基于物聯網無線傳感的小區安防系統設計

賀小艷

（河源職業技術學院電子與信息工程學院，廣東河源，517000）

0 引言

更舒適、更節能、更安全的生活是如今更多人的追求。因此，人們對安防系統的要求不僅能有效保證財產安全，防止沒有授權的非法入侵，還要求能實時連續監測水、電、煤氣、求助報警等家用設備的運行，以便能及時消除火災隱患和防止有害氣體中毒。而目前的安防系統只是以防止非法入侵為目的，多采用有線技術進行聯網；另外有線安防系統還存在線路老化、電磁干擾等增加系統誤報率的問題。因此，研究了一種能將所有信息點進行連接、管理并使用無線網絡技術的小區安防系統，適應了當今社會的安防需求。

1 Zigbee技術介紹

Zigbee技術是一種無線傳感技術，由Zigbee聯盟推出，基于IEEE802.15.4標準，并在其基礎上增加了網絡層、安全層和應用層，來保證無線傳輸數據的安全性[1]。Zigbee的工作頻段2.4GHz免費，容納節點量高達65000個，節點功耗低，僅2節5號電池就可以維持工作6-24個月[2]。因此，基于Zigbee技術的網絡系統，具有低成本、低功耗、大容量、高可靠性、高安全性等特點[3]。

Zigbee技術的這些特性完全符合小區安防網絡通訊的需要，因此選擇ZigBee技術構建智能安防系統是最佳選擇。

2 基于Zigbee的小區安防系統設計

本無線安防系統由4部分組成：底層采集節點、中間路由節點、協調節點和監控中心及用戶[4]。系統整體方案如圖1所示，由底層傳感器節點采集安防信息，將小區內的每棟樓、每個住戶設為不同層次的節點，每層設置一個Zigbee路由器，與采集節點形成星型與樹型連接，負責完成數據的中繼轉發，采集到的數據由協調節點傳送到PC機或用戶。其中底層采集節點、路由節點、協調節點都采用Zigbee技術，協調器與PC機間的通訊采用以太網或GSM等公用傳輸網，底層采集節點一旦出現任何異常情況，能及時發出報警信號，系統還具有自我診斷功能。

圖1 系統整體方案

系統硬件主要由Zigbee無線網絡和主控模塊組成[4]，其結構框圖如圖2所示。Zigbee無線網絡由各類傳感器及無線通信模塊構成，Zigbee無線網絡將傳感器探測到的參數通過串口發送到主控模塊，主控模塊將接收到的信息發送到用戶或監控中心。

圖2 硬件結構框圖

3 硬件設計與實現

小區安防系統要求具有防火防盜功能，因此系統采用煙霧氣敏傳感器、溫度傳感器采集消防參數，被動紅外探測器、門磁振動傳感器采集安防參數[5]。采集節點由傳感器、通信模塊及電源組成，以電源作為底板，傳感器和通信模塊都接在電源底板上，如圖3所示。

圖3 采集節點結構圖

3.1 傳感器電路設計

傳感器負責檢測單個用戶的消防、安防信息，將采集到的數據通過節點中的通信模塊發送到路由節點，實現樓棟與監控中心的無線通信。其中煙霧氣敏傳感器選用MQ_2，應用電路如圖4所示，該模塊支持數字、模擬兩種數據采集方式，本系統選擇模擬方式。溫度傳感器選用DS18B20，應用電路如圖5所示，DS18B20測量溫度范圍為-55～+125℃，精度達到±0.5℃，體積小，價格便宜，支持單總線通訊方式。被動紅外探測器選用HCSR501，應用電路如圖6所示，當有人進入其感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則自動輸出低電平；HCSR501是基于紅外線技術的自動控制模塊，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式，可用干電池供電[6]。門磁選用振動傳感器SW200D，為單方向性觸發開關，開關壽命長，可達10萬次。

圖4 MQ_2應用電路

圖5 DS18B20應用電路

圖6 HCRS501應用電路

3.2 電源設計

節點由2節5號干電池供電，輸出電壓穩定在5V。

3.3 無線通信電路設計

無線通信模塊負責無線信號的收發，遵從Zigbee協議，并存儲、處理各類傳感器的檢測數據，模塊選用CC2530射頻模塊。CC2530 是TI公司推出的一款芯片，是一個兼容IEEE 802.15.4的真正片上系統，里面包含了51單片機內核與Zigbee技術，提供了很好的Zigbee協議棧以及解決方案[7]。能以超低材料成本建立強大的網絡節點[8]。CC2530的工作電壓為2~3.6 V，功耗低，由電源底板提供。

3.4 主控模塊硬件設計

主控模塊采用STM32F103C8T6單片機，程序存儲器容量64KB，工作電壓 2V～3.6V，頻率為 72MHz，I/O 口為 37 個[9]，價格便宜且夠用。保證主控單片機正常工作的最小系統電路包括電源電路、晶振電路、程序下載電路、芯片電路[9]。電源電路如圖7所示，從USB電路引入5V電源，通過AMS1117-3.3將5V電壓降低到3.3V，為主控單片機提供穩定的電源。本系統設計了USB和JTAG兩種程序下載方式，在后期調試過程中根據實際情況方便選擇合適的下載方式，程序下載電路如圖8所示。

圖7 主控電源電路

4 軟件設計

系統軟件設計主要分為函數初始化模塊和串口通信模塊。系統上電后，主函數開始對各個模塊進行初始化操作，后創建開始任務，創建成功后再進行其他任務的初始化操作并開始各個任務的輪訓操作，各個傳感器的數據以多任務的形式獲取，保證了實時性。

圖8 程序下載電路

STM32主控單片機有3個獨立的串口，支持中斷模式與DMA模式[9]。CC2530提供兩個USART串口，將USART0與STM32的USART串口通信。數據的讀取使用中斷的方式，以下是串口數據讀寫的核心代碼：

5 結論

利用CC2530射頻模塊和煙霧、紅外等各類傳感器設計無線安防系統，實現實時監測水、電、煤氣、求助報警等家用設備的運行，及時消除火災隱患和防止有害氣體中毒，具有零漏報，零誤報，可靠性高，探測范圍廣的特點。實踐證明利用無線組網技術能減少布線施工環節，縮短三分之一的施工周期，節省60%的線材，降低25%的施工成本。

參考文獻

[1]黃丹青,費敏銳.IEEE 802.15.4a工業無線標準的研究與應用[J].自動化儀表,2010(1):5-9.

[2]林鑫海,李樹磊,趙研,李威.無線傳感器網絡通信技術與標準化分析[J].移動通信,2014(24):42-45.

[3]李猛,田立國,丁航,劉書威.基于ZigBee的農田土壤水分采集節點的設計[J].科技創新與應用,2017(15):74.

[4]陳海生.基于ZigBee的病房叫號系統的設計[J].醫療裝備,2016(11):43-44.

[5]張科.基于ZigBee技術的家用安防系統的設計[J].現代信息科技,2017,02(1):39-41.

[6]路成.物聯網智能建筑安防消防探測系統的研制[D].南京師范大學,2015.

[7]周曉,李杰,邊裕挺.基于無線傳感網絡的環境溫度監測系統設計[J].浙江工業大學學報,2013,04(41):440-443.

[8]李志瑞,程萬里,杜章永.基于CC2530無線MEMS加速度傳感器設計與驗證[J].物聯網技術,2015(6):6-8.

[9]燕麗紅,林志雄,王灝.基于嵌入式ARMv7的監測飛行器系統設計[J].電子設計工程,2014(23):70-73.