基于ZigBee的智能家居安防系統的設計與實現

摘要：綜合利用ZigBee組網技術、無線傳感器技術、GSM技術，設計并實現了一種智能家居安防系統，該系統包括感應節點、ZigBee協調器結點以及后端控制系統。通過感應結點實時監測室內環境以及安防信息并利用ZigBee自組織無線網絡傳送給控制系統進行處理。經過實驗測試表明：該系統性能穩定、實時性強，具有一定的實用市場價值。

關鍵詞：ZigBee;無線傳感器技術;安防系統;自組織無線網絡

中圖分類號：TP309 文獻標識碼：Al

文章編號：1009-3044（2020）22-0173-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：j

隨著ZigBee技術、傳感器技術等物聯網技術的飛速發展，智能家居市場日趨成熟，人們對于家居室內的安全越來越重視，智能家居安防系統應運而生并受到關注。文獻[1]提出并實現了一種利用ARM平臺的智能安防系統，文獻[2]結合ZigBee技術和GSM設計實現了一種混合網絡的智能家居安防系統。

本文基于已有的智能家居安防系統方案，從經濟性、實時可靠性等方面考慮，使用ZigBee模塊、無線傳感器設備結合GSM技術設計并實現了一種可以同時在控制端和手機端實時查看室內家居環境信息和安防信息的智能家居安防系統。

1 智能家居安防系統架構

本智能家居安防系統主要包括三個部分：基于傳感器的感應節點，基于ZigBee設備的協調節點以及后端智能家居安防控制系統。感應節點主要負責溫濕度、空氣PM2.5值、火情以及安防信息的采集，基于ZigBee的協調器節點負責數據的傳輸，智能家居安防控制系統包含兩部分：智能家居網關和手機端，負責室內環境信息和安防信息的查看和控制。傳感器采集相應的環境信息和安防信息發送給協調器節點，協調器節點接收到傳輸的數據轉發給后端智能家居安防控制系統中的智能網關，網關利用GSM網絡將數據以短信的形式發送給手機端，從而實現在網關和手機端實時查看相關的環境信息和安防信息。

2 智能家居安防系統硬件設計

設計實現的智能家居安防系統主要利用部署在室內的傳感器節點實時采集溫度、濕度、火情等環境信息以及安防信息，通過ZigBee協調器節點轉發后，可以在智能家居安防控制系統中的智能網關和手機端實時查看室內的環境情況，當室內發生火災、空氣中存在易燃氣體或者非法闖入的時候，能夠及時發出預警。

2.1 ZigBee芯片

從智能家居安防系統的整體性能以及經濟性、可靠性、穩定性考慮，系統采用的ZigBee芯片為TI公司的CC2530，其外設功能強大，數據傳輸距離較遠，使用成本和功耗方面均較低[3]，因此在智能家居安防系統設計與實現之中廣泛被使用。

2.2 火焰檢測傳感器

火焰檢測傳感器作為系統中重要的傳感器之一，主要負責實時監測家居環境里的火情，當室內出現明火的時候，火焰傳感器上會有燈光閃爍，同時與之相連的蜂鳴器會及時發聲報警，同時將火情信息通過GSM網絡，以短信的形式發送給戶主或者相關的消防部門。其電路圖如圖2所示。

2.3 氣體檢測傳感器

對于室內引起火災安全的易燃氣體，例如天然氣、煤氣、液化氣等，系統中利用氣體檢測傳感器進行實時監測相關易燃氣體的濃度。綜合使用的靈敏度、監測的氣體的范圍以及功能的穩定性等方面考慮，系統中選用的傳感器型號為MQ-2氣體傳感器，該傳感器可以實現對液化氣、一氧化碳、乙醇、煙霧等多種物質的監測，而且使用的期限長，具備較高的使用價值[4]。

2.4 溫濕度傳感器

為了實時采集室內的溫度和濕度等環境信息，系統中采用了溫濕度傳感器DHTlI，DHTII傳感器采用了專用的溫濕度傳感技術結合數字模塊采集技術，通過校準的數字信號輸出采集到的溫濕度，其使用成本低、傳送數據的速度快、響應及時、抗干擾能力強，具有較高的可靠性和穩定的性能[5]。其電路圖如圖3所示。

2.5 PM2.5檢測傳感器

PM2.5值是空氣質量的重要參數，其表示空氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物[6]。它的數值越大表示空氣質量越差。系統中采用PM2.5檢測傳感器及時采集空氣中的PM2.5數據進行采集后計算出PM2.5數值，并通過ZigBee網絡及時傳送給后端的控制系統，以便于及時了解室內的空氣情況。當空氣中的PM2.5數值超過預設的閾值后，會及時發出預警。

2.6 熱釋電紅外傳感器

為了監測進入室內的人員情況，系統中部署了紅外傳感器，從靈敏度、可靠性、功耗等方面考慮，系統中采用HC-SR501傳感器，其工作原理是利用熱釋電元件去接收人體紅外輻射溫度發生的變化，從而失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續電路經過檢測處理后從而產生報警信號[7]。當紅外傳感器檢測到非法闖入時，會觸發報警裝置，并及時發送信息給戶主進行預警。傳感器的電路圖如圖4所示。

3 智能家居安防系統軟件設計與測試

系統軟件采用的開發軟件是IAR Embedded Workbenchversion 8.11.該軟件集成了功能強大的編輯器和項目管理器，適用于多種芯片的開發[8]。

3.1系統整體軟件設計

智能家居安防系統的系統軟件設計是基于Z-Stack協議棧實現完成的，該協議棧采用任務輪詢機制的操作系統。首先Z-Stack協議棧進行相關軟件和硬件的初始化，接著啟動OSAL操作系統進行任務輪詢，當檢測有事件發生時，則調用相應的事件處理函數，如果沒有檢測到事件發生，則輪詢下一個任務。

用來傳送傳感器檢測到的數據的ZigBee自組織網絡，是ZigBee協調器節點通過檢測到傳感器節點后，將其加入自組織網絡。當所有的傳感器節點都加入網絡后，通過OSAL操作系統輪詢機制檢測到有傳感器節點發送數據的需求時，調用發送函數，將需要發送的數據發送給接收方;接收方需要調用接收函數執行接收的步驟，從而實現傳感器檢測到的數據實時發送到后端系統的過程。

3.2 安防信息短信收發的實現

智能家居網關與手機終端之間的短信通信，主要通過網關中的SIM卡進行實現，利用AT指令集，當網關中的SIM卡接收到網關進程中的安防信息后，設置好短信的發送格式，通過GSM網絡發送給戶主的手機終端，從而實現安防信息的遠程接收和查詢。

3.3 智能家居網關界面設計

智能家居網關的功能是實現前端傳感器節點采集到的溫濕度信息、安防監控信息、空氣質量信息的數據處理和實時顯示，其界面設計主要包括溫度監測、濕度監測、空氣質量、安防監控四個模塊，如圖5所示。

3.4 系統測試

3.4.1 溫濕度監測模塊測試

經過測試，本智能家居安防系統利用終端濕度傳感器監測到環境中的溫濕度信息，經過協調器節點處理，利用組織的網絡傳輸到智能網關后，可以在界面上實時顯示。

3.4.2 空氣質量測試

設計的智能家居安防系統在終端節點中部署了空氣質量監測功能。即空氣中的PM2.5值的實時監測。采集完數據后，傳送到協調器節點，協調器節點經過處理后轉發給智能家居網關，同時會和預先設置的閾值進行對比，當超過閾值時，觸發蜂鳴器進行報警。

3.4.3 安防監控測試

安防監控是本系統中的重要組成部分，安防信息主要包括非法闖入、室內是否存在明火以及空氣中是否存在易燃氣體，系統中部署的紅外傳感器負責檢測非法闖人信息，火焰檢測傳感器負責檢測室內的明火信息，氣體檢測傳感器檢測空氣中包含的易燃氣體信息，通過測試，智能網關可以實時顯示有無非法闖入、有無明火、空氣中有無易燃氣體等安防信息，同時當室內出現安防信息異常時，會及時發送短信給手機終端，同時相應的報警裝置會發出響聲預警。

4 結語

本文設計的基于ZigBee的智能家居安防系統可以實時監測并顯示空氣中的環境信息，主要包括溫濕度信息、空氣中的PM2.5濃度、室內的安防信息，具體包括是否有異常闖人、空氣中的易燃氣體情況和室內明火情況、如果存在異常安防情況，系統會及時預警并發送短信給戶主手機。本安防系統設計方案在提供安防信息的同時，可以讓用戶實時掌握室內的環境信息，豐富了安防系統的功能，具有一定的市場推廣價值。

參考文獻：

[1]劉春林，楊暉，基于ARM平臺的智能安防系統的設計與實現[Jl.現代電子技術，2016，39（24）：75-78.

[2]江丹丹，唐煜程，唐冬，一種基于ZigBee及GSM混合網絡的輕智能家居安防系統設計[Jl，現代電子技術，2015，38（3）：6-8，12.

[3]劉坤，崔永俊，張祥，基于ZigBee和Qt的高精度無線溫控系統[Jl，儀表技術與傳感器，2018（12）：115-119.

[4]高金轉，彭旭鋒，張會新，等，基于ZigBee無線傳感網絡的環境監測系統的設計[J].電子器件，2016，39（03）：546-550.

[5]劉雄飛，陳浩，聶偉，等，基于MT7623A的遠程室內環境監測系統設計[J].傳感器與微系統，2018，37（8）：79-81.

[6]余輝，袁晶，于旭耀，等，基于ARMAX的PM：，小時濃度跟蹤預測模型[J].天津大學學報f自然科學與工程技術版），2017，50（1）：105-111.

[7]李振興，譚洪，李開成，等，基于熱釋電紅外傳感器的人體追蹤電機控制的應用[J].電測與儀表，2017，54（10）：108-112.

[8]王二偉，丑修建，劉立，張鵬，基于ZigBee的可自充電式無線溫度傳感監測系統[J].現代電子技術，2017，40（4）：99-102，106.

【通聯編輯：梁書】

基金項目：蕪湖職業技術學院自然科學研究項目（Wzyzr202015）

作者簡介：陶奉春（1989-），男，安徽馬鞍山人，助教，碩士研究生，主要從事物聯網技術、無線傳感器網絡等研究工作。