基于ZigBee通信的家庭安防監控系統 ?

張崢 朱曉雨 包晨露 王麗娜 許鵬

摘 要：基于ZigBee通信的家庭安防監控系統使用CC2530和STM32作為核心微處理器，ZigBee實現對報警按鈕、門磁、窗磁以及紅外感應模塊的實時監測，在出現異常時向嵌入式網關模塊發送告警信息。嵌入式主控模塊采用高清TFT LCD觸摸液晶模塊進行用戶界面顯示和觸摸輸入檢測。結果表明，該系統具備對防盜系統進行啟停控制，對采集終端告警信息處理以及將報警信息送至智能手機等功能。

關鍵詞：ZigBee;CC2530;STM32;安防監控系統;紅外感應;嵌入式

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）06-0-02

0 引 言

本文面向智能家居領域，以智能安防為研究重點，將嵌入式系統、物聯網技術、生物識別技術等結合，設計基于ZigBee通信的家庭安防監控系統。該系統實現了對門磁、窗磁以及紅外感應模塊的實時監測，在以上模塊出現異常時告警。用戶可采用觸摸輸入或指紋識別方式以實現對防盜系統的啟停控制，使用方便且安全靈活。防盜監測點均為ZigBee無線形式，功耗低且可以自組網，安裝布局靈活。此外，網關模塊上還配有WiFi通信功能，支持智能手機端遠程監測，當用戶身處公司或在外旅游時，也能隨時監控家中的安全情況。

1 系統設計

本文系統分為嵌入式網關模塊和ZigBee終端模塊兩部分，并分別使用STM32和CC2530作為兩者的核心微處理器。ZigBee是基于國際標準IEEE 802.15.4的個人局域網協議的短距離無線通信技術。ZigBee擁有強大的組網能力，網絡[1]中最大可允許65 535 B。ZigBee模塊具備較好的低功耗特性，可以有效節約成本[2]。ZigBee采集終端用于實現對門磁、窗磁以及紅外感應模塊的實時監測，在出現異常時會向嵌入式網關STM32[3]模塊發送告警信息。嵌入式網關模塊采用高清TFT LCD觸摸液晶模塊進行用戶界面顯示和觸摸輸入檢測，具備對防盜系統進行啟停控制，對采集終端告警信息處理以及將報警信息送至智能手機等功能。系統架構如圖1所示。

2 系統實現

2.1 硬件設計

系統的終端模塊采用TI公司的CC2530作為微控制器和通信核心芯片，涉及到的傳感器有窗磁開關、門磁開關、紅外感應器，涉及到的控制模塊為聲光告警器。采集與控制信號通過ZigBee網絡與網關模塊進行信息交互[4]。終端模塊的硬件設計如圖2（a）所示。網關模塊部分以ST公司的STM32F407為控制器核心[5]，采用TFT觸屏進行顯示與控制;告警取消部分采取指紋識別控制;與終端模塊信息交流部分采用ZigBee CC2530;與手機通信部分則通過WiFi形式來實現。網關模塊的硬件設計如圖2（b）所示。

2.2 軟件設計

微控制器CC2530使用的協議棧版本為TI ZStack-CC2530-2.1.5.1a。ZStack的體系結構由各層模塊組成，每一層為其上層提供特定的服務[6]。每個服務實體通過相應的服務接入點為其上層提供一個接口，每個服務接入點通過服務原語來完成所對應的功能。協議棧根據IEEE 802.15.4和ZigBee標準分為以下幾層：應用層、網絡安全層、介質訪問控制層以及物理層。

門磁、窗磁模塊以及紅外探測模塊將采集到的信息以一定的數據幀傳送至終端，再以ZigBee無線形式傳輸至協調器，同時協調器也會將網關傳來的觸摸控制模塊的信息傳送給聲光告警模塊。終端模塊的軟件設計流程為：首先，在ZigBee系統和相應的I/O口進行初始化，I/O口用來檢測各傳感器的信息;然后，將檢測到的信息以規定好的數據幀通過組播方式發送到協調器，并且做相應的控制;最后，協調器通過串口發送到網關STM32[7]。終端模塊的軟件設計流程如

3 系統功能測試

本系統采用的物聯網技術架構[9]包括感知層、傳輸層、控制層、軟件和開發環境以及應用。感知層由電磁感應終端、紅外感應終端及指紋識別終端組成;傳輸層以ZigBee通信實現終端信息傳送，以WiFi通信實現告警信息上報;控制層采用CC2530實現終端控制功能，采用STM32實現網關處理;軟件和開發環境有IAR For 8051，MDK5;應用部分有手機終端APP防盜監測[10]。紅外采集終端實物圖、門窗磁采集終端實物圖、指紋識別模塊實物圖、報警控制終端實物圖以及系統整體實物效果圖如圖4所示。

以一個實際場景為例，測試裝置功能。先給所有模塊上電，上電后STM32界面效果如圖5（a）所示，所有部分都為正常狀態，隨后短時間打開大門，即打開門磁，操作效果如圖5（b）所示。此時顯示界面相應位置將會變黃，表示大門顯示“開”，但不告警，5 s后若仍為打開狀態，裝置認為有異常，則STM32和APP顯示界面的大門和報警器的狀態將會變紅，并且報警器也將會隨之報警，界面效果如圖5（c）和圖5（d）所示。此時房主若按下指紋，使報警器停止告警，一切恢復正常且界面效果恢復至圖5（a）。同樣，若紅外探測器檢測到有人，也會有類似以上的效果。由此可見，本系統設計的防盜報警裝置實現了預期的功能，能夠完成家庭防盜報警的任務。

4 結 語

這套系統不僅能夠實時監測家庭的安全情況，還可以在發生異常狀況時及時向住戶告警;而且其所需的門窗磁模塊可以靈活地安裝在門窗等任何開合式場所，安裝過程也很方便快捷。因此該系統一方面可以提高住宅的舒適溫馨度，另一方面也可以幫助住戶及時了解住宅的安全情況。綜上，本系統不僅可以應用于智能家居的環境監測，也可以應用于車間環境監測，市場應用前景良好。

參 考 文 獻

[1] KAUR A，KAUR J，SINGH G. An efficient hybrid topology construction in ZigBee sensor network [C]// International Conference on Recent Advances and Innovations in Engineering. Jaipur，India： IEEE，2014： 1-6.

[2] LEE J，DONG M，SUN Y. A preliminary study of low power wireless technologies：ZigBee and Bluetooth Low Energy [C]// 2015 IEEE 10th Conference on Industrial Electronics and Applications. Auckland：IEEE，2015：135-139.

[3]翟亞芳，張天鵬，趙建周，等.基于STM32的家庭智能安防控制系統設計[J].黑龍江大學自然科學學報，2016，33（1）：118-123.

[4]許東，操文元，孫茜.基于CC2530的環境監測無線傳感器網絡節點設計[J].計算機應用，2013，33（z2）：17-20.

[5]許華春，朱宗玖.基于STM32的家庭智能家居設計[J].中小企業管理與科技，2017（1）：150-151.

[6]徐振峰，尹晶晶，陳小林，等. 基于ZigBee協議棧的無線傳感器網絡的設計[J]. 電子設計工程，2012，20（5）：75-77.

[7]張藝粟，李鴻彬，賈軍營，等. 物聯網ZigBee網關的設計與實現[J]. 計算機系統應用，2013，22（6）：34-38.

[8] Firdaus，EKO Nugroho，SAHRONI A. ZigBee and wifi network interface on Wireless Sensor Networks [C]// 2014 Makassar International Conference on Electrical Engineering and Informatics. Makassar，Indonesia：IEEE，2014： 54-58.

[9]沈蘇彬.物聯網技術架構[J].中興通訊技術，2011，17（1）：8-10.

[10] FAN Binwen，PAN Ga，LIU Ming Liu，et al. Design of a home surveillance system based on the android platform[C]// 2015 12th International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery. Zhangjiajie：IEEE，2015：2101-2105.