基于ZigBee无线网络与LabVIEW的智能家居安防系统

作者/ 梁兴通 李扬 广东工业大学(广东 广州 510006)

摘要：本文介绍了智能家居安防终端监控系统的设计和实现，采用基于ZigBee无线网络技术的CC2530收发模块，通过与温度、红外传感器、霍尔传感器的连接，实现各项信号的数据采集，并完成室内温度、烟雾、防盗、煤气泄漏监测等报警系统的软件设计，实现对家居中各种监控，在确保报警的同时会采取相应的安全措施。

引言

　　智能家居^[1]是以住宅为平台，安装有智能家居监控系统的居住环境，作为一个综合性智能系统，通过物联网、传输技术、智能控制等先进的新技术实现智能化家居管理。智能家居系统^[2]所包括子系统中，安防最为关键，因此，研发安全可靠和性价比高，且方便易用的智能家居安防系统有着重大意义。

　　采用无线通信技术既美观又可靠，可免除繁琐杂乱的布线，只需一个模块就可代替众多线材，其中，ZigBee自组网技术[3]具有容量大、时延小、功耗低、长距离传输、速率低、安全可靠、工作灵活等特点，适用于构建家庭网络。

　　本文研究一个具备丰富功能、安全可靠的智能家居安防系统解决方案，所设计系统当有入侵者时，安防系统都能及时发出报警，并通知小区物管或家庭主人，同时，家中摄像头也打开进行抓拍，便于后期分析处理，有效减少录像及存储容量。

1 系统总体设计与工作原理

1.1 系统总体设计

　　智能家居安防监控系统组成^[4]为红外和霍尔探测器，温度、烟雾和气体等传感器，摄像头及计算机、手机等，还需要起中间传输作用的网络数据传输模块，本设计选择基于ZigBee技术的CC2530模块。温度传感器安装在客厅、厨房、主卧、客卧、书房;烟雾传感器和摄像头安装在大门、主卧、客卧;霍尔探测器安装在房门上;红外探测器安装在窗户上。在厨房安装特殊气体探测器，以检测煤气泄漏情况，如表1。各传感器信号通过ZigBee传输至与上位机连接的接收模块，并于用户界面显示及分析，如图1所示。

1.2 ZigBee无线网络技术原理

　　ZigBee协议栈最下面是物理层(PHY)、介质访问层(MAC)和数据链路层，都由IEEE802.15.4标准定义，在此之上是网络层和应用层设计，如图2所示为ZigBee协议栈的结构图。

1.2.1 ZigBee协议栈物理层

　　物理层标准有两个，都采用扩频技术，数据包格式也相同，其主要区别在于一个工作在2.4GHz频率，而另一个工作在838/915MHz频率。 ZigBee物理层由同步包、物理层包头、物理层净荷三部分组成。

1.2.2 ZigBee协议栈MAC层

　　MAC层由其对应的PHY层决定，可以实现各种不同功能，其实现主要功能包括设备无线链路建立、终止和维护，其数据包信息分别是载荷、帧头和帧尾。

1.2.3 ZigBee协议栈应用层和网络层

　　协议栈应用层中，应用支持子层确保绑定设备的通讯。ZigBee设备功能是确定设备在网络中的位置和建立网络设备间安全应用层。

　　网络层为MAC提供其工作过程中所需接口函数，以确保MAC层正常运作，且为应用层提供所需服务接口，还可提供数据和管理服务实体。此外，管理实体还能够运用网络层数据实现网络管理，以便对网络信息库进行监测和维护。

2 智能家居安防系统

2.1 安防系统硬件设计

　　在实际应用中，将温度传感器、霍尔传感器、气体探测器、红外探测器与CC2530传输模块连接，各需要一组，并使之实现与微机的通讯。CC2530硬件设计分为主控电路、射频前端电路、传感器电路等。其中最为主要的是主控电路，负责控制CC2530的工作过程。其电路连接示意图如图3所示。射频前端电路则决定着传输的质量，芯片的输出信号为差分信号，所以射频前端加入差分单端转换电路，另外在射频前端需进行阻抗变换。

2.2 硬件通讯功能实现

　　CC2530作为构建无线网络的核心器件，不仅符合ZigBee技术，而且还具有强大的串行通信接口，使其应用范围更加广泛。其内核为增强型8051，但是鉴于系统节点多、数据量大等原因，需要借助具有强大数据处理功能的计算机完成数据的处理、分析及控制，协调器只做网络管理及数据中转功能。系统通过接口电路将CC2530的串行接口和PC机的COM口相连，完成无线网络与运行控制系统的PC机相互通信，配合LabVIEW内置的串口控制模块实现各个传感器与主机通讯。

3 智能家居安防监控系统的软件设计

3.1 CC2530软件设计

　　每个传感器模块都连接一个CC2530芯片，而每一个芯片在出厂时都会分配唯一的MAC地址。在安装好TI提供的协议栈，zstack的工程电脑中分别下载EDEB-PRO,REB-PRO,CEB-PRO到模块中。依据星形拓扑网络修改传输程序，设定与主机连接的协调器，每收到一个传输请求都先校验其通讯地址，然后建立连接，按需进行数据传输。主机设计为同步通讯，可同时监测各个传感器的实时信息。数据传输是CC2530模块软件设计的关键，数据的发送由传感器端调用AF_DATAREQUEST()函数实现，数据的接收由zstack完成，数据传输完成后再触发调用SYS_EVENT事件及MSG_CMD。主机接收到后，调用用户程序进行处理，即完成一次信号的传输。

3.2 安防系统软件设计

　　用户软件设计采用适用于智能家居视图的开发环境——LabVIEW，该智能家居安防系统主要包括五部分功能：1)各个家用电器的开关控制;2)家庭内部温度的实时监控与控制;3)家庭煤气使用的安全监控;4)防止外来入侵的安保系统;5)防止火灾的警报系统。

　　在主监控界面上按下启动按钮，整个系统就处于工作状态。监测室温、煤气泄漏的监测系统、安保系统及防火的烟雾系统开始工作。通过主监控界面上的子系统选择器，可跳转到每个子系统的具体数据监测界面，而各个家用电器开关部分都可以在主监控界面得到控制，其中还包括全屋的电源总开关，如图4所示。

　　在室温监测部分可以看到实时的家居内部温度。为提高居住环境舒适度，可以自行设置一个舒适的温度范围，当超出设定范围时，信号灯便会提示，与此同时，空调也会按照设定自行打开，使室温回到舒适的范围内，如图5所示。家用煤气监测部分主要功能是监测煤气管道是否漏气及统计用气量，如图6所示。

　　在安保系统方面，每个红外传感器对应一个信号灯。当安保系统启动时，有非法外来入侵时，信号灯就会变红，同时发出警报响铃，而且还能通过主监控界面上的信号灯知道入侵者从何而来，该功能可以利用布尔原件的与门实现，如图7所示。

　　在烟雾感应系统方面，主要起到防止火灾的作用。当信号灯变红，表示检测到火情，同时发出警报音，主监控界面上立即显示具体火灾现场，以便于逃生，如图8所示。温度检测模块样机，如图9所示。

4 结语

　　本文探讨了ZigBee技术在家居安防中的应用，对短距离稳定数据无线传输有较强的实用价值，提供了安防系统常用模块的整套方案。监控界面设计思路清晰，各功能安排层次分明，后台分析合理。并能在功能演示环节，模拟现场，完成对应功能，基本符合相关要求，具有市场推广意义。

参考文献:

　　[1]廖秋香.基于ZigBee技术的智能家居安防系统设计研究[J].科技信息,2012(8):16-16.

　　[2]郭红丹.基于无线网络的家居安防系统的设计研究[J].硅谷,2012(2):98-98.

　　[3]杨彬彬.智能家居安防监控系统的设计及软件实现[D].山东大学,2008.

　　[4]倪伟.智能家居安防系统的设计[J].淮阴工学院学报,2009,18(5):48-53.

　　[5]周洁明.基于LabVIEW的远程无线监控系统[D].同济大学2009.

本文来源于《电子产品世界》2017年第1期第69页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。