文/彭胜敏

现今人们在对住宅的选择考虑上，除了居住性、舒适性等传统条件外，更多考虑的是小区的安防措施是否到位，响应市场需求各大房地产开发公司都将住宅小区的安防系统作为营销亮点来宣传。

现今市场上，安防措施更多考虑到的是闭路电视监控子系统、访客对讲子系统等，很少有涉及家居安防子系统领域，因此，本文主要探究家居安防子系统。市场上存在多种小区安防系统方案，大体可以分为有线方式和无线方式。有线的方式存在着布线繁琐、施工量大、流动性差、施工时间较长等问题，但若采用无线的方式，就不存在布线繁琐等问题，无线可方便增加、拆除站点，无需布线。因此，本文选用无线组网方式实现智能小区安防系统。主要是针对家居安防中的火灾和家庭燃气泄漏两种情况进行监控和报警。

1 系统总体设计

本文设计的安防系统的总体架构为：家庭环境中的燃气泄漏情况由烟雾传感器MQ-2 进行实时探测，火灾情况由火焰传感器实时检测，传感器将实时采集的数据交付于ZigBee 终端节点，ZigBee 终端节点与协调器节点以星型网结构组网实现无线数据传输通信，每个终端节点在收集了传感器采集的数据后，以周期性（2s）的方式向协调器节点发送数据，协调器节点接收到数据后利用串口通信技术（RS232协议）向控制中心（上位机系统）传输数据，控制中心对接收的数据进行分析整理、可视化显示、存储等管理和对超出阈值的数据进行报警提醒。

根据安防系统总体架构，ZigBee 终端节点的设计与实现是整个系统的关键环节，因此本文主要介绍ZigBee 终端节点设计。剖析终端节点需求和结合生活实际，依据住宅小区特点，本文设计的安防终端节点要求满足下列需求。

表1：数据通信协议

（1）检测点及时检测周围环境中的火警情况和燃气浓度；

（2）检测点与控制中心之间以无线的方式进行数据的传递；

因此，本安防监控终端节点总体架构图设计如图1所示，包括燃气检测模块、火焰检测模块、MCU 微控制单元模块、电源模块、ZigBee 数据传输模块、串口通信模块。主要实现对研究对象的感知、数据采集、无线数据传输和上位机之间的通信等功能。

2 硬件设计

硬件设计部分主要介绍燃气检测模块硬件设计、火焰检测模块硬件设计和ZigBee 无线数据传输模块硬件设计。

2.1 燃气检测模块硬件设计

燃气检测模块采用MQ-2 烟雾传感器集成模块实现。该模块传感器具有模拟量和数字信号（TTL 电平）两种信号模式输出，模拟量输出可燃性气体浓度相对应的电压值，可燃气浓度越高电压值也愈大，电压值最高可达5V。

该模块实现实时检测探测头周围可燃性气体的浓度（天然气、液化气等），并将数据提交至终端节点，以模拟量的形式进行无线数据传输至协调器。

燃气检测模块MQ-2 总共有四个引脚，1引脚VCC，接+5V 电源；2 引脚DOUT，为TTL 电平信号输出管脚；3 引脚AOUT，为模拟量输出管脚；4 引脚GND，接地。本终端节点只应用MQ-2 的模拟量输出信号，MQ-2的3 引脚接ZigBee 芯片的P0.4 引脚，1 引脚接VCC，4 引脚接GND。

MQ2 烟雾传感器集成模块电路原理图，如图2所示。

2.2 火焰检测模块硬件设计

火焰探测报警模块采用火焰传感器集成模块实现实时检测探测头检测范围内的火源情况，并以数字信号形式无线传输至协调器。

该模块总共有四个引脚，1 管脚VCC，外接3.3V-5V 电压；2 管脚GND；3 管脚DO，数字量输出接口（0 和1）；4 管脚AO，悬空。在本终端节点中火焰探测模块的3 管脚接到CC2530 芯片的P1.0 引脚。

火焰传感器集成模块电路原理图，如图3所示。

图1：安防监控终端节点总体架构图

2.3 ZigBee无线数据传输模块硬件设计

本节点的无线数据传输模块是使用CC2530 提供的兼容IEEE 802.15.4 无线收发器，RF 内核控制模拟无线模块，在MCU 和无线电之间提供一个接口，实现发出命令、读取状态和自动对无线电进行排序等功能。

3 软件设计

根据硬件设计部分，软件部分主要介绍了燃气检测模块软件设计、火焰检测模块软件设计和ZigBee 无线数据传输模块软件设计。

3.1 燃气检测模块软件设计

燃气检测模块使用CC2530 的ADC 转换进行传感器MQ2 的数据采集和信号转换。

CC2530 具有8 大输入通道、7-12 位分辨率、参考电压可选、两种转换情况：连续转换和单次转换等特点。本终端节点的燃气检测模块ADC 转换运用CC2530ADC 转换的4 通道作为输入通道，选择12 分辨率，3.3V 片上参考电压，单次转换。燃气检测模块ADC 转换流程图，如图4所示。

3.2 火焰检测模块软件设计

火焰检测模块主要检测环境周围的火源情况，检测结果主要以TTL 电平形式输出。火源检测模块流程图，如图5所示。

3.3 ZigBee无线数据传输模块软件设计

本终端节点的ZigBee 无线数据传输模块利用ZigBee 协议栈提供的针对于ZigBee 应用层的一些API 接口进行无线数据发送和接收。协调器主要担负组建网络，等待接收终端节点的信息，再通过串口通信技术传输到上位机系统。终端节点主要负责在协调器建立网络后加入网络，进行周期性（2s）数据采集工作以及数据的无线发送工作。

考虑到系统的安全性问题和协调器接收数据的有效性，为系统的每个终端节点和协调器节点之间设置一个数据通信协议，将每个终端节点的数据包使用一个结构体进行封装，其中包含数据包的协议头，用来明示此为一条新数据；设备类型，用来明示该节点是协调器节点、路由节点亦或终端节点；节点网络地址，每个节点在网络中具有唯一的地址，用来标识不同节点和指定无线数据传输时的源地址和目标地址；节点MAC 地址，各个节点具有唯一的MAC 地址，用来标识各个节点的独特性；传感器数据，此部分即为传感器探头检测到的数据有效值；尾，用来标识此条信息已结束。

数据通信协议字段定义，如表1所示。

4 系统测试

本终端节点采用安防监控管理系统进行测试。小区安防系统实时监测模块实现实时接收协调器数据，进行数据筛选工作，剔除无效数据，将符合数据通信协议和在数据库中已经为该节点分配房间号的数据进行可视化实时显示。定时更新上传节点数据至数据库，当有事故发生时，及时显示和上传最新节点数据，并及时通过信息提示和声音报警提示通知安保人员。经过1234 和1235 房间号连续多次测试，改变煤气节点和火焰节点的实际环境，多次测量，能够实现测量数据值，并且正确提示警报情况，具体测量数据如图6所示。

图2：MQ2 烟雾传感器集成模块电路原理图

图3：火焰传感器集成模块电路原理图

图4：燃气检测模块ADC 转换流程图

图5：火源检测模块流程图

图6：终端节点测试数据

5 结束语

本文设计的基于ZigBee 的无线家居安防终端节点，通过测试可靠性强、结构简单、方便增加、拆除，无需布线，成本低、可取代传统住宅的安防措施。本设计完成了预期的功能，实现了预期想要达到的效果，为小区的安防工作作出了贡献，在实际工程中有广泛的应用，具有良好市场前景。