基于ZigBee的智能安防系统设计

引 言

智能安防系统是指利用先进的计算机、移动通信、综合布线技术将与安防系统有关的各种子系统结合在一起，通过统筹管理使安防变得更加智能、安全。Android 软件的出现， 让系统有了可视化的操作界面，使智能安防系统更加人性化。ZigBee 技术具有功耗低、成本低、能够自组织组网等优势。本系统利用Android 系统设计了一个基于 ZigBee 的智能安防系统。

1 系统设计

本智能安防系统主要由手机、Android 手机网关、ZigBee 传感器网三大模块组成，其整体结构框图如图 1 所示。手机指的是支持 GSM 模块的终端，可以和手机网关之间远程通信。Android 手机网关由Android 手机和 ZigBee 协调器构建，是智能安防系统的核心。ZigBee 协调器和多个ZigBee 节点构建无线传感器网络。ZigBee 节点加载传感器采集信息，如温湿度、酒精检测、烟雾检测及超声波检测等。系统上电运行时，终端节点将采集到的信息发送到协调器节点，由协调器节点传递到Android-3G 智能手机网关进行处理。网关上的 GSM 模块接收短信，自动回复系统信息，也可根据 GSM 指令远程控制系统内的各个模块。

2 系统硬件设计

2.1 Android智能手机网关

本设计中手机网关采用的是 Cortex-A8 嵌入式开发板， 开发板采用开放式设计，主控制芯片是 Cortex-A8 处理器、可以搭载 Android 操作系统，含有 3G 模块、WiFi 模块、触摸彩屏、ZigBee 模块等。支持ZigBee、GPRS、GSM、短信等通信功能。Android 手机网关融合了嵌入式系统、无线通信、手持设备、远程智能控制等新实用技术。在手机网关上面安上GSM 卡，安装编写好的App 软件，打开运行即可在 ZigBee 组成的局域网中实时观察各个节点的信息以及各个传感器的信息。

2.2 ZigBee数据采集模块

本系统采用多个数据采集模块，每个模块由数据采集底板和 ZigBee 模块组成。ZigBee 模块采用的核心芯片是CC2530，该芯片由射频收发模块和 8051 内核构成。ZigBee 通信模块采用AMS117-3.3 V 芯片稳压和电容滤波的方式，可为 CC2530 提供稳定的电压。该模块共设计了 32.768kHz 和32 MHz 两种晶振，为ZigBee 不同的通信频段提供支持。为了防止电流不稳，在ZigBee 通信模块的射频电路中加入了电感电路。每个数据采集底板选择的芯片是STM32F103VC，内核为Cortex-M3 芯片。Cortex-M3 处理器可实现传感器数据的采集、处理和发送，接收CC2530 的控制指令以对相应外设进行控制操作。

2.3 传感器

该智能安防系统中的传感器主要包括酒精、烟雾、超声波、温湿度等。消防检测主要由酒精传感器、温湿度传感器SHT10、烟雾传感器MQ-2 等组成。非法入侵检测主要由超声波传感器、红外传感器、玻璃破碎传感器等组成。烟雾传感器MQ-2 的信号输入端直接连接到STM32 芯片的IO 口，将采集到的电平变换直接传递给STM32 处理器。温湿度传感器SHT10 在采集环境的温湿度时，将数据通过 3 号引脚传递给STM32 芯片，处理器调用温湿度处理程序对信号进行分析。

3 系统软件设计

安防系统的软件设计主要分为四部分 ：ZigBee 通信模块程序设计、数据采集底板设计、子系统控制程序、App 操作界面的编写。其中，ZigBee 采用IAR 程序设计，数据采集底板和GSM 短信采用Keil C 编写，App 采用Java 程序编写。

3.1 ZigBee通信模块的程序设计

ZigBee 传感器网遵从ZigBee 2007 协议栈，各个终端节点的通信模块和协调器按照星状组网模式组成 ZigBee 传感器网。ZigBee 协调器就是传感器网络的管理者，管理其网络中的其他节点，负责节点和手机网关的连接，各个节点的通信模块负责将采集到的传感器信息发送给协调器。ZigBee 根据设定的信道依次扫描，依据扫描情况，选择一些合适参数建立一个网络。在一个ZigBee 传感器网络形成过程中，每个节点都不是独立的，需要各个节点之间相互协调，共同遵守同一个协议。ZigBee 网络协调器软件设计流程如图 2 所示。

3.2 数据采集底板的程序设计

数据采集底板采集传感器信息，与监控对象相连。每个节点的数据采集底板都按设计程序实现相应功能。比如酒精传感器节点，数据采集底板采集到酒精气体时，对数据解读和判断，一旦确定命令为酒精气体则马上调用相应的浓度采集程序对酒精气体浓度进行采集和控制，然后通过ZigBee 通信模块将采集的信息发送到ZigBee 协调器，再传递给手机网关， 用户可以在操作界面上观察酒精浓度。数据采集底板的程序流程图如图 3 所示。

3.3 GSM短信控制程序

控制程序采用Keil C编写，首先要对 STM32的串口、中断、 定时器和 SIM900AGSM 模块进行系统初始化，当检测有短信 来时，调用中断程序进入系统外部中断。根据短信内容调用相 关的处理程序，完成相关操作比如继电器的控制，传感器信 息的采集等，通过 GSM 模块程序的设计可以达到远程控制各 个节点的目的。

4 智能安防系统的实现 

智能安防系统的 ZigBee 网络采用星型组网，打开智能安 防系统的 App 软件，系统连接图如图 4 所示。本系统由 8 个 节点组成，图中显示了 5 个节点。各终端设备节点将数据发送 给网关上的协调器，协调器直接和网关上的数据库相连。点击 其中一个节点，比如节点 7 为烟雾传感器节点。打开该节点的 控制界面，在界面上可以看到如图 5 所示的烟雾安全级别。为 防止其他类似烟雾的气体对检测的干扰，可以对多选框进行 控制，打勾即为开状态控制成功，去掉勾即为关闭状态控制成 功，点击“BACK”可返回网络拓扑图。

在 Android-3G 智能手机网关的 WCDMA-3G 卡槽上插好 联通 3G 卡或 2G 卡。可以点击 Android-3G 智能手机上面的菜 单键。为 App 软件绑定手机账号 ；通过发送短信指令对系统 进行远程查询和控制。通过短信可以远程查询节点的详细信 息，也可以控制继电器的开关，从而控制窗帘或者电灯等，短 信信息图如图 6 所示。