中国计量学院 袁敬坤 谢汪智 王俊伟 王 波 李弘洋 王燕杰

基于ZigBee技术的家庭智能安全监测系统

中国计量学院 袁敬坤 谢汪智 王俊伟 王 波 李弘洋 王燕杰

为实现家庭安全无线实时监控，设计了基于ZigBee技术的家庭智能安全监测系统。ZigBee无线传感网络由CC2530收发模块和各种探测传感器组成。传感器采集的信号经由CC2530收发模块传至智能网关，通过Internet方式发送至服务器，人们可以通过手机等终端连接到服务器获取相应信息并驱动摄像头抓拍现场，并发出声光报警，实现家庭的消防、防盗以及远程传输监控功能。系统具有警报响应快、可靠性高、易于扩展、便于推广等特点。

ZigBee；智能安防；自动监控；信息

1 引言

无线网络技术的迅速发展，使得很多原本存在的网络服务也渐渐地往这种类型的网络上靠近，IEEE802.11无线区域网络的普及也使无线网路技术越来越重要，有很多的相关产品及应用出现。无线个域网络渐受到关注，基于IEEE802.11的ZigBee技术逐渐成为研究热点。与此同时，部分芯片厂商（比如TI、Freescale）推出了在单颗芯片上同时集成了物理层的收发和单片机功能的单Soc解决方案，由于它不需要额外单片机，因此节约了成本，并且简化了设计电路。这些公司免费提供了基于自家芯片的ZigBee协议栈，大大加速了ZigBee的普及和应用，进而也推动了物联网的快速发展。无线物联网技术给传统智能家居带来了全新的产业机会，安防系统作为智能家居重要的组成部分，无疑是至关重要的，随着物联网、移动互联网、云计算、智能化技术应用发展到一定阶段叠加，传统安防领域也产生了剧变，基于此，本文设计了这样一套基于ZigBee技术的家庭智能安全监测系统[1-3]。

2 系统架构及工作原理

2.1 系统构成

检测部分：火焰检测器、烟雾检测器、煤气检测器、CO检测器、门磁传感器、空气检测器、IP摄像头等。

通信部分：ZigBee CC2530

网络连接部分：网关、路由器、云服务器。

终端部分：手机/PAD等。

2.2 系统工作原理简介

火焰检测器、烟雾检测器、煤气检测器、CO检测器、门磁传感器、空气检测器、IP摄像头等检测报警报警配件与CC2530模块构成ZigBee监测节点，采集到信息后将信息发送给智能网关，网关通过路由器连接到云服务器。用户可以通过手机/PAD等终端通过GPRS、3G、4G、WiFi等方式连接到云服务器查看相关信息。同时，可以通过终端来控制节点。另外，服务器还可以通过短信方式发送信息给用户，以免客户因无法联网而收不到信息（此服务客户可以根据实际情况选择需要与否）。系统架构如图1所示。

图1 系统架构示意图

3 硬件构成部分

3.1 传感器与相关响应电路

3．1．1 火焰检测器

由于紫外线对对火焰非常敏感，火焰传感器利用此特点，利用特别的紫外线接收管检测火焰，可以把亮度转化为高低有变化的电信号，输入到ZigBee CC2530芯片中，CC2530根据信号的变化做出相应的程序处理火。外界紫外光越强，数值越大；红外光越弱，数值越小。

3．1．2 烟雾检测器

烟雾检测器是家庭常用的火灾报警器，可以用来监测环境中的烟雾浓度，并且有报警的功能。当火灾发生时，烟雾使传感器产生报警信号。该信号传给ZigBee CC2530后，一方面联动排风扇，把烟雾排出室外；另一方面，将信息通过网关发送给服务器。

3．1．3 天然气检测器

一般采用高品质的气体传感器，ZigBee芯片结合精密的温度传感器，可以智能补偿气敏元件的漂移，环境适应范围比较宽，无需调试，工作相当稳定，同时采用一种挂片壁挂式安装，接线便捷，广泛用于家庭、公寓、宾馆、等存在可燃气体的地方进行监控，可以检测天然气、液化石油气，人工煤气等。

3.1.4 IP摄像头

通过IP摄像头可以快速、轻松地从任何地方通过wifi和3g连接查看摄像头捕捉到的内容。不用担心不在家的时候家里会不会出现什么问题。无论是晚上在办公室加班或出门度假，IP摄像头都能让人保持对所关注的事物的监视，从云端照看你的房子。

3.2 ZigBee无线通信模块

3.2.1 ZigBee无线技术

ZigBee[4-6]是一种自组网功能的无线网络通信技术，低复杂度、低速率、短距离、低功耗的双向通信，ZigBee网络中设备的一般分为传感器节点（EndDevice）、路由器（Router）、协调器（Coordinator）三种，常用于远程控制和自动控制等领域。ZigBee无线通信设备的该系统主要有以下优点：低功耗，低速率，可靠性高。

3.2.2 通信模块

本系统无线通信模块的核心是德州仪器（TI）公司推出的ZigBee CC2530。它可以以非常低的材料成本建立起超强的网络节点。其中，CC2530结合了很多强大的功能，如业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM，领先的RF收发器的优良性能等。CC2530提供了四种不同的闪存版本：CC2530F256/128/64/32，分别具有256/128/64/32KB的闪存。由于CC2530还可以同时提供不同的运行模式，而且它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间极短的转换时间则进一步保证了低能消耗。此外，CC2530在设计上还具有非常良好的拓展性，可以做很多拓展。随着物联网技术的快速发展，家庭安防系统也在时时刻刻不断发展和完善，因此，CC2530片上系统为家庭安防系统的拓展与推进创造了良好的条件。

3.3 智能网关

利用ZigBee CC2530芯片和上海汉枫电子科技公司生产的汉枫HF-LPT200-1 WiFi透传模块构成智能网关。CC2530芯片作为协调器将接收到的信息通过uart串口发送给WiFi透传模块，进而上传给服务器。

HF-LPT200超低功耗嵌入式Wi-Fi模组提供了一种将用户的物理设备连接到Wi-Fi无线网络上，并提供UART、SPI串口等接口传输数据的解决方案。该模块硬件上集成了MAC，功率放大器，射频收发单元，基频芯片；嵌入式的固件支持组网的TCP/IP协议栈，以及Wi-Fi协议及配置。HF-LPT200是一款一体化的801.11 b/g/n Wi-Fi的低功耗解决方案，通过该模组，传统的MCU控制的设备或低端串口设备均可以方便简单地接入Wi-Fi无线网络，从而实现了物联网络的控制与管理。

4 移动终端

智能安全系统可利用现有的移动设备如Android智能手机、iPhone、iPad等，通过安装在设备上的智能安防系统的相关客户端软件[7]，实现对系统的远程访问与管理。利用2G、3G、4G、wifi等方式访问服务器服务来获得各监控终端的数据，实现设备的远程监控。

图2 无线收发程序流程图

5 系统软件设计

对于软件设计，本系统采用了模块化思路，包括节点软件设计和系统层与客户端部分软件设计。

5.1 节点软件设计

5．1．1 无线收发模块

如图2所示，系统上电后使传感器节点和ZigBee协议栈初始化后，向协调器发送入网申请。CC2530收发模块接到中断请求后，触发中断激活传感节点，进入工作模式，进行数据采集与处理，并将结果经ZigBee网络后通过串口传至智能网关。

图3 串口操作流程图

图4 系统层与客户端软件设计

5．1．2 串口通信模块

串口操作流程如图3所示。首先初始化系统时钟并打开串口，然后配置相应参数，配置好后，把UART当作文件进行读写。由于智能网关有UART接口，此处获得的信息可以直接发送给网关。

5.2 系统层与客户端部分软件设计

系统服务器端采用的是基于Linux Centos版本的操作系统，并运用文件存储方式，将收到的传感器的数据写入相应用户的文件中，既方便客户端进行读取操作，又生成了相应的日志文件，极大地方便了日后的管理与查找。以下为系统层与客户端部分软件设计（图4）。

6 结束语

本文设计了一套家庭智能安防系统。对系统硬件构成进行了设计，并对系统工作原理进行了分析。设计了安防系统控制软件，分析了软件程序流程。本系统实用性强，灵敏度高，拥有很高性价比，操作简单，安装方便，成本低廉，推广前景非常好。

[1]李正民,张兴伟．基于ZigBee技术的无线智能安防系统的设计[J]．计算机与现代化,2012:97-98．

[2]黄文龙,徐道连,游颖敏,等．基于ZigBee和ARM的嵌入式智能家庭安防系统设计[J]．重庆工学院学报,2009:152-155．

[3]王作成,摆玉龙．基于ZigBee技术的智能车库系统研究与实现[J]．测控技术,2013:69-71．

[4]法拉哈尼,沈建华,王维华．ZigBee无线网络与收发器ZigBee wireless networks and transceivers,58-67．

[5]高守玮,吴灿阳．ZigBee技术实践教程,P105-120．

[6]王小强,欧阳骏,黄宁淋 ZigBee无线传感器网络设计与实现[M]．北京:化学工业出版社,2012:10-20．

[7]陈桥云,贾金玲．基于智能手机与PC机的智能家居系统设计[J]．电子设计工程,2009:304-307．

袁敬坤（1992—），浙江杭州人，现就读于中国计量学院。

注：该项目为2015年国家级大学生创新创业计划项目。