基于ZigBee 和ThingsBoard的家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和智慧城市建設(shè)的深入推進(jìn)，家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)逐步向無線化、智能化方向演進(jìn)。傳統(tǒng)有線系統(tǒng)存在布線復(fù)雜、安裝成本高、維護(hù)困難等缺陷，現(xiàn)有有線方案（如CAN）在靈活布局和無線方案（如Wi-Fi、藍(lán)牙）在覆蓋范圍與功耗方面難以滿足需求[1-2]。ZigBee 技術(shù)憑借低功耗、自組網(wǎng)特性，成為家庭傳感器網(wǎng)絡(luò)的理想選擇[3]；同時，ThingsBoard開源物聯(lián)網(wǎng)云平臺為設(shè)備管理及數(shù)據(jù)可視化提供了高效解決方案[4]。本研究創(chuàng)新性地將ZigBee與ThingsBoard云平臺深度融合，構(gòu)建了一套擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高的家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理困難、智能化不足等痛點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1. 1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)4層架構(gòu)設(shè)計(jì)，由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層組成[5]。感知層：部署溫濕度、光照、煙霧與火焰、排煙風(fēng)扇和聲光報(bào)警器5個終端節(jié)點(diǎn)，采用星型拓?fù)浣档途W(wǎng)絡(luò)延遲，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集和安防設(shè)備控制；網(wǎng)絡(luò)層：ESP32微控制器網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)ZigBee-MQTT（消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議，MessageQueuingTelemetryTransport）轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與ThingsBoard云平臺的高效通信；平臺層：通過ThingsBoard進(jìn)行設(shè)備管理、數(shù)據(jù)存儲及規(guī)則鏈設(shè)計(jì)，支持異常數(shù)據(jù)智能聯(lián)動；應(yīng)用層：開發(fā)Web儀表板交互界面，支持多傳感器數(shù)據(jù)可視化與設(shè)備遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2核心功能

本系統(tǒng)的核心功能包括：（1）能實(shí)時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，異常數(shù)據(jù)觸發(fā)聲光報(bào)警器、排煙風(fēng)扇設(shè)備。（2）支持安防設(shè)備遠(yuǎn)程控制，如打開和關(guān)閉排煙氣扇，啟動和停止聲光報(bào)警。（3）支持歷史數(shù)據(jù)查詢與可視化展示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件部分由ZigBee協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)、傳感器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。

2.1 ZigBee通信模組

ZigBee通信模組選擇成都億佰特公司的E18-MS1PA1-IPX模組。該模組是一款體積小 ?2.4GHz 頻段的ZigBee轉(zhuǎn)串口無線模塊，發(fā)射功率達(dá) 100mW ，適用于多種應(yīng)用場景，尤其智能家居領(lǐng)域[7]。該模組采用CC2530射頻芯片，芯片內(nèi)部集成了8051單片機(jī)及無線收發(fā)器，內(nèi)置 PA+LNA ，極大地?cái)U(kuò)展通信距離，提升通信穩(wěn)定性。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

E18模組配置底板，構(gòu)成一個ZigBee模塊（簡稱“E18模塊”），安裝至ESP32主控板上，與ESP32的UART2連接通信，波特率設(shè)置為 115200bps 。

2.2 ESP32主控板

ESP32主控板基于樂鑫信息科技公司的ESP32S微控制器芯片設(shè)計(jì)，ESP32S集成Wi-Fi和藍(lán)牙功能，適用于智慧家居等領(lǐng)域[8]。主控板左側(cè)拓展UART2和VCC、GND，適配 ZigBee 模塊;右側(cè)接口拓展GPIO、I2C、VCC、GND，適配傳感器模塊或者控制模塊。主控板還設(shè)計(jì)了電源輸入接口、按鍵、開關(guān)、Type-C接口（連接UART0）。主控板使用可充電的12V大容量鋰電池組供電。

2.3傳感器模塊

家庭環(huán)境檢測部分包括溫濕度節(jié)點(diǎn)、光敏強(qiáng)度節(jié)點(diǎn)、煙霧與火焰節(jié)點(diǎn)。每個節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊插到ESP32主控板構(gòu)成。

溫濕度節(jié)點(diǎn)傳感器選用SHT30，該傳感器是瑞士Sensirion公司推出的高精度、低功耗的數(shù)字溫濕度傳感器，內(nèi)置溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)電路，可直接輸出經(jīng)過線性處理的數(shù)字信號，適用于環(huán)境監(jiān)測、智能家居、工業(yè)控制等領(lǐng)域[9]。SHT30 的測量范圍：溫度-40～+125°C ，濕度 0%～100% RH;精度：溫度 ±0.2% ，濕度 ±2% RH；供電電壓： 2.4～5.5V ;通信接口：I²C 。該節(jié)點(diǎn)可滿足家庭環(huán)境檢測需要。

光照強(qiáng)度節(jié)點(diǎn)傳感器選用光敏傳感器模塊[9]，用于測量室內(nèi)的光照強(qiáng)度，引腳S輸出 0～3.3V 的模擬量。

煙霧傳感器選用MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊，MQ-2是一種基于 SnO₂ 半導(dǎo)體材料的氣敏特性的傳感器，廣泛應(yīng)用于天然氣、城市煤氣、液化氣等可燃性氣體檢測領(lǐng)域，本系統(tǒng)使用MQ-2傳感器模塊對屋內(nèi)的天然氣、液化氣等危險氣體進(jìn)行檢測，輸出 0～3.3V 的模擬量[]

火焰?zhèn)鞲衅髂K輸出數(shù)字信號，當(dāng)檢測到火焰時，輸出低電平信號，未檢測到火焰時輸出高電平。

傳感器模塊與ESP32主控板的接口配置如表1所示。

表1傳感器模塊與ESP32主控板的接口配置

2.4安防模塊

家庭安防設(shè)備包括：聲光報(bào)警節(jié)點(diǎn)和排煙風(fēng)扇節(jié)點(diǎn)。由ESP32主控板通過繼電器控制相應(yīng)的設(shè)備構(gòu)成，如圖2所示，繼電器的IN端均通過ESP32主控板的I027進(jìn)行控制。

聲光報(bào)警器用于屋內(nèi)的報(bào)警提醒，使用DC12V高分貝報(bào)警器，主控板通過繼電器控制是否開啟報(bào)警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

JCC N N G 繼電器 聲光報(bào)警器/ 排煙風(fēng)扇

該設(shè)計(jì)使用Arduino開發(fā)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)、安防節(jié)點(diǎn)的功能，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上E18模塊設(shè)置為協(xié)調(diào)器，傳感器節(jié)點(diǎn)和安防節(jié)點(diǎn)的E18模塊設(shè)置為終端，構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[7]

排煙風(fēng)扇用于把室內(nèi)煙霧抽排至室外，使用12寸家用廚房抽風(fēng)機(jī)，主控板通過繼電器控制風(fēng)扇的啟停。

2.5ZigBee協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)

E18模塊被配置成協(xié)調(diào)器，安裝至主控板，通過串口與ESP32通信，ESP32通過Wi-Fi連接云平臺。

3.1網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的功能如圖3所示，主要包括：

（1）配置E18模塊為協(xié)調(diào)器，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（PANID、透傳模式）。（2）ESP32通過Wi-Fi采用MQTT協(xié)議與云平臺通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向轉(zhuǎn)發(fā)。

圖3網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)功能流程

3.2傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件功能如圖4所示，主要包括：

（1）配置E18模塊為終端節(jié)點(diǎn)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（PANID、透傳模式）。

（2）ESP32采集傳感器數(shù)據(jù)，構(gòu)造成JSON格式數(shù)據(jù)（示例：{\"TempHumi\"：[{\"Temp\"：21.5，\"Humi\"：61}]}）。

（3）通過ZigBee發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。

3.3安防節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)安防節(jié)點(diǎn)的軟件功能如圖5所示，主要包括：

（1）配置E18模組為終端節(jié)點(diǎn)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（PANID、透傳模式）。

（2）ESP32判斷串口是否收到網(wǎng)關(guān)發(fā)送的云平臺 控制命令，如{\"device\"：\"ExFanNode\"，\"data\"：{\" id\"：2，\"method\"：\"setFan\"，\"params\" ：true}}，判斷數(shù) 據(jù)格式是否為JSON格式，解析數(shù)據(jù)，執(zhí)行命令。

（3）向云平臺返回安防設(shè)備的狀態(tài)，如\"ExFanNode\"：[{\"Fan\"：1}]}。

3.4云平臺功能開發(fā)

（1）在云平臺上創(chuàng)建智慧家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)備，與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過MQTT協(xié)議連接通信。

（2）云平臺接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過MQTT協(xié)議上傳的JSON格式數(shù)據(jù)。

圖4傳感器節(jié)點(diǎn)功能

（3）在云平臺上構(gòu)建規(guī)則鏈：當(dāng)煙霧濃度超過閾值（如MQ2值 gt;450ppm; ），則啟動排煙風(fēng)扇；當(dāng)檢測到火災(zāi)，則打開聲光報(bào)警。

圖5安防節(jié)點(diǎn)功能

（4）開發(fā)儀表板。

基于ThingsBoard云平臺開發(fā)家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)儀表板，用于展示室內(nèi)傳感器的數(shù)據(jù)和控制安防設(shè)備，系統(tǒng)儀表板如圖6所示。

圖6家庭監(jiān)測系統(tǒng)的儀表板

4系統(tǒng)測試與分析

4.1通信性能測試

測試環(huán)境：約 150m² 的三室兩廳住宅，墻體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)部署如表2所示。

測試方法如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)延遲測試：通過Wireshark抓包工具記錄傳感器數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)發(fā)送到云平臺的總耗時（含ZigBee傳輸、網(wǎng)關(guān)處理、MQTT上傳），連續(xù)測試100次。

（2）丟包率測試：在 72h 內(nèi)統(tǒng)計(jì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包丟失率。

（3）功耗測試：使用KeysightN6705C直流電源分析儀監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)在不同工作模式下的電流消耗。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3通信性能測試數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)分析：（1）端到端延遲主要來源于MQTT協(xié)議棧處理（占比 62% ）和ZigBee傳輸（占比28% ）；（2）丟包率隨障礙物數(shù)量呈指數(shù)關(guān)系（ 0.97）[10]

4.2系統(tǒng)功能驗(yàn)證

測試用例如下：

（1）異常響應(yīng)測試：使用丙烷氣體模擬燃?xì)庑孤涗洀腗Q-2傳感器觸發(fā)到排煙風(fēng)扇啟動的端到端響應(yīng)時間；使用標(biāo)準(zhǔn)火焰源（酒精噴槍，火焰高度≥15cm ）模擬火災(zāi)發(fā)生，記錄從火焰?zhèn)鞲衅饔|發(fā)到聲光報(bào)警器啟動的端到端響應(yīng)時間。

（2）控制可靠性測試：通過Python腳本模擬1000次遠(yuǎn)程控制指令（開關(guān)排煙風(fēng)扇、聲光報(bào)警），統(tǒng)計(jì)命令執(zhí)行成功率。

（3）數(shù)據(jù)持久性測試：驗(yàn)證7日內(nèi)歷史數(shù)據(jù)查詢的完整性與時序一致性。

測試結(jié)果如表4所示，測試結(jié)果說明系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時性高與控制的可靠性高。

表4功能測試結(jié)果

4.3可視化與操作便利性

圖6展示了ThingsBoard家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)儀表板的近 24h 的溫濕度折線圖，由于夜間11時和早晨8時左右突降大雨，系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果符合實(shí)際天氣。

光照強(qiáng)度傳感器、MQ-2傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯娘@示結(jié)果均能實(shí)時更新。在儀表板中主動控制時，聲光報(bào)警和排煙風(fēng)扇均能及時啟動與停止。

該儀表板可直觀和方便地驗(yàn)證系統(tǒng)各個模塊的功能（包括數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、可視化、遠(yuǎn)程控制等）均正常工作。

5結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于ZigBee和ThingsBoard的家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)，有效滿足了家庭安全監(jiān)控的實(shí)時性與遠(yuǎn)程控制需求。該系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部設(shè)備的無線通信，結(jié)合ThingsBoard云平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和可視化，通過集成多種傳感器和執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)了家庭環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測和智能控制。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有高實(shí)時性、高可靠性、易擴(kuò)展等特點(diǎn)，能夠有效滿足家庭安全監(jiān)控需求。

然而，本研究還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，未來的工作將聚焦：引入邊緣計(jì)算優(yōu)化本地決策效率，減少云端依賴;采用ZigBee網(wǎng)狀拓?fù)渑c指令確認(rèn)重發(fā)機(jī)制，解決 1.8% 控制指令失敗問題;強(qiáng)化數(shù)據(jù)加密傳輸與設(shè)備認(rèn)證機(jī)制，保障系統(tǒng)安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]賈偉偉，周鑫垚.基于CAN總線的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2023（3）：7-12.

[2]劉馳.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2021.

[3]阮宇，陸秋藝，陳國俊.基于ZigBee技術(shù)的家居空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)[J].無線互聯(lián)科技，2023（23）：21-23，27.

[4]ThingsBoard.ThingsBoard社區(qū)版文檔［EB/OL].（2023-01－01）[ 2025-03-10] .http：//www.ithingsboard.com/docs/.

[5]賀詩波，史治國，樓東武，等.物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2024.

[6]高亭.基于MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)溫室實(shí)時數(shù)據(jù)采集和可視化系統(tǒng)［J].無線互聯(lián)科技，2023（12）：50-52.

[7]成都億佰特電子科技有限公司.E18系列產(chǎn)品規(guī)格書［EB/OL].（2024-07-04）[2025-01-15].https：//www.ebyte.com/product/68.html.

[8]安信可科技.ESP32SData Sheet[EB/OL].（2020-11-13）[2025-02-20]. https：//docs.ai-thinker.com/en/esp32/spec/esp32s.

[9]陳經(jīng)文，孫東平，王盼盼.傳感器與檢測技術(shù)應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2021.

[10]曹惠茹，苑俊英，郭中華，等.障礙物對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道影響試驗(yàn)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2014（8）：1107-1111.

（編輯 王永超）

Design of a ZigBee and ThingsBoard-based home security monitoring system

PAN Yabin （Wuxi Tourism and Commerce Branch of Jiangsu Union Technical Institute，Wuxi 214045，China）

Abstract：To addressthe challenges of traditional home securitysystems，such as complex wiring，poor scalability， anddiffculties inremote management，this study proposesan intelligent homesecurity monitoring system based on a ZigBee wireless sensor network andthe ThingsBoard IoTcloud platform.The system adopts a four-layer architecture. Perception Layer：a ZigBee sensor network performs real-timecollection of environmental parameters（temperature， humidity，light intensity，flame status，and combustible gas concentration）．Network Layer：an ESP32 gateway enables ZigBee-MQTT protocol conversion toensure reliable data transmision.Platform Layer：the ThingsBoard platform supports data visualization and intellgent alarmcontrol.Application Layer：a web-basedremote monitoring interface is provided for user interaction.Experimental results demonstrate that thesystem achievesanend-to-end response time of ?6.4 seconds， data packet transmission stability of 98.3% ， and an average node power consumption of （18.6±0.3） mA（ @5 s cycle）. These metrics confirm its capability to meet modern households’ requirements for real-time performance，reliability，and intelligent functionality in security monitoring systems.

Key Words： ZigBee; ThingsBoard; home security system; IoT; real-time monitoring

基金項(xiàng)目：江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院課題;項(xiàng)目名稱：五年制高職“雙師型”名師工作室建設(shè)的實(shí)踐研究;項(xiàng)目編號：B/2022/11/073。無錫市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃 2023年度立項(xiàng)課題;項(xiàng)目名稱：五年制高職移動互聯(lián)綜合實(shí)訓(xùn)平臺設(shè)計(jì)與課程改革研究;項(xiàng)目編號：I/C/2023/09。作者簡介：潘亞賓（1985—），男，講師，工程師，高級技師，碩士;研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。