基于ZigBee和RFID技術融合的家庭安防系統研究與設計

黃婷婷 馮鋒

摘 要：針對目前家庭安防系統中存在的功能單一、智能化程度低下、兼容性差等問題，以科學性、實時性、安全性為落腳點，在充分研究ZigBee和RFID技術的基礎之上，設計開發了基于ZigBee和RFID技術融合的家庭安防系統。系統運行結果表明，該系統能夠實現基于RFID技術的身份驗證和基于ZigBee技術的環境監管，同時能夠實現基于GSM的遠程報警，設計方案切實有效，具有較高的實用價值。

關鍵詞：物聯網;家庭安防;安防報警系統;ZigBee;RFID;GSM

中圖分類號：TP393.03;G642文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）09-00-03

0 引 言

隨著家居生活的不斷改善和安全防范意識的增強，人們對于居住環境的智能化和安全化也提出了更高的要求。安防系統不再單純局限于防火防盜，還要及時了解和解決家中的各種突發性安全事件。近些年來，雖然家庭安防的模式已經在很多方面有了改善，但是家庭安防系統依舊存在功能單一、智能化程度低下、兼容性差等問題，在科學性、實時性、安全性等方面都不盡如人意。

物聯網是通過物理對象和其他嵌入了電子、軟件、網絡和特定的傳感器或者執行器的設備之間的相互連接，使對象能夠采集和交換數據。近年來物聯網的應用越來越普遍，預計2020年將有數十億個智能對象連接在一起，物聯網已成為家庭安防領域的一個重要平臺，預計在將來會有很大的應用可能性。

本文針對目前家庭安防系統中存在的問題，在充分研究ZigBee技術和RFID技術的基礎之上，設計開發了基于ZigBee和RFID技術融合的家庭安防系統。本系統結合了傳統的家庭安防系統已有的優點，同時針對傳統家庭安防系統存在的缺點，引入ZigBee技術和RFID技術，增加了環境監管模塊和遠程報警功能，實現了多功能的智能化家庭安防系統。

1 ZigBee和RFID技術融合在家庭安防的可行性分析

ZigBee 技術因為具有安全可靠、距離近、功耗小、成本低、組網方式靈活等優點，日益得到人們的青睞，被廣泛應用到各個行業中。對于智能安防系統，采用ZigBee技術也是十分有效的一種手段。與此同時，伴隨著物聯網的發展，不僅ZigBee技術得到了大力的發展，RFID技術發展的勢頭也是非常迅猛。將RFID技術用于身份驗證也是十分普遍的一種現象。RFID門禁系統和RFID電子鎖都已經出現在大眾的視野中，將RFID技術用于家庭安防已經成為一種趨勢。將ZigBee技術和RFID技術二者結合運用于家庭安防管理，將對家庭安全有雙重保障。

2 系統硬件設計

系統主要包括身份驗證模塊、環境監測模塊、安防模塊、報警模塊、主控模塊五大模塊。

（1）身份驗證模塊主要由RFID標簽和手機短信兩種方式實現。RFID身份驗證主要是通過RFID感應防盜門鎖實現的，通過由Wiegand技術提供的基本接口與 MIFARE Tag（智能標簽）的相互操作[1]來實現對用戶身份的驗證。對于用戶忘記帶RFID標簽的情況，系統也做出了相應的對策：用戶通過短信向系統發出短信開鎖的申請，系統給用戶發送6位解鎖驗證碼，用戶在要求的時間內輸入密碼，則身份驗證成功。

（2）環境監測模塊主要負責采集室內環境信息，如室內溫濕度、煙霧等信息，并繪制出溫濕度曲線圖。與此同時，通過攝像頭采集實時的監控信息。

（3）安防模塊主要是針對非法人員的非授權闖入問題。在用戶設定的無人的時間段內，通過紅外對射傳感器來監測是否有人進入該房間，在該時間段內若有人進入，系統將進行報警，從而起到安全防護的作用。

（4）報警模塊分為本地報警和遠程報警。本地報警主要是通過報警器的鳴笛實現，遠程報警主要是通過給戶主發送短信并撥打報警電話的方式實現。報警模塊與前三個模塊相附相依：身份驗證模塊，若身份驗證不通過，在一定時間內非法人員不離開，則報警;環境監測模塊，若溫濕度超過合理的范圍，或是檢測到煙霧，則報警;安防模塊，若發現非法人員闖入，則報警。

（5）主控模塊負責這幾個模塊之間的控制和調度，包括身份驗證過程中用到的RFID數據，還有環境監測和安防過程中采集到的ZigBee傳感器的數據，視頻監控數據。不同類型數據的靈活使用，短信收發以及報警電話的撥打，這些功能的集成，都在主控模塊完成。

系統的總體設計框圖如圖1所示，主要包括數據的采集、數據的感應、反向控制、身份驗證和報警。其中，報警功能還分為本地報警和遠程報警。數據采集、數據感應、反向控制和本地報警都是采用ZigBee無線傳感網實現的，同時，攝像頭采集到的數據也是通過ZigBee無線網絡進行傳輸的。身份驗證主要通過RFID技術來完成，其中手機短信功能依賴于匯聚網關節點中的GSM模塊。系統的總體硬件框圖如圖2所示。其中，在環境監管模塊所用到的ZigBee傳感器節點主要包括溫濕度傳感器和煙霧傳感器;在安防報警模塊用到的ZigBee傳感器節點主要是紅外對射傳感器。

本系統采用S3C6410X高性能嵌入式處理器，S3C6410X是一款16/32的RISC 微處理器，具有低成本、低功耗、高性能等優良品質，適用于移動電話和廣泛的應用開發。核心無線傳感器網絡節點選擇TI德州儀器公司的CC2530。CC2530用于2.4 GHz IEEE 802.15.4，ZigBee和RF4CE協議的SoC解決方案，集成了性能優良的2.4 GHz RF收發器，支持TI公司的Z-Stack協議。其內核為增強型8051MCU，具有低成本、低功耗、高集成度等優點[2-3]。RFID身份驗證模塊依賴于PIC 16F873微控制器[1]，通過RFID Proximity Wiegand reader與該控制器相互連接實現身份驗證的功能。其中相關的過程和數據處理都是由PIC 16F873微控制器來完成的。手機短信功能主要依賴于GSM模塊，GSM模塊具有獨立的操作系統、GSM射頻處理、基帶處理，并提供標準接口的功能模塊。ARM通過RS 232串口與GSM模塊通信，使用標準的AT命令來控制GSM模塊實現各種無線通信功能[3]。

3 系統軟件設計

3.1 數據庫設計與實現

數據庫是“按照數據結構來組織、存儲和管理數據的倉庫”，主要的功能是存儲數據，為系統提供數據。用戶可以通過數據庫直觀地掌握系統的當前狀態以及歷史狀態。本系統中涉及到的三個主要數據表分別是用戶信息表、環境信息表、預警信息表，見表1～表3所列。

3.2 系統界面設計與實現

當用戶進入系統，首先看到的界面如圖3所示。從圖中可以看到整個房間的平面圖，選擇要進入的房間號，進入該區域，跳轉到的界面如圖4所示。在“環境綜合信息”部分，用戶可以直觀地看到房間內此時此刻的溫濕度、煙霧、非授權人員是否闖入的綜合情況。在界面的數據顯示區域，可以看到房間一定時間范圍內的溫濕度變化，單擊“數據查詢”按鈕，可以將數字形式和折線圖形式來回切換;單擊“視頻采集”按鈕，可以從系統中直接調出房間內的監控。效果如圖5所示。

當房間中發生突發情況時，例如：房間內溫濕度過高、發現煙霧或者發現有非授權人員闖入，在圖4界面中，相應屬性后面的綠色按鈕變紅，出現一個彈窗，同時給用戶發送短信提醒。當用戶接收到報警信息，可以點擊紅色按鈕，按鈕恢復原來的顏色，同時報警器關閉。視頻采集模塊一般情況下采集到的信息會定時清理，但在預警時間段以及預警后的一段時間內采集到的視頻系統當到自動清理的時間后，系統會給用戶發送短信提醒，用戶確認清理后才可對相應的視頻信息進行清理。

4 結 語

本文通過軟硬件結合的方式設計了一種基于ZigBee和RFID技術融合的家庭安防系統，有效解決了目前家庭安防系統中存在的功能單一、智能化程度低下、兼容性差等問題。該家庭安防系統同時滿足了科學性、實時性、安全性等方面的要求，能夠實現基于RFID技術的身份驗證和基于ZigBee技術的環境監管，同時能夠實現基于GSM的遠程報警，具有較高的實用價值，應用前景廣泛。

參 考 文 獻

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