基于ZigBee智能家居安防系统设计分析

基于ZigBee智能家居安防系统设计分析

郑鸿滨

广东南方电信规划咨询设计院有限公司广东深圳518000

摘要：本文在ZigBee技术基础上设计智能安防系统，系统主要包括CC2530射频芯片、ZigBee无线收发模块、MQ-2传感器等部件，通过ZigBee无线传输模块实现传感器系统与主控制器的通信传输，并从设计方案、主要功能、系统设计等方面出发，阐述家居安防系统的设计方式，最后分析系统软件的实现。

关键词：ZigBee技术；智能家居；安防系统

引言：随着人们生活质量的不断提升，生活节奏逐渐加快，对智能化的居住环境越发向往，智能家居的诞生使人们的新需求得到满足，通过发挥计算机与无线传感技术的合力，为人们提供一种智能化、安全便捷的居住环境。智能家居系统主要采用ZigBee技术，通过各个节点设备形成传感网络，为家居生活提供便利。

1.ZigBee技术简介

在满足IEEE802.15.4标准的基础上，ZigBee技术诞生，具有低功耗、低成本、短时延、高安全等特征，能够实现短距离、低功耗的无线通信技术，能够在自动控制、远程控制等领域中，嵌入多种设备；该协议主要包括物理层、媒体访问控制层、网络层、应用层、传输层等。ZigBee技术的主要特征为：

（1）低功耗。ZigBee最大的传输速率为250kbit/s，发射功率为1mW，且具有休眠模式，节省了大量电量。据计算，ZigBee技术设备单纯依靠两节6号电池便可使用6个月至两年左右的时间；

（2）低成本。ZigBee技术的价格较为低廉，且ZigBee协议免专利费用；

（3）短时延。在通信时延方面，休眠激活中的时延较短，搜索设备的时延为30ms，设备信道连接时延为15ms；

（4）安全可靠。通过碰撞避免策略，为固定带宽通信业务预留专用时隙，避免数据在传播中出现冲突、竞争，利用AES-128加密算法，使各项应用既灵活，又安全[1]。

2.ZigBee智能家居安防系统设计

2.1设计方案

ZigBee技术具有低成本、低功耗、低传输距离等特点，在本文所研究的安防系统中主要包括CC2530射频芯片、ZigBee无线收发模块、ARM模块、MQ-2传感器以及KP500B红外热释电传感器等部件，通过ZigBee无线传输模块实现传感器系统与主控制器的通信传输，微控系统作为系统的核心，对采集的数据信息进行处理和计算，一旦数据超过某个警戒值，便会自动报警，当报警信息得到妥善处理后，才会解除警报。系统的主要功能与结构如下。

2.2主要功能

安防系统主要包括防盗、防火、急救等功能，由无线传感节点负责采集各个线路的监控信号，如若遇到非法侵入、火灾等异常情况时，报警信号将自动开启，在第一时间通知住户与小区物业，用户还可对家居安防情况进行远程监控，该系统的主要功能如下。

（1）防火功能

由于客厅、厨房、卧室等属于火灾高发区，可设置感纹、感烟、感光探测器，对各个房间内的火灾情况进行监视，一旦出现火灾，主机将立即发出报警信号，并自动拨号通知住户与小区物业，同时关闭总闸，开启灭火喷水系统，最大限度的降低火灾危害，减少损失，维护人身安全。

（2）防盗功能

防盗的主要区域为住宅的外侧与内部，其中外围防护包括住宅门、窗、玻璃等，内部防护为房内主要通道。在安防系统中，为外侧门窗安装门磁开关，在玻璃上安装破碎探测器，为房内主要通道安装红外探测器。当住户在家时，住宅外部防护系统设防，内部防护系统撤防；当住户外出后，外部与内部防护系统均设防；当有人非法入侵时，家庭控制器发出警报信号，并通知家人与小区物业中心，及时处理与解决。

（3）紧急求助

当遇到以外情况时，例如非法入侵、老人突发疾病等，按动紧急报警按钮便可向小区物业中心紧急报警求助，且在系统设置时，应确保求助信息在网络传输中为优先界别。

2.3系统设计

在节点设计方面，ZigBee节点主要作用在于收集所需数据，并对数据进行处理后传输给主机，该节点主要包括MCU模块、传感器、ZigBee收发模块、电源管理模块等等。本文以CC2430射频芯片为例，该芯片为Chipcom企业生产的，与ZigBee技术相符合的24Hz芯片，可在ZigBee或者相似无线网络节点中应用，包括路由器、协调器与终端设备等等，采用工具包、ZigBee协议栈、参考设计等，为其展示出先进的ZigBee解决方案，使其在ZigBee技术基础上，与2.4GHzISM波段应用要求相符合。CC2430主要包括RF发射接收机、8051单片机、定时器等部件，在监控网络的过程中具有低功耗、低成本等特征，且只需与少量外围器件相连即可使用[2]。

在主机设计方面，主要包括ZigBee无线收发模块、ARM模块两个部分。由于家居系统具有一定的扩展性能，在本系统中采用ARM9内核处理器，该处理器具有效率高、功耗低、性能强等特征，包括3个UART串口、1个ⅡC接口，4个DMA通道以及24个通道外部中断源；该设备的主频一般为400MHz，最高可达553MHz，能够在Ⅱ系统中实现灵活应用。

在烟雾传感器设计方面，本系统采用MQ-2传感器，运行原理为：通过检测烟雾浓度判断是否存在火灾；传感器主要包括二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体，当烟雾浓度提高时，导电率也将随之提升，电阻减小，输出模拟信号增加。MQ-2具有较强的稳定性、重复性，能够对100—1000ppm范围内的可燃气体与烟雾进行检测，在智能家居安防中具有较强的应用效果。

在红外热释电传感器设计方面，本系统采用KP500B红外热释电传感器，运行原理为：通过温度变化情况对红外线的辐射进行检测，借助双灵敏元互补法减少温度变化对检测结果的干扰，从而增强感测器的稳定性。在工作波长范围内，即5—14之间，工作温度为-20℃—+70℃，包括三个引脚分别为OUT、VCC与GND，其中OUT引脚能够与P1-2相连接，可在智能家居中的感应门传、保险装置、防盗报警器等多个方面应用。

3.智能家居安防系统软件的实现

系统软件主要包括ZigBee无线数据传输子程序、数据采集程序以及微控程序。传感器作为数据采集的终端，可将采集后的信息传输到上位机之中，与系统阈值进行对比，如若超过阈值大小，便会报警，及时通知住户与物业中心，避免造成更大的损失。在数据采集程序中，利用传感器采集板将各个模块进行初始化，确保网络接口通常，一旦需要接入新的传感器，则可通过ZigBee自动组网，有利于节点的增加；在数据传输程序中，利用上位机以应答的方式完成数据传输，如若没有接到指令，则自动转换为休眠状态；在微控程序中，通过系统自检判断是否存在异常，控制器将所得数据与阈值对比，包括监测范围内煤气浓度是否超标、可燃气体是否超标、是否存在非法入侵等，如若异常便会自动报警，且在LCD屏幕中进行显示，以便做出科学有效的处理措施，避免产生更大的损失[3]。

结论：综上所述，在家庭网络通讯中，传输数据量较小，对传输速率没有较高的要求。ZigBee可充分发挥无线连接技术，与现有相似技术相比，在功耗与成本等方面具有突出优势，能够充分发挥自身的作用，最大限度的满足家庭网络相关需求，为智能家居系统运行提供技术支持。

参考文献：

[1]周芳媛.基于Zigbee技术的智能家居系统设计[D].大连理工大学,2016.

[2]江丹丹,唐煜程,唐冬.一种基于ZigBee及GSM混合网络的轻智能家居安防系统设计[J].现代电子技术,2015(3):6-8.

[3]陈杨,吴海燕.基于Zigbee的智能家居实时监控系统的设计[J].电子技术与软件工程,2015(8):181-182.