基于 ZigBee 通信的家庭安防监控系统

 引 言

本文面向智能家居领域，以智能安防为研究重点，将嵌入式系统、物联网技术、生物识别技术等结合，设计基于ZigBee 通信的家庭安防监控系统。该系统实现了对门磁、窗磁以及红外感应模块的实时监测，在以上模块出现异常时告警。用户可采用触摸输入或指纹识别方式以实现对防盗系统的启停控制，使用方便且安全灵活。防盗监测点均为 ZigBee 无线形式，功耗低且可以自组网，安装布局灵活。此外，网关模块上还配有 WiFi 通信功能，支持智能手机端远程监测， 当用户身处公司或在外旅游时，也能随时监控家中的安全情况。

1 系统设计

本文系统分为嵌入式网关模块和 ZigBee终端模块两部分，并分别使用 STM32和CC2530作为两者的核心微处理器。ZigBee是基于国际标准 IEEE802.15.4的个人局域网协议的短距离无线通信技术。ZigBee拥有强大的组网能力，网络 [1]中最大可允许 65 535 B。ZigBee模块具备较好的低功耗特性， 可以有效节约成本 [2]。ZigBee采集终端用于实现对门磁、窗磁以及红外感应模块的实时监测，在出现异常时会向嵌入式网关 STM32[3]模块发送告警信息。嵌入式网关模块采用高清TFTLCD触摸液晶模块进行用户界面显示和触摸输入检测， 具备对防盗系统进行启停控制，对采集终端告警信息处理以及将报警信息送至智能手机等功能。系统架构如图 1 所示。

2 系统实现

2.1 硬件设计

系统的终端模块采用 TI公司的 CC2530作为微控制器和通信核心芯片，涉及到的传感器有窗磁开关、门磁开关、红外感应器，涉及到的控制模块为声光告警器。采集与控制 信号通过 ZigBee网络与网关模块进行信息交互 [4]。终端模块的硬件设计如图 2（a）所示。网关模块部分以 ST公司的STM32F407为控制器核心 [5]，采用 TFT触屏进行显示与控制 ；告警取消部分采取指纹识别控制 ；与终端模块信息交流部分采用 ZigBee CC2530；与手机通信部分则通过 WiFi形式来实现。网关模块的硬件设计如图 2（b）所示。

2.2 软件设计

微控制器 CC2530 使用的协议栈版本为 TI ZStack-CC2530-2.1.5.1a。ZStack 的体系结构由各层模块组成，每一层为其上层提供特定的服务 [6]。每个服务实体通过相应的服务接入点为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。协议栈根据 IEEE 802.15.4 和ZigBee 标准分为以下几层 ：应用层、网络安全层、介质访问控制层以及物理层。

门磁、窗磁模块以及红外探测模块将采集到的信息以一定的数据帧传送至终端，再以ZigBee 无线形式传输至协调器， 同时协调器也会将网关传来的触摸控制模块的信息传送给声光告警模块。终端模块的软件设计流程为 ：首先，在 ZigBee 系统和相应的 I/O 口进行初始化，I/O 口用来检测各传感器的信息 ；然后，将检测到的信息以规定好的数据帧通过组播方式发送到协调器，并且做相应的控制 ；最后，协调器通过串口发送到网关 STM32[7]。终端模块的软件设计流程如图 3（a）所示。指纹采集模块将指纹传入网关 STM32，网关将指纹识别信息送至 ZigBee 协调器以控制是否报警 ；网关模块处理 ZigBee 协调器传送过来的数据帧，判断各个模块的情况并控制报警和显示屏的显示，同时通过 WiFi 模块 [8] 向 APP 传送数据，在 APP 上显示各个位置的情况。网关模块的软件设计流程为 ：先对 STM32 的各个模块以及 I/O 口进行初始化后开启时钟，利用 RTC 系统时钟计时，每隔 1 s 进行数据接收并对数据进行处理，分析判断是否需要报警。如果需要报警，通过串口发送报警信号 ；如果不需要报警就继续接收数据信息进行处理，如此循环。网关模块的软件设计流程如图 3（b）所示。

3 系统功能测试

本系统采用的物联网技术架构 [9] 包括感知层、传输层、控制层、软件和开发环境以及应用。感知层由电磁感应终端、红外感应终端及指纹识别终端组成 ；传输层以 ZigBee 通信实现终端信息传送，以 WiFi 通信实现告警信息上报 ；控制层采用 CC2530 实现终端控制功能，采用 STM32 实现网关处理 ；软件和开发环境有 IAR For 8051，MDK5 ；应用部分有手机终端 APP 防盗监测 [10]。红外采集终端实物图、门窗磁采集终端实物图、指纹识别模块实物图、报警控制终端实物图以及系统整体实物效果图如图 4 所示。

图 4 系统整体实物效果图

以一个实际场景为例，测试装置功能。先给所有模块上电，上电后 STM32 界面效果如图 5（a）所示，所有部分都为正常状态，随后短时间打开大门，即打开门磁，操作效果如图 5（b）所示。此时显示界面相应位置将会变黄，表示大门显示“开”，但不告警，5 s 后若仍为打开状态，装置认为有异常，则 STM32 和 APP 显示界面的大门和报警器的状态将会变红，并且报警器也将会随之报警，界面效果如图 5（c） 和图 5（d）所示。此时房主若按下指纹，使报警器停止告警， 一切恢复正常且界面效果恢复至图 5（a）。同样，若红外探测器检测到有人，也会有类似以上的效果。由此可见，本系统设计的防盗报警装置实现了预期的功能，能够完成家庭防盗报警的任务。

4 结 语

这套系统不仅能够实时监测家庭的安全情况，还可以在发生异常状况时及时向住户告警 ；而且其所需的门窗磁模块可以灵活地安装在门窗等任何开合式场所，安装过程也很方便快捷。因此该系统一方面可以提高住宅的舒适温馨度，另一方面也可以帮助住户及时了解住宅的安全情况。综上，本系统不仅可以应用于智能家居的环境监测，也可以应用于车间环境监测，市场应用前景良好。