基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與LabVIEW的智能家居安防系統(tǒng)

作者/ 梁興通 李揚(yáng) 廣東工業(yè)大學(xué)(廣東 廣州 510006)

摘要：本文介紹了智能家居安防終端監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，采用基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的CC2530收發(fā)模塊，通過(guò)與溫度、紅外傳感器、霍爾傳感器的連接，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，并完成室內(nèi)溫度、煙霧、防盜、煤氣泄漏監(jiān)測(cè)等報(bào)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居中各種監(jiān)控，在確保報(bào)警的同時(shí)會(huì)采取相應(yīng)的安全措施。

引言

　　智能家居^[1]是以住宅為平臺(tái)，安裝有智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的居住環(huán)境，作為一個(gè)綜合性智能系統(tǒng)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、傳輸技術(shù)、智能控制等先進(jìn)的新技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化家居管理。智能家居系統(tǒng)^[2]所包括子系統(tǒng)中，安防最為關(guān)鍵，因此，研發(fā)安全可靠和性價(jià)比高，且方便易用的智能家居安防系統(tǒng)有著重大意義。

　　采用無(wú)線通信技術(shù)既美觀又可靠，可免除繁瑣雜亂的布線，只需一個(gè)模塊就可代替眾多線材，其中，ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)[3]具有容量大、時(shí)延小、功耗低、長(zhǎng)距離傳輸、速率低、安全可靠、工作靈活等特點(diǎn)，適用于構(gòu)建家庭網(wǎng)絡(luò)。

　　本文研究一個(gè)具備豐富功能、安全可靠的智能家居安防系統(tǒng)解決方案，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)當(dāng)有入侵者時(shí)，安防系統(tǒng)都能及時(shí)發(fā)出報(bào)警，并通知小區(qū)物管或家庭主人，同時(shí)，家中攝像頭也打開(kāi)進(jìn)行抓拍，便于后期分析處理，有效減少錄像及存儲(chǔ)容量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)組成^[4]為紅外和霍爾探測(cè)器，溫度、煙霧和氣體等傳感器，攝像頭及計(jì)算機(jī)、手機(jī)等，還需要起中間傳輸作用的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊，本設(shè)計(jì)選擇基于ZigBee技術(shù)的CC2530模塊。溫度傳感器安裝在客廳、廚房、主臥、客臥、書(shū)房;煙霧傳感器和攝像頭安裝在大門、主臥、客臥;霍爾探測(cè)器安裝在房門上;紅外探測(cè)器安裝在窗戶上。在廚房安裝特殊氣體探測(cè)器，以檢測(cè)煤氣泄漏情況，如表1。各傳感器信號(hào)通過(guò)ZigBee傳輸至與上位機(jī)連接的接收模塊，并于用戶界面顯示及分析，如圖1所示。

1.2 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理

　　ZigBee協(xié)議棧最下面是物理層(PHY)、介質(zhì)訪問(wèn)層(MAC)和數(shù)據(jù)鏈路層，都由IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義，在此之上是網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層設(shè)計(jì)，如圖2所示為ZigBee協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)圖。

1.2.1 ZigBee協(xié)議棧物理層

　　物理層標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)，都采用擴(kuò)頻技術(shù)，數(shù)據(jù)包格式也相同，其主要區(qū)別在于一個(gè)工作在2.4GHz頻率，而另一個(gè)工作在838/915MHz頻率。 ZigBee物理層由同步包、物理層包頭、物理層凈荷三部分組成。

1.2.2 ZigBee協(xié)議棧MAC層

　　MAC層由其對(duì)應(yīng)的PHY層決定，可以實(shí)現(xiàn)各種不同功能，其實(shí)現(xiàn)主要功能包括設(shè)備無(wú)線鏈路建立、終止和維護(hù)，其數(shù)據(jù)包信息分別是載荷、幀頭和幀尾。

1.2.3 ZigBee協(xié)議棧應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層

　　協(xié)議棧應(yīng)用層中，應(yīng)用支持子層確保綁定設(shè)備的通訊。ZigBee設(shè)備功能是確定設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的位置和建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間安全應(yīng)用層。

　　網(wǎng)絡(luò)層為MAC提供其工作過(guò)程中所需接口函數(shù)，以確保MAC層正常運(yùn)作，且為應(yīng)用層提供所需服務(wù)接口，還可提供數(shù)據(jù)和管理服務(wù)實(shí)體。此外，管理實(shí)體還能夠運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理，以便對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和維護(hù)。

2 智能家居安防系統(tǒng)

2.1 安防系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　在實(shí)際應(yīng)用中，將溫度傳感器、霍爾傳感器、氣體探測(cè)器、紅外探測(cè)器與CC2530傳輸模塊連接，各需要一組，并使之實(shí)現(xiàn)與微機(jī)的通訊。CC2530硬件設(shè)計(jì)分為主控電路、射頻前端電路、傳感器電路等。其中最為主要的是主控電路，負(fù)責(zé)控制CC2530的工作過(guò)程。其電路連接示意圖如圖3所示。射頻前端電路則決定著傳輸?shù)馁|(zhì)量，芯片的輸出信號(hào)為差分信號(hào)，所以射頻前端加入差分單端轉(zhuǎn)換電路，另外在射頻前端需進(jìn)行阻抗變換。

2.2 硬件通訊功能實(shí)現(xiàn)

　　CC2530作為構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的核心器件，不僅符合ZigBee技術(shù)，而且還具有強(qiáng)大的串行通信接口，使其應(yīng)用范圍更加廣泛。其內(nèi)核為增強(qiáng)型8051，但是鑒于系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)多、數(shù)據(jù)量大等原因，需要借助具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能的計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)的處理、分析及控制，協(xié)調(diào)器只做網(wǎng)絡(luò)管理及數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)功能。系統(tǒng)通過(guò)接口電路將CC2530的串行接口和PC機(jī)的COM口相連，完成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)行控制系統(tǒng)的PC機(jī)相互通信，配合LabVIEW內(nèi)置的串口控制模塊實(shí)現(xiàn)各個(gè)傳感器與主機(jī)通訊。

3 智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 CC2530軟件設(shè)計(jì)

　　每個(gè)傳感器模塊都連接一個(gè)CC2530芯片，而每一個(gè)芯片在出廠時(shí)都會(huì)分配唯一的MAC地址。在安裝好TI提供的協(xié)議棧，zstack的工程電腦中分別下載EDEB-PRO,REB-PRO,CEB-PRO到模塊中。依據(jù)星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)修改傳輸程序，設(shè)定與主機(jī)連接的協(xié)調(diào)器，每收到一個(gè)傳輸請(qǐng)求都先校驗(yàn)其通訊地址，然后建立連接，按需進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。主機(jī)設(shè)計(jì)為同步通訊，可同時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)信息。數(shù)據(jù)傳輸是CC2530模塊軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)的發(fā)送由傳感器端調(diào)用AF_DATAREQUEST()函數(shù)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)的接收由zstack完成，數(shù)據(jù)傳輸完成后再觸發(fā)調(diào)用SYS_EVENT事件及MSG_CMD。主機(jī)接收到后，調(diào)用用戶程序進(jìn)行處理，即完成一次信號(hào)的傳輸。

3.2 安防系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　用戶軟件設(shè)計(jì)采用適用于智能家居視圖的開(kāi)發(fā)環(huán)境——LabVIEW，該智能家居安防系統(tǒng)主要包括五部分功能：1)各個(gè)家用電器的開(kāi)關(guān)控制;2)家庭內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控與控制;3)家庭煤氣使用的安全監(jiān)控;4)防止外來(lái)入侵的安保系統(tǒng);5)防止火災(zāi)的警報(bào)系統(tǒng)。

　　在主監(jiān)控界面上按下啟動(dòng)按鈕，整個(gè)系統(tǒng)就處于工作狀態(tài)。監(jiān)測(cè)室溫、煤氣泄漏的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、安保系統(tǒng)及防火的煙霧系統(tǒng)開(kāi)始工作。通過(guò)主監(jiān)控界面上的子系統(tǒng)選擇器，可跳轉(zhuǎn)到每個(gè)子系統(tǒng)的具體數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面，而各個(gè)家用電器開(kāi)關(guān)部分都可以在主監(jiān)控界面得到控制，其中還包括全屋的電源總開(kāi)關(guān)，如圖4所示。

　　在室溫監(jiān)測(cè)部分可以看到實(shí)時(shí)的家居內(nèi)部溫度。為提高居住環(huán)境舒適度，可以自行設(shè)置一個(gè)舒適的溫度范圍，當(dāng)超出設(shè)定范圍時(shí)，信號(hào)燈便會(huì)提示，與此同時(shí)，空調(diào)也會(huì)按照設(shè)定自行打開(kāi)，使室溫回到舒適的范圍內(nèi)，如圖5所示。家用煤氣監(jiān)測(cè)部分主要功能是監(jiān)測(cè)煤氣管道是否漏氣及統(tǒng)計(jì)用氣量，如圖6所示。

　　在安保系統(tǒng)方面，每個(gè)紅外傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)燈。當(dāng)安保系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，有非法外來(lái)入侵時(shí)，信號(hào)燈就會(huì)變紅，同時(shí)發(fā)出警報(bào)響鈴，而且還能通過(guò)主監(jiān)控界面上的信號(hào)燈知道入侵者從何而來(lái)，該功能可以利用布爾原件的與門實(shí)現(xiàn)，如圖7所示。

　　在煙霧感應(yīng)系統(tǒng)方面，主要起到防止火災(zāi)的作用。當(dāng)信號(hào)燈變紅，表示檢測(cè)到火情，同時(shí)發(fā)出警報(bào)音，主監(jiān)控界面上立即顯示具體火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，以便于逃生，如圖8所示。溫度檢測(cè)模塊樣機(jī)，如圖9所示。

4 結(jié)語(yǔ)

　　本文探討了ZigBee技術(shù)在家居安防中的應(yīng)用，對(duì)短距離穩(wěn)定數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，提供了安防系統(tǒng)常用模塊的整套方案。監(jiān)控界面設(shè)計(jì)思路清晰，各功能安排層次分明，后臺(tái)分析合理。并能在功能演示環(huán)節(jié)，模擬現(xiàn)場(chǎng)，完成對(duì)應(yīng)功能，基本符合相關(guān)要求，具有市場(chǎng)推廣意義。

參考文獻(xiàn):

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本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第1期第69頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。