基于ZigBee的無線家居安防終端節點設計

文/彭勝敏

現今人們在對住宅的選擇考慮上，除了居住性、舒適性等傳統條件外，更多考慮的是小區的安防措施是否到位，響應市場需求各大房地產開發公司都將住宅小區的安防系統作為營銷亮點來宣傳。

現今市場上，安防措施更多考慮到的是閉路電視監控子系統、訪客對講子系統等，很少有涉及家居安防子系統領域，因此，本文主要探究家居安防子系統。市場上存在多種小區安防系統方案，大體可以分為有線方式和無線方式。有線的方式存在著布線繁瑣、施工量大、流動性差、施工時間較長等問題，但若采用無線的方式，就不存在布線繁瑣等問題，無線可方便增加、拆除站點，無需布線。因此，本文選用無線組網方式實現智能小區安防系統。主要是針對家居安防中的火災和家庭燃氣泄漏兩種情況進行監控和報警。

1 系統總體設計

本文設計的安防系統的總體架構為：家庭環境中的燃氣泄漏情況由煙霧傳感器MQ-2 進行實時探測，火災情況由火焰傳感器實時檢測，傳感器將實時采集的數據交付于ZigBee 終端節點，ZigBee 終端節點與協調器節點以星型網結構組網實現無線數據傳輸通信，每個終端節點在收集了傳感器采集的數據后，以周期性（2s）的方式向協調器節點發送數據，協調器節點接收到數據后利用串口通信技術（RS232協議）向控制中心（上位機系統）傳輸數據，控制中心對接收的數據進行分析整理、可視化顯示、存儲等管理和對超出閾值的數據進行報警提醒。

根據安防系統總體架構，ZigBee 終端節點的設計與實現是整個系統的關鍵環節，因此本文主要介紹ZigBee 終端節點設計。剖析終端節點需求和結合生活實際，依據住宅小區特點，本文設計的安防終端節點要求滿足下列需求。

表1：數據通信協議

（1）檢測點及時檢測周圍環境中的火警情況和燃氣濃度；

（2）檢測點與控制中心之間以無線的方式進行數據的傳遞；

因此，本安防監控終端節點總體架構圖設計如圖1所示，包括燃氣檢測模塊、火焰檢測模塊、MCU 微控制單元模塊、電源模塊、ZigBee 數據傳輸模塊、串口通信模塊。主要實現對研究對象的感知、數據采集、無線數據傳輸和上位機之間的通信等功能。

2 硬件設計

硬件設計部分主要介紹燃氣檢測模塊硬件設計、火焰檢測模塊硬件設計和ZigBee 無線數據傳輸模塊硬件設計。

2.1 燃氣檢測模塊硬件設計

燃氣檢測模塊采用MQ-2 煙霧傳感器集成模塊實現。該模塊傳感器具有模擬量和數字信號（TTL 電平）兩種信號模式輸出，模擬量輸出可燃性氣體濃度相對應的電壓值，可燃氣濃度越高電壓值也愈大，電壓值最高可達5V。

該模塊實現實時檢測探測頭周圍可燃性氣體的濃度（天然氣、液化氣等），并將數據提交至終端節點，以模擬量的形式進行無線數據傳輸至協調器。

燃氣檢測模塊MQ-2 總共有四個引腳，1引腳VCC，接+5V 電源；2 引腳DOUT，為TTL 電平信號輸出管腳；3 引腳AOUT，為模擬量輸出管腳；4 引腳GND，接地。本終端節點只應用MQ-2 的模擬量輸出信號，MQ-2的3 引腳接ZigBee 芯片的P0.4 引腳，1 引腳接VCC，4 引腳接GND。

MQ2 煙霧傳感器集成模塊電路原理圖，如圖2所示。

2.2 火焰檢測模塊硬件設計

火焰探測報警模塊采用火焰傳感器集成模塊實現實時檢測探測頭檢測范圍內的火源情況，并以數字信號形式無線傳輸至協調器。

該模塊總共有四個引腳，1 管腳VCC，外接3.3V-5V 電壓；2 管腳GND；3 管腳DO，數字量輸出接口（0 和1）；4 管腳AO，懸空。在本終端節點中火焰探測模塊的3 管腳接到CC2530 芯片的P1.0 引腳。

火焰傳感器集成模塊電路原理圖，如圖3所示。

圖1：安防監控終端節點總體架構圖

2.3 ZigBee無線數據傳輸模塊硬件設計

本節點的無線數據傳輸模塊是使用CC2530 提供的兼容IEEE 802.15.4 無線收發器，RF 內核控制模擬無線模塊，在MCU 和無線電之間提供一個接口，實現發出命令、讀取狀態和自動對無線電進行排序等功能。

3 軟件設計

根據硬件設計部分，軟件部分主要介紹了燃氣檢測模塊軟件設計、火焰檢測模塊軟件設計和ZigBee 無線數據傳輸模塊軟件設計。

3.1 燃氣檢測模塊軟件設計

燃氣檢測模塊使用CC2530 的ADC 轉換進行傳感器MQ2 的數據采集和信號轉換。

CC2530 具有8 大輸入通道、7-12 位分辨率、參考電壓可選、兩種轉換情況：連續轉換和單次轉換等特點。本終端節點的燃氣檢測模塊ADC 轉換運用CC2530ADC 轉換的4 通道作為輸入通道，選擇12 分辨率，3.3V 片上參考電壓，單次轉換。燃氣檢測模塊ADC 轉換流程圖，如圖4所示。

3.2 火焰檢測模塊軟件設計

火焰檢測模塊主要檢測環境周圍的火源情況，檢測結果主要以TTL 電平形式輸出。火源檢測模塊流程圖，如圖5所示。

3.3 ZigBee無線數據傳輸模塊軟件設計

本終端節點的ZigBee 無線數據傳輸模塊利用ZigBee 協議棧提供的針對于ZigBee 應用層的一些API 接口進行無線數據發送和接收。協調器主要擔負組建網絡，等待接收終端節點的信息，再通過串口通信技術傳輸到上位機系統。終端節點主要負責在協調器建立網絡后加入網絡，進行周期性（2s）數據采集工作以及數據的無線發送工作。

考慮到系統的安全性問題和協調器接收數據的有效性，為系統的每個終端節點和協調器節點之間設置一個數據通信協議，將每個終端節點的數據包使用一個結構體進行封裝，其中包含數據包的協議頭，用來明示此為一條新數據；設備類型，用來明示該節點是協調器節點、路由節點亦或終端節點；節點網絡地址，每個節點在網絡中具有唯一的地址，用來標識不同節點和指定無線數據傳輸時的源地址和目標地址；節點MAC 地址，各個節點具有唯一的MAC 地址，用來標識各個節點的獨特性；傳感器數據，此部分即為傳感器探頭檢測到的數據有效值；尾，用來標識此條信息已結束。

數據通信協議字段定義，如表1所示。

4 系統測試

本終端節點采用安防監控管理系統進行測試。小區安防系統實時監測模塊實現實時接收協調器數據，進行數據篩選工作，剔除無效數據，將符合數據通信協議和在數據庫中已經為該節點分配房間號的數據進行可視化實時顯示。定時更新上傳節點數據至數據庫，當有事故發生時，及時顯示和上傳最新節點數據，并及時通過信息提示和聲音報警提示通知安保人員。經過1234 和1235 房間號連續多次測試，改變煤氣節點和火焰節點的實際環境，多次測量，能夠實現測量數據值，并且正確提示警報情況，具體測量數據如圖6所示。

圖2：MQ2 煙霧傳感器集成模塊電路原理圖

圖3：火焰傳感器集成模塊電路原理圖

圖4：燃氣檢測模塊ADC 轉換流程圖

圖5：火源檢測模塊流程圖

圖6：終端節點測試數據

5 結束語

本文設計的基于ZigBee 的無線家居安防終端節點，通過測試可靠性強、結構簡單、方便增加、拆除，無需布線，成本低、可取代傳統住宅的安防措施。本設計完成了預期的功能，實現了預期想要達到的效果，為小區的安防工作作出了貢獻，在實際工程中有廣泛的應用，具有良好市場前景。