家庭安防系統通訊設計

王榆

摘要：由于社會技術的不斷發展和人們生活水平的日益提高，人們對家庭安防系統的要求也越來越高。本論述結合國內外家庭安防系統的發展狀況以及傳統的家庭安防系統的特點，提出了一種基于 ARM 和 ZigBee 的無線家庭安防系統的設計方法。基于移動智能平臺的遠程監控終端如手機、平板電腦等，使得其不僅僅是簡單意義上的監控顯示終端，也可以替代原有的專一的、非智能的嵌入式設備，通過網絡實現對家居系統的遠程控制。通過比較幾種常用的短距離無線通信技術，如紅外通信技術、藍牙技術、IEEE802.11X技術、ZigBee 技術等，綜合考慮到無線網絡要便于用戶管理與升級，網絡成本低、功耗低等因素，最終使用 ZigBee 技術來實現家居安防系統中家庭無線網絡的組建。因此本論述采用移動網絡傳輸技術與 ZigBee 技術的結合，實現對家居環境的實時監控和遠程調控，保證了系統的穩定性、安全性。

關鍵詞：安防系統;移動智能平臺;ZigBee 技術

中圖分類號：U24???????????????????????????????????????????? 文獻標志碼：A

0 引言

在傳統家庭安防系統中，我們比較常見的大多都是采用有線組網方法，整體布線相對比較繁瑣，而且系統維護、系統升級實現難度比較大，整體實現成本也很高。但是隨著電子信息技術、網絡技術、無線通信技術、軟件開發等技術的快速發展，安防系統的功能也在不斷地完善升級中。隨著整個移動網絡的不斷發展，除了在實時監控方面，對于智能安防的遠程調控方面也帶來了極大的便利。移動網絡有著傳輸距離遠、網絡覆蓋率高以及具有普遍性等優點，因此作為智能安防遠程調控的首選網絡方法。現有的手機、平板電腦等移動智能設備也可以提供很多種通信方式，極大地提高了遠程監控的效率。與此同時，移動智能設備有著智能操作系統的大力支持，使得我們并不需要再額外開發移動終端設備及系統，大大的降低了整個智能安防系統移動終端及軟件開發的成本，從而有利于智能安防系統的推廣。隨著 ZigBee 無線技術的出現，在整個家庭網絡的組建過程中發揮著很大的作用。

本論述采用移動網絡傳輸技術與 ZigBee 技術的結合，整個系統采用 ARM 結合linux嵌入式系統作為系統的控制中心[1 ]，通過 ARM 結合相關技術可進行多種任務的處理，例如可以通過通信移動網絡模塊對手機進行報警，通過互聯網部分實現遠程監控等，從而實現對家居環境的實時監控和遠程調控，同時也保證了系統的穩定性、可靠性、安全性。

1 系統總體設計

系統的總體設計方案如圖1 所示，整個家庭安防系統主要由智能家居系統（移動終端）、中心協調器、傳感器和控制器節點、攝像機構成。移動終端部分如手機、平板電腦等可以用來實現系統的遠程監控和管理功能，以及對異常事件做出反應并處理異常的功能。中心協調器主要是采用 ARM 架構的 S3C2440為處理器的嵌入式系統作為控制中心，通過該控制中心可同時處理多種任務。傳感器和控制器節點這兩大部分主要是進行數據的感應和采集，并且對采集的數據信息進行反饋和控制。攝像機部分是由 USB 驅動來實現視頻采集和拍照的功能。

其中中心協調器是整個系統的核心，起著信息管理和網關的雙重作用，它可由高性能處理器搭建，配備 ZigBee，WiFi，Gmac等功能，其中WiFi用于近距離與移動終端設備的通信，Gmac可用于與移動終端進行遠程通信[3]。該平臺為用戶提供了非常多的通信、調試、顯示以及輸入輸出接口。移動終端與中心協調器的通信方法主要是在無線局域網覆蓋范圍內，通過 Socket 編程實現服務器（中心協調器）與客戶端（移動終端）的無線通信。中心協調器與傳感器之間的通訊過程使用的是 ZigBee 無線通信網絡的方法。同時中心協調器采用攝像頭通過 USB 接口與終端機連接，完成視頻圖像的獲取與采集，從而實現可視化功能。

2 系統的硬件設計

2.1 主控電路模塊設計

ARM 開發板是整個系統的核心，本設計采用 S3C2440芯片，其具有16KB數據緩存，3通道 UART ，1 個 USB 設備和2個 USB 主機。通過電源電路為處理器提供電壓，以保證系統正常運行;通過晶振電路外部振蕩器提供時鐘;通過 JTAG 進行系統程序的調試編寫;通過串口實現與協調器之間的通信;通過蜂鳴器實現報警功能。

2.2 傳感器模塊設計

在家庭安防系統中，需要采用各種傳感器對家庭環境進行檢測。傳感器的工作原理相對簡單，而且成本比較低，在本設計中起到良好的效果。比如 MQ-2對煙霧非常敏感，所以采用煙霧傳感器 MQ-2和溫度傳感器 DS18B20獲知空氣中的煙霧濃度以及實時溫度，如果出現超過限定值，則采取報警以及一定的補救措施，從而達到預防火災的效果;采用紅外傳感器檢測是否有人員進入，如果有人進入，傳感器會將采集的信息發送到控制端，從而達到預防入室盜竊的效果;采用煤氣傳感器感 MQ-5感知煤氣是否泄漏，如果 CO 濃度超標，則也會發出報警信息至控制端等。

2.3 ZigBee模塊設計

從上述的總體方案中可看出：設計整個安防系統主要由兩部分組成。一個是由 ARM 開發板和 USB 攝像頭共同構成的主控部分;二是由 ZigBee 無線網絡及傳感器和控制器節點共同構成的網絡部分。通過分析，整個系統至少要求兩塊 ZigBee 模塊，即用 ZigBee 終端節點和 ZigBee 協調器節點進行點對點的通信。17718A3D-4362-4515-AA4D-D5A3F39A9C8B

2.4 圖像采集模塊設計

在本設計中，考慮到成本因素，選用普通的 CMOS 攝像頭進行圖像獲取。采用 USB 接口將攝像頭與 ARM 板相連接，將采集的圖像保存在開發板后在顯示屏進行顯示。一方面實現圖像采集與顯示的目的，另一方面，在滿足系統要求的基礎上，提高系統的性價比。

3 系統之間的通訊設計

3.1 移動終端與中心協調器的通信

基于 TCP/IP 協議的套接字通信，TCP/IP（Transmis? sion Control Protocol/Internet Protocol），即傳輸控制協議/網際協議，它能夠實現互聯網上不同類型操作系統的計算機相互通信。套接字為通信的端點，是整個網絡通信的基石，也是支持 TCP/IP 的網絡通信的基本構件。Socket 是用于 TCP/IP 協議簇與應用層之間通訊的中間抽象層，Socket 是一組接口，每個套接字的組成部分都是一個 IP 地址和一個端口號。Socket 通信的過程中，用戶不需要關心協議的實現，而是以一種門面模式，將復雜的TCP/IP 協議簇的內容隱藏在套接字接口背后，從而只使用 Socket 能夠提供的相應的接口即可以實現。也就是說，可以把它看作是不同主機之間的進程進行雙向通信的端點，通信雙方通過用套接字中的相關函數來完成通信過程的一中約定過程。

3.2 移動終端與服務器端基于TCP/IP協議的Socket 通訊

在設計網絡應用程序的過程中，通常需要設計兩個模塊，一個用于表示客戶端，另一個用于表示服務器，服務器主要用來實現接收客戶端的連接請求，工作過程中向客戶端發送數據，并能夠接收客戶端數據等。

3.2.1?? 在服務器端（中心協調器）

首先服務器需要進行啟動，完成服務器初始化;然后調用 socket（）來創建套接字;接著調用 bind（）來指定服務器 socket 地址，如果端口被占用，則說明 bind 失敗;再調用 listen（）讓服務器做好偵聽準備，為之后的 accept（）做好準備，同時并規定好請求隊列的長度，這時服務器進入阻塞狀態，從而等待客戶的連接請求;最后通過 accept（ ）來接收連接請求，從而獲得客戶的 socket 地址，等待客戶端連接。服務器收到消息，會給客戶端發送一個確認應答的同時發送一個請求，表示同意建立連接。

3.2.2? 在客戶端（移動終端）

客戶首先要創建套接字并指定客戶 socket 地址，然后就調用 connect（）和服務器之間建立連接，向服務器發起連接請求，connect（）會發送一個請求并阻塞等待服務器應答。連接的過程中，如果連接建立成功，在同一連接、同一時刻，通信雙方可同時寫數據（全雙工），客戶端和服務器之間就可以通過調用 read（）和 write（） 兩個函數進行接收和發送數據，這個過程也可用send（） 和recv（）函數來實現，一旦數據傳輸結束，服務器和客戶立即通過調用 close（）來關閉套接字。

TCP 套接字連接流程如圖2所示。

3.3 中心協調器與傳感器和控制器節點之間的通信

3.3.1?? ZigBee 模塊的優點

現在的設計觀念與傳統的智能家居相比有很多的優點，比如 ZigBee 模塊的安全性好;功耗比較低，所以在很多傳感器同時使用普通電池供電的情況下，工作時間可長達一年以上;還方便管理、查找和及時感知信息，及時控制系統，還可云端無縫鏈接;除此之外，Zig? Bee 模塊的系統兼容性強，采用國際通用的標準協議，可伸縮，也可以兼容其它品牌的設備，并且隨時可以擴容擴展[6]。因此 ZigBee 無線技術在安全監控、傳感器網絡、家庭監控等領域的無線技術中都得到了廣泛應用，所以這也是本系統采用 ZigBee無線技術進行家庭無線網絡的組建方法的原因。

3.3.2?? ZigBee 無線通信模塊

ZigBee 無線通信模塊也是主要包括電源電路、調試接口電路、串口電路等外圍電路部分。其中串口電路的主要功能是用于與 ARM 開發板相連接，進行數據信息的傳輸工作。調試接口電路可實現模塊程序的下載與調試，有助于我們及時觀察模塊的工作及運行情況，并及時進行反饋處理。

4 系統的軟件實現

4.1 ZigBee無線網絡的組建

4.1.1?? ZigBee 協議棧

ZigBee 技術的協議棧是一系列的通信標準，根據這樣的標準，通信雙方要根據這一標準進行正常的通信，主要是進行數據發射和接收工作。協議棧實際上就是協議的一種具體實現形式，用通俗的語言來說，協議棧就是協議與用戶二者之間的一個接口，我們在開發的發過程中，主要通過使用協議棧來使用這個協議，從而完成無線數據收發。Zigbee 協議棧的任務就是就是將各個層定義的協議都集合在一起，以函數的形式進行實現，并給用戶提供 API 應用層，這樣用戶可以直接調用。

4.1.2? 建立 ZigBee 無線網絡

在本系統中，主要采用 S3C2440芯片將 ZigBee 無線傳感器進行控制，并且采用 S3C2440芯片作為數據匯聚節點的核心控制模塊。在 ZigBee 網絡的實現過程中，主要通過函數模塊實現對應的功能。建立網絡的方法只有通過協調器設備進行實現，在網絡建立過程中，所有的實現過程都是通過函數實現的。ZigBee 無線網絡的組建，其軟件實現的主要過程主要是在 Zig? Bee 協議棧上完成，然后根據不同的設計需求，再添加不同的函數，從而來完成既定功能的設計。

協調器建立網絡的流程是首先進入系統初始化，通過應用層調用函數，從而進入執行事件，通過網絡初始化函數對事件進行啟動、處理，最終建立網絡并啟動網絡。而終端節點與與協調器二者建立網絡的方法是不相同的，終端節點的主要功能是通過實現搜索附近網絡，從而加入網絡，整個終端節點加入網絡的具體流程為初始化設備后，設置網絡初始化事件，當系統發現網絡消息，則申請加入網絡請求，如果傳感器收到加入確認，此時在終端節點更新最新的網絡狀態。17718A3D-4362-4515-AA4D-D5A3F39A9C8B

4.2 控制傳輸系統軟件設計

在實現的過程中，需要在 ARM 板上運行嵌入式系統，需要搭建編譯環境。首先需要 Windows 下安裝虛擬機，然后在虛擬機下根據安裝步驟安裝嵌入式操作系統。在此基礎上，完成 Bootloader 的移植、嵌入式內核的移植、Qt 移植以及制作根文件系統。

4.3 控制系統主程序軟件設計

在主程序的實現過程中，主要是通過調用子程序的模塊化函數實現的，首先通過 open（）函數打開設備文件，然后通過set_opt（）函數對串口進行設置，再開發板獲取串口的數據后，判斷是否有效，如需要進行報警，則通過 switch （）函數進行相關操作。圖像信息通過 IOCTL 接口對攝像頭進行相關操作，首先打開設備文件，采用對 USB 攝像頭進行初始化，使用ioctl（）函數獲取圖像信息并進行保存，最后再關閉設備。

5 結束語

本次設計主要是基于 ZigBee 技術和移動網絡技術的家庭安防系統。在實施的過程中，將移動網絡傳輸技術與 ZigBee 技術的結合，通過 ARM 進行多種任務的處理，通過網絡部分實現遠程監控等，從而實現對家居環境的實時監控和遠程調控。ZigBee 技術以其低成本、低功耗、低速率、低復雜度等優點，在整個無線傳感網絡的實現過程中，完成了中心協調器與傳感器和控制器節點的通訊。移動終端設備也有著普遍性和成本低的特點，通過 TCP/IP 協議的 Socket 通訊來實現遠程監控和圖像采集工作。但本論述還有不足之處，只是針對通信方式做了簡單基礎的介紹，在后續的學習中，還需在系統的功能、抗干擾能力、攝像頭顯示清晰度等技術方面做更深入的研究。

參考文獻：

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[5]? 潘曉貝. 基于物聯網的智能家居家庭安防系統設計與實現[J]. 三門峽職業技術學院學報，2018，17（3）：127-132.

[6]? 盛盟. 基于物聯網的家庭安防系統設計[J]. 信息記錄材料，2020，21（ 2）：205-206.17718A3D-4362-4515-AA4D-D5A3F39A9C8B