基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與LabVIEW的智能家居安防系統

作者/ 梁興通 李揚 廣東工業(yè)大學(xué)(廣東 廣州 510006)

摘要：本文介紹了智能家居安防終端監控系統的設計和實(shí)現，采用基于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的CC2530收發(fā)模塊，通過(guò)與溫度、紅外傳感器、霍爾傳感器的連接，實(shí)現各項信號的數據采集，并完成室內溫度、煙霧、防盜、煤氣泄漏監測等報警系統的軟件設計，實(shí)現對家居中各種監控，在確保報警的同時(shí)會(huì )采取相應的安全措施。

引言

　　智能家居^[1]是以住宅為平臺，安裝有智能家居監控系統的居住環(huán)境，作為一個(gè)綜合性智能系統，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、傳輸技術(shù)、智能控制等先進(jìn)的新技術(shù)實(shí)現智能化家居管理。智能家居系統^[2]所包括子系統中，安防最為關(guān)鍵，因此，研發(fā)安全可靠和性?xún)r(jià)比高，且方便易用的智能家居安防系統有著(zhù)重大意義。

　　采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)既美觀(guān)又可靠，可免除繁瑣雜亂的布線(xiàn)，只需一個(gè)模塊就可代替眾多線(xiàn)材，其中，ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)[3]具有容量大、時(shí)延小、功耗低、長(cháng)距離傳輸、速率低、安全可靠、工作靈活等特點(diǎn)，適用于構建家庭網(wǎng)絡(luò )。

　　本文研究一個(gè)具備豐富功能、安全可靠的智能家居安防系統解決方案，所設計系統當有入侵者時(shí)，安防系統都能及時(shí)發(fā)出報警，并通知小區物管或家庭主人，同時(shí)，家中攝像頭也打開(kāi)進(jìn)行抓拍，便于后期分析處理，有效減少錄像及存儲容量。

1 系統總體設計與工作原理

1.1 系統總體設計

　　智能家居安防監控系統組成^[4]為紅外和霍爾探測器，溫度、煙霧和氣體等傳感器，攝像頭及計算機、手機等，還需要起中間傳輸作用的網(wǎng)絡(luò )數據傳輸模塊，本設計選擇基于ZigBee技術(shù)的CC2530模塊。溫度傳感器安裝在客廳、廚房、主臥、客臥、書(shū)房;煙霧傳感器和攝像頭安裝在大門(mén)、主臥、客臥;霍爾探測器安裝在房門(mén)上;紅外探測器安裝在窗戶(hù)上。在廚房安裝特殊氣體探測器，以檢測煤氣泄漏情況，如表1。各傳感器信號通過(guò)ZigBee傳輸至與上位機連接的接收模塊，并于用戶(hù)界面顯示及分析，如圖1所示。

1.2 ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)原理

　　ZigBee協(xié)議棧最下面是物理層(PHY)、介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層(MAC)和數據鏈路層，都由IEEE802.15.4標準定義，在此之上是網(wǎng)絡(luò )層和應用層設計，如圖2所示為ZigBee協(xié)議棧的結構圖。

1.2.1 ZigBee協(xié)議棧物理層

　　物理層標準有兩個(gè)，都采用擴頻技術(shù)，數據包格式也相同，其主要區別在于一個(gè)工作在2.4GHz頻率，而另一個(gè)工作在838/915MHz頻率。 ZigBee物理層由同步包、物理層包頭、物理層凈荷三部分組成。

1.2.2 ZigBee協(xié)議棧MAC層

　　MAC層由其對應的PHY層決定，可以實(shí)現各種不同功能，其實(shí)現主要功能包括設備無(wú)線(xiàn)鏈路建立、終止和維護，其數據包信息分別是載荷、幀頭和幀尾。

1.2.3 ZigBee協(xié)議棧應用層和網(wǎng)絡(luò )層

　　協(xié)議棧應用層中，應用支持子層確保綁定設備的通訊。ZigBee設備功能是確定設備在網(wǎng)絡(luò )中的位置和建立網(wǎng)絡(luò )設備間安全應用層。

　　網(wǎng)絡(luò )層為MAC提供其工作過(guò)程中所需接口函數，以確保MAC層正常運作，且為應用層提供所需服務(wù)接口，還可提供數據和管理服務(wù)實(shí)體。此外，管理實(shí)體還能夠運用網(wǎng)絡(luò )層數據實(shí)現網(wǎng)絡(luò )管理，以便對網(wǎng)絡(luò )信息庫進(jìn)行監測和維護。

2 智能家居安防系統

2.1 安防系統硬件設計

　　在實(shí)際應用中，將溫度傳感器、霍爾傳感器、氣體探測器、紅外探測器與CC2530傳輸模塊連接，各需要一組，并使之實(shí)現與微機的通訊。CC2530硬件設計分為主控電路、射頻前端電路、傳感器電路等。其中最為主要的是主控電路，負責控制CC2530的工作過(guò)程。其電路連接示意圖如圖3所示。射頻前端電路則決定著(zhù)傳輸的質(zhì)量，芯片的輸出信號為差分信號，所以射頻前端加入差分單端轉換電路，另外在射頻前端需進(jìn)行阻抗變換。

2.2 硬件通訊功能實(shí)現

　　CC2530作為構建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的核心器件，不僅符合ZigBee技術(shù)，而且還具有強大的串行通信接口，使其應用范圍更加廣泛。其內核為增強型8051，但是鑒于系統節點(diǎn)多、數據量大等原因，需要借助具有強大數據處理功能的計算機完成數據的處理、分析及控制，協(xié)調器只做網(wǎng)絡(luò )管理及數據中轉功能。系統通過(guò)接口電路將CC2530的串行接口和PC機的COM口相連，完成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與運行控制系統的PC機相互通信，配合LabVIEW內置的串口控制模塊實(shí)現各個(gè)傳感器與主機通訊。

3 智能家居安防監控系統的軟件設計

3.1 CC2530軟件設計

　　每個(gè)傳感器模塊都連接一個(gè)CC2530芯片，而每一個(gè)芯片在出廠(chǎng)時(shí)都會(huì )分配唯一的MAC地址。在安裝好TI提供的協(xié)議棧，zstack的工程電腦中分別下載EDEB-PRO,REB-PRO,CEB-PRO到模塊中。依據星形拓撲網(wǎng)絡(luò )修改傳輸程序，設定與主機連接的協(xié)調器，每收到一個(gè)傳輸請求都先校驗其通訊地址，然后建立連接，按需進(jìn)行數據傳輸。主機設計為同步通訊，可同時(shí)監測各個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)信息。數據傳輸是CC2530模塊軟件設計的關(guān)鍵，數據的發(fā)送由傳感器端調用AF_DATAREQUEST()函數實(shí)現，數據的接收由zstack完成，數據傳輸完成后再觸發(fā)調用SYS_EVENT事件及MSG_CMD。主機接收到后，調用用戶(hù)程序進(jìn)行處理，即完成一次信號的傳輸。

3.2 安防系統軟件設計

　　用戶(hù)軟件設計采用適用于智能家居視圖的開(kāi)發(fā)環(huán)境——LabVIEW，該智能家居安防系統主要包括五部分功能：1)各個(gè)家用電器的開(kāi)關(guān)控制;2)家庭內部溫度的實(shí)時(shí)監控與控制;3)家庭煤氣使用的安全監控;4)防止外來(lái)入侵的安保系統;5)防止火災的警報系統。

　　在主監控界面上按下啟動(dòng)按鈕，整個(gè)系統就處于工作狀態(tài)。監測室溫、煤氣泄漏的監測系統、安保系統及防火的煙霧系統開(kāi)始工作。通過(guò)主監控界面上的子系統選擇器，可跳轉到每個(gè)子系統的具體數據監測界面，而各個(gè)家用電器開(kāi)關(guān)部分都可以在主監控界面得到控制，其中還包括全屋的電源總開(kāi)關(guān)，如圖4所示。

　　在室溫監測部分可以看到實(shí)時(shí)的家居內部溫度。為提高居住環(huán)境舒適度，可以自行設置一個(gè)舒適的溫度范圍，當超出設定范圍時(shí)，信號燈便會(huì )提示，與此同時(shí)，空調也會(huì )按照設定自行打開(kāi)，使室溫回到舒適的范圍內，如圖5所示。家用煤氣監測部分主要功能是監測煤氣管道是否漏氣及統計用氣量，如圖6所示。

　　在安保系統方面，每個(gè)紅外傳感器對應一個(gè)信號燈。當安保系統啟動(dòng)時(shí)，有非法外來(lái)入侵時(shí)，信號燈就會(huì )變紅，同時(shí)發(fā)出警報響鈴，而且還能通過(guò)主監控界面上的信號燈知道入侵者從何而來(lái)，該功能可以利用布爾原件的與門(mén)實(shí)現，如圖7所示。

　　在煙霧感應系統方面，主要起到防止火災的作用。當信號燈變紅，表示檢測到火情，同時(shí)發(fā)出警報音，主監控界面上立即顯示具體火災現場(chǎng)，以便于逃生，如圖8所示。溫度檢測模塊樣機，如圖9所示。

4 結語(yǔ)

　　本文探討了ZigBee技術(shù)在家居安防中的應用，對短距離穩定數據無(wú)線(xiàn)傳輸有較強的實(shí)用價(jià)值，提供了安防系統常用模塊的整套方案。監控界面設計思路清晰，各功能安排層次分明，后臺分析合理。并能在功能演示環(huán)節，模擬現場(chǎng)，完成對應功能，基本符合相關(guān)要求，具有市場(chǎng)推廣意義。

參考文獻:

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本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第1期第69頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。