基于ZigBee技術智能家居安防監控系統

薛誓穎++李捍東

摘 要：為實現對家居安全的實時監控，文中設計了一種基于ZigBee技術網絡通信的智能家居安防監控系統。在所設計的智能家居安防監控系統中，利用相關傳感器對家居環境進行數據采集，并將采集到的數據信息通過ZigBee無線收發模塊發送到微控制器。當家居環境出現異常情況時，則啟動聲光報警，并通過CAN總線將報警信息發送到小區智能安防系統，利用GPRS無線通信模塊發送到用戶手機終端。當報警信息得到有效處理后，警報自動解除。

關鍵詞：智能家居；無線網絡；ZigBee技術；GPRS網絡

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）07-00-03

0 引 言

伴隨著信息化、數字化、網絡化技術的推進，通信方式由原有的有線通信逐漸演變到現在流行的無線通信，物物相連的無線傳感網絡也得到了空前發展。人民在享受經濟增長帶來的幸福生活的同時，對家居環境安全保障也更加重視。人們希望通過無線傳感網將家中的各種智能設備、家用電器等整合到一個智能化體系中，智能家居應運而生。

首先應滿足現代人對家居生活的需求，結合ZigBee無線通信技術及GPRS網絡設計出一套基于ZigBee技術網絡通信的智能家居安防監控系統，滿足人們對家居環境監測和家居異常環境智能報警的需求。為營造安全、舒適的家居氛圍，對改善用戶家居生活有著深遠而重要的意義。

1 系統整體設計方案

1.1 系統結構框圖

智能家居安防監控系統主要由傳感器模塊、ZigBee無線收發模塊和主控制器模塊組成。系統框圖如圖1所示。傳感器模塊負責對家居環境進行數據信息采集。ZigBee無線收發模塊連接傳感器模塊和主控制器模塊。而主控制器模塊作為整個智能家居數據處理和運算的核心。傳感器模塊作為系統數據來源，主要對家居環境信息進行檢測，并將采集到的數據信息通過ZigBee無線協議發送到微控制器。主控制器模塊主要實現對整個控制系統以及用戶和小區進行信息交換。當采集數據超過設定閾值時，微控制器采取警報措施，并及時通知小區安防系統和用戶手機終端。當異常信息得到及時有效的處理后，警報解除。

1.2 系統主要功能

智能家居安防監控系統主要面向小區用戶設計，小區用戶可通過該系統對家居內部情況和家居外圍進行實時監控。當危險情況發生時，小區安防可及時采取處理措施，避免發生不必要的事故。智能家居安防監控主要通過傳感器模塊檢測家居環境，通過ZigBee通信協議將家居現場采集的數據信息傳遞到微控制器。對ZigBee無線收發模塊和微控制器分別設定閾值并采集數據進行對比，如果兩次對比超過閾值，則進行聲光報警提示，并通過CAN總線和GPRS網絡通知小區安防系統和用戶手機終端。異常情況得到有效處理后，警報自動解除。

1.2.1 家居狀況實時監測

智能家居安防監控系統傳感器模塊主要對家居中可能出現的火災、可燃氣體泄漏等危險情況進行檢測。檢測信息通過液晶進行信息分類顯示，并通過CAN總線將家居外圍相關情況發送至小區監控系統進行實時監控。用戶通過GPRS無線模塊對家居室內情況進行實時監控。

1.2.2 家居異常雙重檢測

當家居環境數據出現異常時，對異常數據信息進行雙重檢測對比，如果兩次對比都超過預定閾值，則進行報警提示，并將異常情況反饋給小區安防和用戶手機終端。當異常信息得到有效處理后，報警解除。

1.2.3 家居安全智能報警

在智能家居安防監控系統正常運行時，如果家居環境發現異常，則傳感器模塊將異常情況發送到主控制器。主控制器接收到數據信息后，將相關報警信息發送到小區安防系統，并告知用戶。

2 系統硬件設計

傳感器模塊主要由傳感器、信號調理電路和ZigBee無線收發模塊組成。傳感器模塊負責對家居環境進行數據采集。為避免火災檢測出現誤報，煙霧檢測和溫度檢測同時進行。環境檢測需要的傳感器不盡相同，因而信號調理電路有差別，但最終都將環境采集數據的模擬量轉換為數字量，通過ZigBee無線協議傳遞到微控制器。

主控制器模塊主要由ZigBee無線收發模塊、微控制器、GPRS無線通信模塊組成，具體如圖2所示。考慮到智能家居系統的人性化和可視化，利用按鍵輸入控制家居系統的開啟和關閉。液晶顯示主要是對家居現場采集到的數據信息進行顯示，一目了然。

如果發生異常或危險情況，微控制器立即發出警報，并通過CAN總線將警報信息發送到小區監控系統，同時利用GPRS無線通信將警報信息發送到用戶手機終端。用戶和小區監控系統接收并查看警報后，將警報解除，并根據家居相關情況進行處理。

系統中ZigBee無線收發模塊采用2.4 GHz射頻芯片CC2530。CC2530核心板包括CC2530單片機、RF天線接口、模數轉換器、晶振以及I/O擴展接口。為實現家居環境的整潔和美觀，避免雜亂無章的線路布局，傳感器模塊與主控制模塊通過ZigBee無線收發模塊進行連接，完美解決了這一難題，為日常家居布置和清理添光加彩。ZigBee作為一種新興無線通信技術，其低成本、低功耗、通信可靠等特點，從某種意義上來說推動了智能家居的迅速發展，為人們的生活帶來更多便利。

智能家居安防系統微控制器采用運算能力強，具有雙串口的LPC1768芯片，實現ZigeBee無線收發模塊和GPRS無線通信模塊與控制器通過串口連接進行采集數據的信息傳輸。小區安防監控對監控信息安全和實時性要求高，采用LPC1768中2條CAN通道與小區安防監控系統連接，保證相關監控信息安全、可靠、快速傳遞到后臺小區監控系統，對用戶實時監控家居狀況及小區保安維護家居治安有重要意義。

智能家居安防系統GPRS無線通信模塊采用SIM900A模塊，實現微控制器和用戶手機終端之間的信息傳輸。SIM900A模塊精簡，接口豐富，功耗低，價格低廉，大大降低了物聯網設備的入門門檻。當主控制器向用戶手機發送信息時，在卡槽中插入SIM卡，并向SIM900A發送AT指令，就可以實現微控制器與用戶手機終端間的數據通信。

3 系統軟件設計

系統軟件設計部分由傳感器模塊子程序、ZigBee無線收發子程序、微控制器子程序組成。傳感器終端節點采集到的數據信息作為整個系統正常運行的重要數據信息，與系統中設定的閾值比較，超過閾值則報警，微控制器負責通知小區監控系統和用戶手機終端，方便用戶及小區采取相應措施，避免小區用戶家中發生事故。

傳感器終端節點程序流程圖如圖3所示。傳感器上電后進行各自傳感器硬件的初始化。如果家居環境有特殊要求，需要加入新的傳感器，則對新的傳感器進行ZigBee自組網，重新配置節點網絡。各傳感器對家居中環境狀況進行數據采集。傳感器模塊中的ZigBee收發模塊作為信息傳遞的通道，將采集到的相關數據信息通過ZigBee無線協議發送到ZigBee無線收發模塊協調節點。如果并未收到協調節點查詢指令，則傳感器終端節點進入低功耗狀態，等待查詢命令。

ZigBee無線收發模塊協調節點程序流程如圖4所示。ZigBee無線收發模塊協調節點上電后，進行相應的硬件初始化和網絡節點判斷。若有新的節點加入，則協調節點進行自組網。首先ZigBee收發模塊向家居現場發送采集數據查詢命令，利用設定閾值和現場傳遞采集數據進行對比。若采集數據異常，則進行初步報警提示。并將異常數據發送到微控制器。若并未發生異常狀況，協調節點處于低功耗模式，等待異常情況。

微控制器程序流程圖如圖5所示。上電后進行相應的硬件初始化和系統按鍵檢測。如果系統按鍵關閉，那么整個家居系統處于關閉狀態。如果系統按鍵開啟，那么整個家居系統處于正常運行狀態。此時，微控制器程序先調用ZigBee無線通信，將傳感器模塊對外來入侵、火災、可燃氣體等的檢測信息顯示在顯示屏上，并再次與預先設定的閾值對比，如果超過閾值，則調用CAN總線通知小區安防監控系統，調用GPRS通信通知用戶。用戶和小區安防監控系統響應警報并采取應急處理后，解除警報。

4 結 語

作為生活的首要因素，家居安防系統也是困擾人們生活的難題，研究基于ZigBee技術網絡通信的智能家居安防監控系統具有很強的實用價值。未來ZigBee無線網絡通信技術的智能家居安防監控系統具有很好的市場前景。相信在不久的將來，這種智能化安防系統必將得到更廣泛的應用。

參考文獻

[1]龔雨舟.基于物聯網的空巢老人智能家居系統設計[J].電子科學技術，2017（1）：130-133.

[2]張丹，陶婷蔚，楊仁，等.基于ZigBee技術的智能家居系統[J].無線互聯科技，2015（14）：32-33.

[3]孫安全，于本成，李友宏.基于ZigBee的學生宿舍防火監控系統[J].電腦知識與技術， 2014（25）：5968-5970.

[4]胡鵬飛.基于ZigBee協議的無線網絡軟硬件研究與設計[D].成都：電子科技大學，2012.

[5]吳曉，袁文祥.基于ZigBee的智能家居安放的硬件設計[J].物聯網技術，2014，4（9）：52-54.

[6]魯玉軍，劉振.ZigBee技術在智能家居系統中的應用[J].物聯網技術，2017，7（4）：40-43.

[7]侯俊，吳成東，袁中甲，等.基于ZigBee的智能家居安全監控系統研究[J].機電工程，2009，26（1）：67-70.

[8]彭宇，吳成東，鄭君剛.基于ZigBee技術智能家居無線報警系統設計[J].安防科技，2007（4）：59-60.