基于ZigBee技术智能家居安防监控系统

引 言

伴随着信息化、数字化、网络化技术的推进，通信方式由原有的有线通信逐渐演变到现在流行的无线通信，物物相连的无线传感网络也得到了空前发展。人民在享受经济增长带来的幸福生活的同时，对家居环境安全保障也更加重视。人们希望通过无线传感网将家中的各种智能设备、家用电器等整合到一个智能化体系中，智能家居应运而生。

首先应满足现代人对家居生活的需求，结合ZigBee无线通信技术及GPRS网络设计出一套基于ZigBee技术网络通信的智能家居安防监控系统，满足人们对家居环境监测和家居异常环境智能报警的需求。为营造安全、舒适的家居氛围， 对改善用户家居生活有着深远而重要的意义。

1 系统整体设计方案

1.1 系统结构框图

智能家居安防监控系统主要由传感器模块、ZigBee无线收发模块和主控制器模块组成。系统框图如图 1所示。传感器模块负责对家居环境进行数据信息采集。ZigBee无线收发模块连接传感器模块和主控制器模块。而主控制器模块作为整个智能家居数据处理和运算的核心。传感器模块作为系统数据来源，主要对家居环境信息进行检测，并将采集到的数据信息通过ZigBee无线协议发送到微控制器。主控制器模块主要实现对整个控制系统以及用户和小区进行信息交换。当采集数据超过设定阈值时，微控制器采取警报措施，并及时通知小区安防系统和用户手机终端。当异常信息得到及时有效的处理后，警报解除。

1.2 系统主要功能

智能家居安防监控系统主要面向小区用户设计，小区用户可通过该系统对家居内部情况和家居外围进行实时监控。当危险情况发生时，小区安防可及时采取处理措施，避免发生不必要的事故。智能家居安防监控主要通过传感器模块检测家居环境，通过ZigBee 通信协议将家居现场采集的数据信息传递到微控制器。对 ZigBee 无线收发模块和微控制器分别设定阈值并采集数据进行对比，如果两次对比超过阈值，则进行声光报警提示，并通过CAN 总线和GPRS 网络通知小区安防系统和用户手机终端。异常情况得到有效处理后，警报自动解除。

1.2.1 家居状况实时监测

智能家居安防监控系统传感器模块主要对家居中可能出现的火灾、可燃气体泄漏等危险情况进行检测。检测信息通过液晶进行信息分类显示，并通过CAN 总线将家居外围相关情况发送至小区监控系统进行实时监控。用户通过GPRS 无线模块对家居室内情况进行实时监控。

1.2.2 家居异常双重检测

当家居环境数据出现异常时，对异常数据信息进行双重检测对比，如果两次对比都超过预定阈值，则进行报警提示， 并将异常情况反馈给小区安防和用户手机终端。当异常信息得到有效处理后，报警解除。

1.2.3 家居安全智能报警

在智能家居安防监控系统正常运行时，如果家居环境发现异常，则传感器模块将异常情况发送到主控制器。主控制器接收到数据信息后，将相关报警信息发送到小区安防系统， 并告知用户。

2 系统硬件设计

传感器模块主要由传感器、信号调理电路和 ZigBee 无线收发模块组成。传感器模块负责对家居环境进行数据采集。为避免火灾检测出现误报，烟雾检测和温度检测同时进行。环境检测需要的传感器不尽相同，因而信号调理电路有差别，但最终都将环境采集数据的模拟量转换为数字量，通过ZigBee 无线协议传递到微控制器。

主控制器模块主要由ZigBee 无线收发模块、微控制器、GPRS 无线通信模块组成，具体如图 2 所示。考虑到智能家居系统的人性化和可视化，利用按键输入控制家居系统的开启和关闭。液晶显示主要是对家居现场采集到的数据信息进行显示，一目了然。

如果发生异常或危险情况，微控制器立即发出警报，并通过 CAN 总线将警报信息发送到小区监控系统，同时利用GPRS 无线通信将警报信息发送到用户手机终端。用户和小区监控系统接收并查看警报后，将警报解除，并根据家居相关情况进行处理。

系统中ZigBee 无线收发模块采用 2.4 GHz 射频芯片CC2530。CC2530 核心板包括 CC2530 单片机、RF 天线接口、模数转换器、晶振以及I/O 扩展接口。为实现家居环境的整洁和美观，避免杂乱无章的线路布局，传感器模块与主控制模块通过ZigBee 无线收发模块进行连接，完美解决了这一难题，为日常家居布置和清理添光加彩。ZigBee 作为一种新兴无线通信技术，其低成本、低功耗、通信可靠等特点，从某种意义上来说推动了智能家居的迅速发展，为人们的生活带来更多便利。

智能家居安防系统微控制器采用运算能力强，具有双串口的LPC1768 芯片，实现 ZigeBee 无线收发模块和 GPRS 无线通信模块与控制器通过串口连接进行采集数据的信息传输。小区安防监控对监控信息安全和实时性要求高，采用LPC1768 中 2条 CAN 通道与小区安防监控系统连接，保证相关监控信息安全、可靠、快速传递到后台小区监控系统，对用户实时监控家居状况及小区保安维护家居治安有重要意义。

智能家居安防系统GPRS 无线通信模块采用SIM900A 模块，实现微控制器和用户手机终端之间的信息传输。SIM900A 模块精简，接口丰富，功耗低，价格低廉，大大降低了物联网设备的入门门槛。当主控制器向用户手机发送信息时，在卡槽中插入SIM 卡，并向SIM900A 发送AT 指令，就可以实现微控制器与用户手机终端间的数据通信。

3 系统软件设计

系统软件设计部分由传感器模块子程序、ZigBee 无线收发子程序、微控制器子程序组成。传感器终端节点采集到的数据信息作为整个系统正常运行的重要数据信息，与系统中设定的阈值比较，超过阈值则报警，微控制器负责通知小区监控系统和用户手机终端，方便用户及小区采取相应措施，避免小区用户家中发生事故。

传感器终端节点程序流程图如图 3 所示。传感器上电后进行各自传感器硬件的初始化。如果家居环境有特殊要求，需要加入新的传感器，则对新的传感器进行ZigBee 自组网，重新配置节点网络。各传感器对家居中环境状况进行数据采集。传感器模块中的ZigBee 收发模块作为信息传递的通道，将采集到的相关数据信息通过 ZigBee 无线协议发送到ZigBee 无线收发模块协调节点。如果并未收到协调节点查询指令，则传感器终端节点进入低功耗状态，等待查询命令。

ZigBee 无线收发模块协调节点程序流程如图 4 所示。ZigBee 无线收发模块协调节点上电后，进行相应的硬件初始化和网络节点判断。若有新的节点加入，则协调节点进行自组网。首先 ZigBee 收发模块向家居现场发送采集数据查询命令，利用设定阈值和现场传递采集数据进行对比。若采集数据异常， 则进行初步报警提示。并将异常数据发送到微控制器。若并未发生异常状况，协调节点处于低功耗模式，等待异常情况。

微控制器程序流程图如图 5 所示。上电后进行相应的硬件初始化和系统按键检测。如果系统按键关闭，那么整个家居系统处于关闭状态。如果系统按键开启，那么整个家居系统处于正常运行状态。此时，微控制器程序先调用 ZigBee 无线通信，将传感器模块对外来入侵、火灾、可燃气体等的检测信息显示在显示屏上，并再次与预先设定的阈值对比，如果超过阈值，则调用CAN 总线通知小区安防监控系统，调用GPRS 通信通知用户。用户和小区安防监控系统响应警报并采取应急处理后，解除警报。

结 语

作为生活的首要因素，家居安防系统也是困扰人们生活的难题，研究基于ZigBee 技术网络通信的智能家居安防监控系统具有很强的实用价值。未来 ZigBee 无线网络通信技术的智能家居安防监控系统具有很好的市场前景。相信在不久的将来，这种智能化安防系统必将得到更广泛的应用。