基于ZigBee的家居防盜系統(tǒng)的研究

朱慶華+劉天羽

摘 要： 針對家居網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程管理存在的問題，對ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，提出一種基于ZigBee無線傳感器的家居防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。采用振動傳感器來監(jiān)測振動信號，通過ZigBee CC2530 ZLL模塊發(fā)送并傳輸振動信號，用接收模塊進(jìn)行信號的接收，做出聲光報(bào)警信號。運(yùn)用C/C++在IAR EWARM 8.10編程軟件上進(jìn)行編程、調(diào)試，從而完成了家居防盜的監(jiān)測功能的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了家居的智能化管理。該設(shè)計(jì)采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對家具設(shè)備實(shí)現(xiàn)信號的采集、傳輸、監(jiān)測等功能，可廣泛應(yīng)用于安全監(jiān)測和防盜系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞： ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 振動傳感器； 聲光報(bào)警； 安全監(jiān)測

中圖分類號： TN702?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）20?0101?03

Research on smart home anti-theft system based on ZigBee

ZHU Qinghua， LIU Tianyu

（Shanghai DianJi University， Shanghai 200240， China）

Abstract： Aiming at the problems existing in home network remote management， the ZigBee wireless sensor network is studied， and a design method of smart home anti-theft system based on ZigBee wireless sensor is proposed. The vibration sensors are used to detect the vibration signal. The ZigBee CC2530ZLL module is used to send and transmit the vibration signal. The receiving module is used to get the signal and make the sound-light alarm signal. With C/C++， the programming and debugging are executed in the IAR EWARM8.10 programming software， so as to complete the design of the home anti-theft function， and realize the intellectualized home management. The ZigBee wireless sensor network technology was used in this design to realize signal acquisition， transmission， monitoring function of equipments in house. It can be widely used in the safety monitoring and anti-theft systems.

Keywords： ZigBee wireless sensor network； vibration sensor； sound-light alarm； monitoring

0 引 言

信息技術(shù)迅速發(fā)展并深入到人們的日常生活中，同時(shí)智能化這一概念也在逐步走進(jìn)人們的生活。信息技術(shù)的更新和應(yīng)用中最關(guān)鍵的一步是信息獲取的過程，這將直接關(guān)系到后續(xù)的信息傳輸、信息處理和信息應(yīng)用。安全舒適便利的生活環(huán)境需要智能家居網(wǎng)絡(luò)的管理和實(shí)現(xiàn)，其通過各種通信設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行有效地控制和管理，來實(shí)現(xiàn)對家居網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程管理控制。目前，智能家居的主要形式是有線網(wǎng)絡(luò)，但無線傳感網(wǎng)絡(luò)能夠更方便地對家居環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)模塊和傳感器模塊的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了傳感控制技術(shù)和短距離的無線通信技術(shù)。這些技術(shù)可用在汽車防盜報(bào)警系統(tǒng)、家庭安全防盜系統(tǒng)、有害氣體的監(jiān)測、風(fēng)電場風(fēng)速監(jiān)測等智能裝置[1?4]。

現(xiàn)在設(shè)計(jì)一種基于ZigBee的無線傳輸?shù)闹悄軝z測裝置并應(yīng)用到家庭防盜系統(tǒng)中。此裝置可裝在家里的門窗上，當(dāng)門窗被打開時(shí)裝在上面的振動傳感器會傳遞出來振動信號，從而實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)使用射頻識別技術(shù)、紅外感應(yīng)技術(shù)、激光掃描技術(shù)、全球定位技術(shù)和無線通信技術(shù)等通過特定的通信協(xié)議，把不同設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)連接在一起，在不同物體之間進(jìn)行通信，從而來實(shí)現(xiàn)智能化識別、跟蹤、定位監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[5?8]。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。ZigBee技術(shù)是一種基于短距離、低功耗、低速傳輸、低成本的雙向的無線通信技術(shù)，該技術(shù)是一組基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通信技術(shù)[9?10]。本文在物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架下，設(shè)計(jì)了集振動信號監(jiān)測、無線傳輸于一體的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過接收模塊來查看遠(yuǎn)程的振動信號，發(fā)出振動信號時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)聲光自動報(bào)警的功能。本文采用2.4 GHz ZigBee無線模塊來實(shí)現(xiàn)無線傳輸技術(shù)。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)共包括無線傳輸模塊、傳感器模塊和外圍電路模塊3個(gè)部分。采用低功耗ZigBee無線傳感器采集振動信號，將振動信號轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信息，內(nèi)部通信將信號打包、加密后傳輸至ZigBee通信模塊，最后信號通過單片機(jī)的處理以聲光報(bào)警的形式將信號的結(jié)果展現(xiàn)出來。圖1為該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖

1.1 無線傳輸模

為了保證無線傳輸模塊傳輸距離大，需要無線傳輸模塊具有較低的功率損耗；為了保證無線傳輸模塊上數(shù)據(jù)收發(fā)功能的有效性，需要無線傳輸模塊具有穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸功能。

本設(shè)計(jì)采用ZigBee CC2530 ZLL開發(fā)套件，如圖2所示。CC2530是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4，ZigBee 和RF4CE的一個(gè)單片機(jī)片系統(tǒng)，該型號能夠以非常低的成本來建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

圖2 ZigBee CC2530 ZLL開發(fā)套

利用配套的仿真器可以將程序下載到ZigBee模塊中，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)的功能。ZigBee CC2530 ZLL開發(fā)套件主要是由CC2530芯片、電壓轉(zhuǎn)換器件、天線、收發(fā)器、電源電路等部分組成。

CC2530的原理圖見圖3。

1.2 傳感器模塊

為了保證檢測信號的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，需要選擇具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高、檢測范圍大等特性的傳感器。本設(shè)計(jì)中選用的是由蜂鳴片及觸點(diǎn)彈簧組成的振動傳感器，如圖4所示。

該傳感器內(nèi)部采用的是SMT貼片工藝和進(jìn)口元件，通過LM358等模塊對采集到的信號進(jìn)行放大。輸出信號線可以直接與單片機(jī)的I/O相連，從而減少了模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。傳感器還具有靈敏度可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)檢測范圍大的功能（順時(shí)針調(diào)節(jié)可增加靈敏度，逆時(shí)針相反）。該傳感器可以直接和無線發(fā)射模塊配套使用，已廣泛地應(yīng)用到防盜系統(tǒng)及設(shè)備的智能監(jiān)測系統(tǒng)上。

圖4 振動傳感器

當(dāng)傳感器檢測到振動信號時(shí)會通過LM358運(yùn)算放大器輸出一個(gè)低電位信號，信號輸出線則將此信號傳遞給ZigBee模塊來進(jìn)行后續(xù)的信號處理。在這里需要注意的是信號輸出線上需要接一個(gè)用以保持無信號時(shí)的高電位、振動時(shí)的低電位的上拉電阻。

1.3 外圍電路模塊

除了用來實(shí)現(xiàn)傳感器模塊和無線傳輸模塊之外，還要需要外圍電路來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的供電和聲光報(bào)警功能。本設(shè)計(jì)中，電源采用5 V穩(wěn)壓電源供電（或USB供電），燈光報(bào)警采用ZigBee CC2530 ZLL開發(fā)套件上自帶的LED燈光報(bào)警，聲音報(bào)警采用蜂鳴器報(bào)警，聲音報(bào)警的驅(qū)動電路如圖5所示。

圖5 聲音報(bào)警的驅(qū)動電路

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

ZigBee無線傳感器的家居防盜監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，把一個(gè)復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)分成幾個(gè)相對簡單的部分予以解決，即可分為發(fā)送模塊和接收模塊，其軟件的流程圖如圖6所示。

圖6 軟件的流程圖

軟件的編寫與調(diào)試采用IAR Embedded Workbench IDE 8.10編程軟件，AR Systems公司為ARM微處理器開發(fā)了一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境IAR EWARM。IAR EWARM主要采用C/C++交叉編譯器和調(diào)試器，該編譯器能生成優(yōu)越的代碼，能夠有效地減少對硬件資源的占用，從而降低成本提高市場競爭力。程序編譯成功后通過CC2530仿真器將發(fā)送和接收程序分別下載對應(yīng)的ZigBee模塊。

3 結(jié) 語

基于ZigBee的無線傳輸?shù)闹悄芗揖颖O(jiān)測系統(tǒng)能很好地監(jiān)控家居環(huán)境，其組網(wǎng)方便快捷，另外該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、無線傳輸功能。智能的家居網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)榇蠹姨峁┌踩孢m的環(huán)境。

注：本文通訊作者為劉天羽。

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