基于 ZigBee 和 RFID 技术融合的家庭安防系统研究与设计

0 引 言

随着家居生活的不断改善和安全防范意识的增强，人们对于居住环境的智能化和安全化也提出了更高的要求。安防系统不再单纯局限于防火防盗，还要及时了解和解决家中的各种突发性安全事件。近些年来，虽然家庭安防的模式已经在很多方面有了改善，但是家庭安防系统依旧存在功能单一、智能化程度低下、兼容性差等问题，在科学性、实时性、安全性等方面都不尽如人意。

物联网是通过物理对象和其他嵌入了电子、软件、网络和特定的传感器或者执行器的设备之间的相互连接，使对象能够采集和交换数据。近年来物联网的应用越来越普遍，预 计 2020 年将有数十亿个智能对象连接在一起，物联网已成为家庭安防领域的一个重要平台，预计在将来会有很大的应用可能性。

本文针对目前家庭安防系统中存在的问题，在充分研究 ZigBee 技术和 RFID 技术的基础之上，设计开发了基于ZigBee 和 RFID 技术融合的家庭安防系统。本系统结合了传统的家庭安防系统已有的优点，同时针对传统家庭安防系统存在的缺点，引入 ZigBee 技术和 RFID 技术，增加了环境监管模块和远程报警功能，实现了多功能的智能化家庭安防系统。

1 ZigBee 和 RFID 技术融合在家庭安防的可行性分析

ZigBee 技术因为具有安全可靠、距离近、功耗小、成本低、组网方式灵活等优点，日益得到人们的青睐，被广泛应用到各个行业中。对于智能安防系统，采用 ZigBee 技术也是十分有效的一种手段。与此同时，伴随着物联网的发展，不仅ZigBee 技术得到了大力的发展，RFID 技术发展的势头也是非常迅猛。将 RFID 技术用于身份验证也是十分普遍的一种现象。RFID 门禁系统和 RFID 电子锁都已经出现在大众的视野中，将 RFID 技术用于家庭安防已经成为一种趋势。将ZigBee 技术和 RFID 技术二者结合运用于家庭安防管理，将对家庭安全有双重保障。

2 系统硬件设计

系统主要包括身份验证模块、环境监测模块、安防模块、报警模块、主控模块五大模块。

（1）身份验证模块主要由 RFID 标签和手机短信两种方式实现。RFID 身份验证主要是通过 RFID 感应防盗门锁实现的，通过由 Wiegand 技术提供的基本接口与 MIFARE Tag（智能标签）的相互操作 [1] 来实现对用户身份的验证。对于用户忘记带 RFID 标签的情况，系统也做出了相应的对策 ：用户通过短信向系统发出短信开锁的申请，系统给用户发送 6 位解锁验证码，用户在要求的时间内输入密码，则身份验证成功。

（2）环境监测模块主要负责采集室内环境信息，如室内温湿度、烟雾等信息，并绘制出温湿度曲线图。与此同时，通过摄像头采集实时的监控信息。

（3）安防模块主要是针对非法人员的非授权闯入问题。在用户设定的无人的时间段内，通过红外对射传感器来监测是否有人进入该房间，在该时间段内若有人进入，系统将进行报警，从而起到安全防护的作用。

（4）报警模块分为本地报警和远程报警。本地报警主要是通过报警器的鸣笛实现，远程报警主要是通过给户主发送短信并拨打报警电话的方式实现。报警模块与前三个模块相附相依 ：身份验证模块，若身份验证不通过，在一定时间内非法人员不离开，则报警 ；环境监测模块，若温湿度超过合理的范围，或是检测到烟雾，则报警 ；安防模块，若发现非法人员闯入，则报警。

（5）主控模块负责这几个模块之间的控制和调度，包括身份验证过程中用到的 RFID 数据，还有环境监测和安防过程中采集到的 ZigBee 传感器的数据，视频监控数据。不同类型数据的灵活使用，短信收发以及报警电话的拨打，这些功能的集成，都在主控模块完成。

系统的总体设计框图如图 1 所示，主要包括数据的采集、数据的感应、反向控制、身份验证和报警。其中，报警功能还分为本地报警和远程报警。数据采集、数据感应、反向控制和本地报警都是采用 ZigBee 无线传感网实现的，同时，摄像头采集到的数据也是通过 ZigBee 无线网络进行传输的。身份验证主要通过 RFID 技术来完成，其中手机短信功能依赖于汇聚网关节点中的 GSM 模块。系统的总体硬件框图如图 2 所示。其中，在环境监管模块所用到的 ZigBee 传感器节点主要包括温湿度传感器和烟雾传感器 ；在安防报警模块用到的 ZigBee 传感器节点主要是红外对射传感器。

本系统采用 S3C6410X 高性能嵌入式处理器，S3C6410X是一款 16/32 的 RISC 微处理器，具有低成本、低功耗、高性能等优良品质，适用于移动电话和广泛的应用开发。核心无线传感器网络节点选择 TI 德州仪器公司的 CC2530。CC2530 用于 2.4 GHz IEEE 802.15.4，ZigBee 和 RF4CE 协议的 SoC 解决方案，集成了性能优良的 2.4 GHz RF 收发器，支持 TI 公司的 Z-Stack 协议。其内核为增强型 8051MCU，具有低成本、低功耗、高集成度等优点 [2-3]。RFID 身份验证模块依赖于 PIC 16F873 微控制器 [1]，通过 RFID Proximity Wiegand reader 与该控制器相互连接实现身份验证的功能。其中相关的过程和数据处理都是由 PIC 16F873 微控制器来完成的。手机短信功能主要依赖于 GSM 模块，GSM 模块具有独立的操作系统、GSM 射频处理、基带处理，并提供标准接口的功能模块。ARM 通过 RS 232 串口与 GSM 模块通信，使用标准的 AT 命令来控制 GSM 模块实现各种无线通信功能 [3]。

3 系统软件设计

3.1 数据库设计与实现

数据库是“按照数据结构来组织、存储和管理数据的仓库”，主要的功能是存储数据，为系统提供数据。用户可以通过数据库直观地掌握系统的当前状态以及历史状态。本系统中涉及到的三个主要数据表分别是用户信息表、环境信息表、预警信息表，见表 1 ～表 3 所列。

3.2 系统界面设计与实现

当用户进入系统，首先看到的界面如图 3 所示。从图中可以看到整个房间的平面图，选择要进入的房间号，进入该区域，跳转到的界面如图 4 所示。在“环境综合信息”部分，用户可以直观地看到房间内此时此刻的温湿度、烟雾、非授权人员是否闯入的综合情况。在界面的数据显示区域，可以看到房间一定时间范围内的温湿度变化，单击“数据查询”按钮，可以将数字形式和折线图形式来回切换 ；单击“视频采集”按钮，可以从系统中直接调出房间内的监控。效果如图 5 所示。

当房间中发生突发情况时，例如 ：房间内温湿度过高、发现烟雾或者发现有非授权人员闯入，在图 4 界面中，相应属性后面的绿色按钮变红，出现一个弹窗，同时给用户发送短信提醒。当用户接收到报警信息，可以点击红色按钮，按钮恢复原来的颜色，同时报警器关闭。视频采集模块一般情况下采集到的信息会定时清理，但在预警时间段以及预警后的一段时间内采集到的视频系统当到自动清理的时间后，系统会给用户发送短信提醒，用户确认清理后才可对相应的视频信息进行清理。

4 结 语

本文通过软硬件结合的方式设计了一种基于 ZigBee 和RFID 技术融合的家庭安防系统，有效解决了目前家庭安防系统中存在的功能单一、智能化程度低下、兼容性差等问题。该家庭安防系统同时满足了科学性、实时性、安全性等方面的要求，能够实现基于 RFID 技术的身份验证和基于 ZigBee技术的环境监管，同时能够实现基于 GSM 的远程报警，具有较高的实用价值，应用前景广泛。