基于ZigBee技術的智能防盜窗報警系統

黃炯，王志明

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

基于ZigBee技術的智能防盜窗報警系統

黃炯，王志明

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

針對傳統防盜窗的不足以及有線方式傳輸的缺點，以S3C2410處理器為主控芯片，并以實時操作系統uC/OS-II為核心，利用多傳感器采集報警信號，通過ZigBee短距離無線網絡將信號發送至主控模塊進行處理和分析，一方面經GSM網絡以短消息形式將報警信息發送至用戶手機，另一方面經RS485傳輸至物業上位機顯示，設計并實現了智能防盜窗報警系統。

ZigBee；GSM網絡；多傳感器；智能防盜

0 引言

隨著經濟的迅速發展，人們生活水平的不斷提高，家庭財物被盜的嚴重性不僅日益得到人們的關注，而且促使家庭智能防盜技術的快速發展。家庭智能防盜系統[1-2]可對家庭的安全環境進行實時監控，而智能防盜窗是此系統中的重要組成部分。目前大多相關的產品都是采用有線方式進行信號的傳輸，針對有線方式的布線復雜、線路易損壞和不易維護等特點，設計了基于ZigBee短距離無線傳輸方式[3]的智能防盜窗系統。本設計以移植了uC/OS-II[4]實時操作系統的S3C2410為開發平臺，通過ZigBee和GSM無線網絡傳輸多傳感器檢測到的報警信號，實現無線遠程報警。

1 系統總體方案設計

智能防盜窗報警系統原理如圖1所示。

該系統采用模塊化的結構設計思路，主要由傳感器模塊、信號調理模塊、電源模塊、ZigBee無線收發模塊、主控模塊和GSM模塊等組成。傳感器模塊將采集到的盜賊入侵信號經信號調理模塊放大濾波得到有效信號，經ZigBee無線收發模塊的終端節點無線發送至協調器節點，通過S3C2410處理器的處理和分析，將報警信號通過GSM網絡發送至用戶手機，并通過RS485發送至物業上位機顯示，同時開啟攝像頭進行視頻監控，以留下盜賊偷盜的證據。

圖1 系統工作原理圖

2 系統硬件設計

2.1 傳感器模塊與信號處理模塊

由振動傳感器、紅外傳感器和人體接近傳感器組成了傳感器模塊。其中振動傳感器采用SW-18020P振動傳感器，該傳感器無方向性，任何角度均可觸發工作，主要用于檢測窗戶的振動，通過電路設計可調節其振動靈敏度，其外圍電路如圖2所示，通過LM393電壓比較器輸出數字量0和1。人體接近傳感器采用YTM8631型傳感器，具有穿透性能好、探測靈敏度可調、距離可設置和探測方向可調等特點，且不受溫度、濕度、噪聲、氣流、塵埃、光線等影響,適合惡劣環境。當有人進入傳感器感應范圍時，會探測到人體的紅外光譜，接通負載，輸出報警信號。紅外反射光電傳感器主要用于檢測盜賊從窗戶進入，當人體擋住射線，就會輸出報警信號，同時會啟動攝像頭進行錄像。信號處理模塊主要對傳感器輸出的模擬信號進行放大濾波。為了避免誤報警，三傳感器中的兩個檢測到信號才向主控模塊發送報警信息。

圖2 振動傳感器外圍電路

2.2 單片機與電源模塊

前端主控模塊采用AT89S52單片機，是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8k在系統可編程Flash存儲器。主要對采集到的信號進行簡單處理，并觸發蜂鳴器報警。電源模塊部分選用CD4066模擬開關對采集部分即傳感器模塊電源通斷的控制，以達到系統在不采集數據時，數據采集部分的功耗為零。

2.3S3C2410處理器和ZigBee射頻模塊

S3C2410是一款基于ARM920T處理器核的32位低功耗嵌入式微控制器，具有獨立的16kB指令Cache和數據Cache,集成LCD，UART，IIC，SPI，IIS，USB，SD控制器等片內外圍設備，支持NAND Flash啟動，適合應用于手持設備。該處理器作為防盜窗報警系統的核心部分極大的起到降低功耗的作用。選用移植了Z-Stack協議棧的CC2430[5]射頻芯片作為射頻模塊的核心，該芯片結合了一個高性能的2.4GHz直接序列(DSSS)射頻收發器核心和一顆工業級小巧高效的增強型8051控制器，并滿足2.4 GHzISM波段應用中對低成本、低功耗的要求。該模塊通過RS232串口分別與前端單片機和主控模塊的S3C2410進行通信，其硬件系統結構如圖3所示。

圖3 CC2430硬件系統結構圖

2.4GSM短信模塊與攝像頭模塊

以華為公司生產的EM310模塊為GSM[6]短信收發模塊，其電路圖如圖4所示。該模塊是一款工作在EGSM900/GSM1800雙頻段可支持GSM和GPRS的手機短消息模塊，通過UART串行接口與主控模塊通信，主控模塊通過發送AT指令的方式完成短消息的收發。攝像頭模塊采用的是主控芯片為OV511的USB攝像頭，OV511是一款低成本，高集成度的USB攝像頭，不僅支持VGA(640×480)(10-15fps)，CIF(352×288)(30fps)等格式，而且在CPU利用率低的情況下能快速解壓。采集圖像的輸出格式可以是YUV/YCbCr4：2：0/4：2：2 或者RGB16。該模塊主要記錄盜賊盜竊過程，用于取證。

圖4 EM310模塊電路圖

3 系統軟件設計

3.1ZigBee短距離無線網絡組建

該短距離無線網絡采用星型拓撲結構，包含一個協調器節點和若干終端節點，其網絡結構圖如圖5所示。其網絡的組建主要包括協調器建立網絡和終端節點加入網絡。通過修改TI公司開發的Z-Stack[7]協議棧完成網絡組建、設備入網和數據采集，并在IAR EWB開發環境下調試運行。協調器節點的網絡建立和終端節點的入網軟件流程圖如圖6所示。

圖5 ZigBee無線傳感網絡結構圖

圖6 終端節點

3.2 主控模塊軟件設計

在S3C2410處理器上移植uC/OS-II實時操作系統，該系統是占先式操作系統，可對系統資源和多個任務進行管理，具有足夠的安全性和穩定性，其對任務的調度是按優先級進行的。該系統任務的優先由高到底依次為：紅外光電反射處理任務、振動處理任務、人體接近處理任務、攝像頭開關處理任務和GSM短信處理任務。該系統主函數如下：

Int main(void)

{

OSInit(); //初始化uC/OS-II系統

OSTaskCreate(TaskStart,(void*)0,

TaskStartStk[TASK_STK_SIZE-1],0);

OSStart(); //啟動uC/OS-II任務管理

return 0;

}

該主控模塊軟件流程圖如圖7所示。

4 結語

以S3C2410處理器為主控芯片，實時操作系統uC/OS-II為核心，ZigBee短距離無線網絡和GSM網絡為通信平臺，利用多傳感器檢測信號，設計了智能防盜窗報

圖7 主控模塊軟件流程圖

警系統。該系統解決了有線方式傳輸和傳統防盜窗不能報警、無安全性等缺點，具有易維護安裝、穩定性好、擴展性好等特點。

[1] 張橙.家庭智能防盜報警系統的設計[J].湖南工業大學學報,2009,23(3):97-99.

[2] 霍銀龍,趙芙生.基于DSP的智能家居遠程監控系統的設計[J].機械制造與自動化,2012,41(3):151-155.

[3] 張周,周劍,揚閆沫.ZigBee在智能家居系統中的應用研究[J].工業控制計算機,2006,19(12):7-9.

[4] 何雅琴.基于UCOS_II的智能窗系統的設計[D].上海：華東師范大學，2008.

[5] 寧炳武,劉軍民.基于CC2430的ZigBee網絡節點設計[J].電子技術應用,2008,3:95-99.

[6] 孫增軍,胡延平.基于GSM的移動監控定位系統設計[J].現代電子技術,2003,1(9):44-48.

[7] 夏飛.基于Z-Stack協議的無線傳感器網絡節點研究[J].電子元器件應用，2009,11(12):74-76.

Intelligent Alarm System of Security Window Based on ZigBee Technology

HUANG Jiong, WANG Zhi-ming

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Aiming at the disadvantage of traditional security window and wired transmission, this paper designs an intelligent alarm system of security window. S3C2410 processor is taken as the master chip and the real-time operating system of uC/OS-II as the core, the muti-sensor is used to collect the alarm signal,which is transmitted to the main control module for processing and analysis through the ZigBee short-range wireless network. On the one hand, the alarm information is sent to the user's mobile phone as a short message through GSM, on the other hand, it is sent to the property host computer and display through RS485.

ZigBee; GSM network; muti-sensor; intelligent guard

黃炯(1988-)，男，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向為智能檢測與控制技術。

TP277

B

1671-5276(2014)02-0204-03

2013-01-28