基于Zigbee的家庭防盗控制系统设计

基于Zigbee的家庭防盗控制系统设计

操文祥1吴晓春1檀美慧2

1合肥米度信息科技有限公司安徽省合肥市230088

2安徽科大讯飞信息科技股份有限公司安徽省合肥市230088

摘要：利用ZigBee通信技术，将门磁、三鉴等传感器与网关相连，与视频监控摄像头联动抓拍，同时与小区物业联网报警系统联动，搭建智能家庭防盗系统。通过移动终端远程监控，家庭声光报警和小区物业联网等多途径全方位守护家居安全，具有一定的推广价值。

关键词：ZigBee；传感器；声光报警；家庭防盗

CAOWen-xiang，WuXiao-chun

(HeFeiMIDUInformationTechnologyCo.,Ltd，Anhui，Hefei230088，China)

Abstract：ByusingZigBeecommunicationtechnology,gatemagnetic,threediscriminationsensorandothersensorsareconnectedtothegateway,andthevideosurveillancecameralinkagecapturesystemisconnected.Also,thegatewayislinkedwiththeresidentialpropertynetworkalarmsystem.Andsotheintelligentfamilysecuritysystemisbuilt.Remotemonitoringofmobileterminal,familysoundandlightalarm,residentialpropertynetworkingandmanyotherwaystoprotectthehomesecurity,thesystemhasacertainvalueofpromotion.

Keywords：ZigBee;sensor;Soundandlightalarm;FamilySecuritySystem

一、引言

随着经济的发展，人民的生活水平日益提高，家庭财产和家庭安全对于一个家庭显得越来越重要。传统的家庭安防主要是安装被动红外探测器，其特点是对无人值守的室内，实现防盗保护财产的作用。但如果室内有人员活动或者宠物走动，都会影响被动红外工作，容易引起误触发报警。同时安装施工时需要布线提供12V电源，在维护上也有不少麻烦。本方案采用基于Zigbee的家庭安防控制系统，有效地解决上述问题，可以构建立体的防盗网，更好更全面的保护家庭财产和家庭安全。

本系统设计的主要功能特点：

1.自组网，无需布线，安装使用方便。采用2.4GZigbee技术，采用内置电池供电，安装方便，可以根据需要，任意添加防盗传感器；尺寸小隐蔽性好，可以根据要求随意安放；

2.多重报警及联动功能。系统通过安装门磁、窗磁、三鉴传感器，检测非法入侵；报警联动控制，自动打开室内的警号、照明灯光实现声光报警；推送报警信息到指定的手机端；同时小区警卫可通过小区管理中心得到信号从而快速接警处理。

3.预设报警功能。可预设报警电话，通过预设发警报到住户的手机或110等指定电话上。

4.一键设防/撤防功能，操作方便。主人外出前启动安防系统，自动开启防御模式；主人回家时可调整为正常，进入在家撤防模式。

二、系统整体框架

系统整体架构主要由智能控制网关、传感器节点、执行器节点、网络摄像机等组成。如图1所示。智能控制网关是家庭安防控制系统的核心硬件，通过它实现传感器信息的采集、信息输入、信息输出、集中控制、远程控制、联动控制等功能。传感器节点主要负责安防控制信号采集功能，当检测到非法入侵时，产生触发信号给智能控制网关。执行器节点由灯光控制及警报输出构成，控制照明及警报发声，威慑入侵者。网络摄像机主要进行视频及图像采集功能，为后期入侵事实举证提供有力支撑。

图1系统整体架构图

其工作流程如下：

1.当出现非法入侵时，门磁、窗磁、三鉴等传感器节点采集信息，上报给能控制网关；

2.智能控制网关对信息进行分析处理，确认为非法入侵后，通过zigbee网络控制警报及灯光等执行器节点，启动本地警报及开灯威慑入侵者；

3.入侵信息通过液晶屏显示及语言播报输出；

4.同时打开网络摄像机启动抓拍；

5.发送入侵信息给物业管理平台，请求物业现场支援；

6.通过4G网络推送信息或拨打用户手机。

三、系统硬件设计

1、网关硬件设计

智能控制网关是该系统的核心设计，是外网和内部ZigBee网络的设计关键点。网关的硬件电路主要由控制器模块ARMCortex-M4处理器、LCD显示模块、音频控制模块、无线WiFi模块、ZigBee控制模块、有线网络模块、4G网络模块、通用输入输出口及复位JTAG调试接口构成。网关系统硬件结构如图2所示。

图2网关系统硬件结构图图3终端节点硬件结构图

网关的主控制器采用ST公司的STM32F407芯片。该处理器内部集成了FLASH及RAM，中断控制器，DMA控制器，时钟和电管理，同时内部具有10/100MEthernet接口、高速USB、SDIO、IIS、LCD、串口等丰富接口资源，非常适合本系统设计。

ZigBee模块选择美国TI公司生产的CC2530芯片，完成与主控制之间的数据通信。CC2530芯片是2.4GHz的片上系统，遵循IEEE802.15.4标准协议。CC2530内部有CPU、内存、外设、时钟、电源管理及RF内核控制模拟无线模块。它与网关主控制器之间采用串口双向通信。

2、终端节点硬件设计

终端节点有传感器节点和执行器输出节点两类。它们内部的硬件主要由各类传感器输入、各类执行器输出及Zigbee控制模块组成。如图3所示。

门磁及窗磁传感器节点，主要检测门、窗、抽屉、柜子等是否非法打开或移动的情况。它是由产生恒定磁场的磁铁和霍尔传感器开关构成。门窗处于关闭的状态时，磁场最强，霍尔电压最大；当门窗被打开，磁场方向变动，导致霍尔电压减少甚至为零。通过对变化的电压进行设定，起到门窗状态检测作用，从而达到安防报警的目的。

三鉴传感器节点是指应用红外探测技术主导、微波探测技术辅助、单片机智能处理（PIR/MW/AI）的综合探测传感器。红外发现目标后，启动微波检测电路，当两种信号均有效并通过单片机智能处理符合报警输出条件时，由单片机给出报警信号，实现探测、监控等功能。从而把误报降低到最小，大大提高了探测器工作的可靠性。

执行器输出节点，通过继电器控制灯光照明及警报输出发声。

四、软件实现

1、软件开发平台

系统软件设计是在硬件设计的基础上进行的，良好的软件设计是实现系统功能的重要环节，也是提供系统性能的关键所在。基于通用性及便于开发的考虑，本系统软件设计使用IARSystems公司的IAREmbededWorkbench集成开发平台。它是一个完全集成的开发环境，包括C/C++编译器、工程管理器、编辑器、构建工具以及通用的C-SPY调试器。它在编译过程中对代码和速度进行高度优化。更高效率地采用了堆栈，静态和全局变量。可以把任何数据定义在EEPROM范围之内，并对大容量的FLASH进行随即读取。这套工具提供了相似且直观的用户界面，便于管理，是目前最完整的和最容易使用的专业嵌入式应用开发工具之一。

2、智能控制网关程序设计

智能控制网关实现外网和家庭内部ZigBee网络的协议转换，确保网络间正常通信。采集节点将监控的信息进行打包处理，包括地址信息与检测到的数据信息，以ZigBee帧的方式无线发送给网关节点。网关节点接收到信息后，对原始数据进行处理，再以TCP/IP协议进行打包处理。图4为智能控制网关主程序流程图。

硬件平台上电后，内部操作系统启动，应用程序初始化。网关处于监听网络状态，当有数据信息转发过来时，进入中断处理状态。如果数据来自ZigBee网络节点，则对数据进行处理分析，发现是入侵信息，则进入报警子程序，同时进行网络数据转发，内网打开监控，外网发送数据到用户手机和小区物业平台，最终回到监听网络状态。如果没有收到zigBee数据或者数据非入侵信息，主程序回归到监听网络状态。

3、终端节点程序设计

终端节点主要实现两项工作：一是ZigBee网络之间的通信，二是传感器进行数据采集或执行器报警动作输出，图5和图6分别为传感器及执行器节点流程图。其工作流程为：节点上电后进行信道扫描，如果接收到信标帧，则证明当前区域内存在ZigBee网关协调器，便发送入网请求，入网成功后，传感器节点进行数据监测，当发现有入侵消息时，则将数据发送给网关协调器；当执行器节点监测到ZigBee网络控制命令后，则进行灯光控制及警报输出，然后再回归监测终端数据状态。

图4网关流程图图5传感器节点流程图图6执行器节点流程图

五、结论

本文研究的基于ZigBee的家庭安防控制系统，它采取无线网络与有线网络相结合的方式，实现安防监控功能。该系统采用ARM硬件平台，将家庭内部的传感器数据通过ZigBee网络发送到控制网关，实现了对非法入侵等状态的实时监测；同时控制本地声光报警，视频监控抓拍，远程提醒用户手机，连接小区物业管理平台等多途径、全方位报警输出，及时高效的保障家庭人身财产安全，对智能家庭安防系统的发展和建设有重要的推广意义和巨大的经济潜力。

参考文献

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[5]Z-StackDeveloper'sGuide.http://www.ti.com.