi技术、超宽频技术(UWB)等。WiFi技术传输速率较快，但功耗较高，这对于需要大范围分布在家居内的节点来说并不适用。蓝牙技术使用的ISM频段是开放频段，会受到微波炉、电话等家用设备的干扰。超宽频技术(UWB)采用的是高速非正弦脉冲，工作时产生的瞬时功率较大，可能会影响到无线通信系统的工作。ZigBee无线传输网络技术使用的频段为免费频段，还具有定时休眠、自动组网等功能。相对其他无线传输网络技术而言，ZigBee技术具有节点容量大、功耗低、体积小、成本低、安全性高、响应速度快等优势[2]。因此在设计时选择了ZigBee无线传输网络作为数据的传输网络。

ZigBee节点的核心控制模块采用的是TI公司推出的CC2530芯片。该芯片功能强大，所需外围电路较少。它包含了整个8051内核，其中断控制器能够提供18个中断源，一些中断设备还可以从睡眠模式唤醒设备。它所具有的8KB-SRAM在数字部分掉电时能够保留自己的内容，是一个超低功耗的SRAM。除此之外，它还具有3个8位的通用I/O端口，在使用时可根据需要使用寄存器PxDIR来设置每个端口引脚为输入或输出。该芯片是一款低功耗芯片，其电源工作模式一共有3中，分别是PW1、PW2和 PW3。其中PW1不仅功耗较高而且休眠时间较短。虽然PW3功耗最小，但是在该电源模式下需要RESET或外部中断唤醒，不符合系统设计要求。PW2可通过RESET或外部中断唤醒也可以通过定时休眠的方式唤醒[3-4]。根据设计要求，综合比较之后，本文在设计终端节点时采用的是电源模式2。

CC2530芯片是一个功能比较完善的片上系统芯片。它除了集成了整个8051内核之外还自带射频功能。由于ZigBee节点是安装在户内，有墙壁和家具等障碍物，使得其通信距离大大减小。为保证其通信距离，在设计时增加了射频功放芯片RFX2401C。该芯片使用的频段为2.4 GHz，该频段为免费频段，由此可降低智能家居系统的成本。此款芯片的适用环境温度在负50摄氏度到正125摄氏度，其内部结构集成了PA、LNA、传输和接收切换电路。图3为其外部电路原理图，如图3所示，RFX2401C的端口4为射频单向传输端，它与控制芯片CC2530的RFN/RFP端进行连接，端口13置空，端口10连接天线，端口5为发送使能端口，端口4是接收使能端，其余端口均接地。RFX2401C拥有灵敏度好、效率高、噪音小、低成本、外形小等优点，对于所需带宽的扩展是一款完美的芯片。除此之外，RFX2401C还拥有简单低压的COMS控制逻辑，所需外围电路也非常简单[5-6]。

图3 RFX2401C外部电路原理图

GSM网络模块采用的是西门子公司以TC35I为核心研发的一款体积小、集成度高的无线模块。该GSM无线传输模块具有成本低、性能稳定等特点，能够进行语音和数据的传输。传输速率最小为300 B/s，最大为115 kB/s。在使用时采用直流电源供电，其供电范围在3.3～4.8 V之间。虽然该模块是安装在户内，但是为避免停电的影响，在设计时没有采用家庭电源进行供电，而是外接电池进行供电。为节省功耗，在没有信息传输时，该模块都处于待机状态。在进行信息的传输时是通过标准的AT命令控制GSM模块将报警信息远程传输到手机终端[7]。

2.2 传感器模块

对于煤气监测在设计时采用煤气传感器对甲烷、丁烷、一氧化碳等可燃性气体进行检测。多晶结构的二氧化锡薄膜是其核心材料。在正常情况下，该材料的电阻率较低。当空气中的可燃性气体增加时，其电阻率将会增加，使得输出电平发生变化，从而得知空气中可燃性气体的浓度[8]。通过比较，在设计时采用的是MQ-5气敏传感器，并采用的CC2530的P1.0来检测其输出的数据信息。而CC2530的P0.1口接蜂鸣器，当检测到的数据超过阈值时，则打开蜂鸣器发出声音报警信号。MQ-5气敏传感器煤气浓度监测范围在300-10000 ppm。由于煤气泄漏的危险性，为保证家庭安全，起到预防煤气泄漏的作用，在设计时，当检测到煤气浓度值超过300ppm就发出报警信号，提醒住户进行煤气泄漏检查。图4为MQ-5的电路设计图。

图4 MQ-5的电路设计图

智能门禁防盗功能主要是利用门磁传感器监测家中门窗是否在未经允许的情况下被打开。该门磁传感器的主要原理是：当磁铁和触片的距离很近时，该传感器处于工作等待状态。当门窗被打开，磁铁和触片的距离会增大，磁场对触片的作用力就会减小，干簧管内的触片会闭合，从而连通电路，使得传感器输出电平信号发生变化。该传感器结构简单，功耗低且易于扩展。在设计时使用CC2530的P1.1跟该传感器进行连接。图5为其电路设计图。

图5 门磁传感器电路设计图

对于家庭火灾监控，一般情况下会采用多个传感器对多项参数进行探测。本文在设计时采用了温度传感器和火焰传感器。在设计时温度传感器选择的是DS18B20，该传感器是一种数字式的温度传感器。测温范围在-55～+125℃之间，完全满足家庭温度的测量。该传感器一共有3个外接引脚，且外部电路简单，在使用时可以直接从两个字节的温度寄存器中读取数据[9]。图6为其我为其外部电路设计图。

火焰传感器选择的是远红外传感器JNHB1004，该传感工作温度在-25～+85℃，能够检测到760～1 100 nm范围内波长的红外光。当火灾发生时，该传感器可检测到火焰辐射出的红外线强度变化，并将红外线强度变化转变成电流的变化，使用时通过外接分压电阻转换成电压信号输出[10]。在设计时通过CC2530芯片的A/D转换器将其转换成0～2047范围内的数字信号。图7为其外部电路设计图。

3 软件设计

在设计时选择的ZigBee网络拓扑结构为网状网络。所以对该网络中3种不同类型的节点进行软件设计。其中协调器节点主要负责网络的组建，它向其他节点发送信标帧，对申请加入网络的节点进行密匙匹配，并为其分配网络地址，然后对各个节点发送过来的数据进行分析处理，若出现异常，则将报警信息通过GSM网络及时发送给用户。路由器节点主要具备两个作用：一是通过传感器进行数据采集并将自身采集到数据以点播的形式发送给上一个父节点，然后判断是否需要打开报警模块；二是中转其他节点的数据。当其他节点离协调器节点较远，不能直接将自身采集到的数据传输给协调器时，就会自动选择最优网络路径通过路由器将自身的数据传送给协调器。由于路由器节点要随时待命中转其他节点的数据，所以路由器节点是不能进入休眠模式的。但是路由器节点不能一直采集数据，所以在设计时为避免数据的冗余，要控制路由器节点数据采集和发送的次数。终端节点同样要完成数据采集的任务，其最大的特点是可以进入休眠模式，达到节省功耗的目的。本文设计的终端节点进入休眠模式2，通过定时器唤醒。设计时将终端节点设置为每隔5秒进行一次数据的采集和传输。Zigbee网络传输速率最大为250 kb/s，最小为20 kb/s，完全满足家居系统的数据传输要求。终端节点采集到的数据每经过一次路由器进行中转，就会延时10 ms，但对整个系统数据传输时间来说影响不大。图8为终端节点和路由器节点程序流程图。

图8 终端节点和路由器节点程序流程图

4 测试结果

在设计完成之后，对系统进行了测试。实验时采用7个ZigBee节点。这7个ZigBee节点组成一个ZigBee网络，该网络中只有一个协调器节点，剩下6个节点分为3组，分别用于火灾监测、煤气泄漏监测和智能门禁防盗3个功能。每一组都由一个路由器节点和终端节点组成。设定各节点每隔5秒进行一次数据的采集和传输。

表1 ZigBee网络丢包测试结果

首先对ZigBee节点进行了组网测试。ZigBee节点程序编译下载好之后，首先打开协调器节点的电源，然后依次打开路由器节点和终端节点的电源。协调器节点先给自己分配网络地址为0X0000，然后进行无线监听，是否有其他节点申请加入网络。若有则判断密匙是否相同，若相同就为其为其分配网络地址。为测试其网络良好的自愈功能，适当调整终端节点与协调器节点的距离，使其无法将数据直接传输到协调器节点，然后在终端节点和协调器节点之间放置路由器节点，使得终端节点通过路由器节点将数据传输到协调器节点。通过串口调试助手可直接观察到终端节点的数据传输情况[11]。然后关闭路由器节点，发现终端节点无数据传来。打开路由器节点，路由器节点又自动加入网络，并为终端节点中转数据，测试结果表明，该网络具有良好的自愈功能。

接下来对ZigBee网络进行了丢包测试。设定每个节点以点播的方式传输1000个数据包到协调器节点，并利用串口调试助手观察数据传输结果。其测试结果如表1所示。实验结果表明该网络丢包率极低，稳定性良好，满足系统要求。

5 结束语

针对目前家居安防系统存在的不足，依托于ZigBee无线传输网络技术、传感器技术及GSM网络技术，设计了一套智能家居安防系统，并给出了传感器模块的硬件设计及ZigBee节点的硬件软件设计。由于数据的传输采用的是ZigBee无线传输网络技术，且ZigBee终端节点还可以通过休眠模式来节省功耗，所以该系统具有无需布线、性能稳定、功耗低等优点。测试结果表明，该系统能够实现对家庭火灾、煤气泄漏的监测及智能门禁的防盗功能，具有一定的应用价值。