隨著現(xiàn)代家居生活的不斷改善，人們對(duì)財(cái)產(chǎn)、人身安全的要求也越來(lái)越高。安防系統(tǒng)不再只局限于防盜，而且要能做到防劫、防火，并即時(shí)了解和解決家中突發(fā)事件，實(shí)現(xiàn)家庭安全系統(tǒng)的智能化。現(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)的安防系統(tǒng)，不是容易引起誤報(bào)，就是功能比較單一，或是采用有線連接方式，布線繁瑣且線路容易老損。

　　針對(duì)現(xiàn)代家庭安防的要求和當(dāng)前市場(chǎng)上類似產(chǎn)品的不足，本研究提出了以ZigBee+ARM9為的嵌入式智能家庭安防系統(tǒng)（EmbeddedIntelli2gentHomeSecuritySystem,EIHSS）。本系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

　　①完善的防盜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)門、窗、陽(yáng)臺(tái)等地方的監(jiān)控和報(bào)警，力爭(zhēng)做到零誤報(bào)；

　　②實(shí)現(xiàn)家中火災(zāi)早期的監(jiān)測(cè)和煤氣泄漏等突發(fā)事件的檢測(cè)；

　　③實(shí)現(xiàn)家庭安全狀況遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和查詢；

　　④具有現(xiàn)場(chǎng)圖像抓拍功能，在設(shè)防狀態(tài)下，當(dāng)紅外傳感器或者門磁觸發(fā)告警時(shí)，系統(tǒng)將啟動(dòng)USB攝像頭對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拍攝。

　　1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由前端（Zig2Bee節(jié)點(diǎn)）和后端（主服務(wù)器）2部分組成，前端有傳感器檢測(cè)、信號(hào)處理、無(wú)線發(fā)送，后端有無(wú)線接收、中央處理及外圍電路等。前端和后端通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)無(wú)線連接。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)后端有2個(gè)功能按鍵，分別為設(shè)防鍵和撤防鍵。主人在出門時(shí)按下設(shè)防鍵，再通過(guò)手機(jī)短信方式由GPRS通知主機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)；當(dāng)主人回家時(shí)再通過(guò)短信通知主機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，待主人進(jìn)入家中時(shí)則按下撤防鍵，主機(jī)停止工作。

　　每個(gè)傳感器加上信號(hào)處理以及CC2430收發(fā)模塊組成一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)，分配有不同的地址，節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與主服務(wù)器ARM9模塊通信，主機(jī)根據(jù)地址判斷信號(hào)是來(lái)自哪個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后通過(guò)軟件判斷是有非法人員進(jìn)入還是有火災(zāi)隱患或是有煤氣泄漏，無(wú)論哪種突發(fā)狀況發(fā)生，主機(jī)都會(huì)啟動(dòng)USB攝像頭對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圖像抓拍，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)通知主人或物管中心，并驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)用以太網(wǎng)接入小區(qū)的局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)Internet接入。

　　2　EIHSS硬件系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)硬件電路框圖如圖2所示，主要由傳感器模塊，ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊，電源及復(fù)位模塊，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模塊，USB攝像頭、功能按鍵、報(bào)警模塊，GPRS模塊及中央控制器ARM9模塊等組成。

圖2　系統(tǒng)硬件電路框圖

　　2.1　傳感器和電源模塊

　　傳感器模塊按功能可分為3個(gè)部分：防盜、火災(zāi)檢測(cè)和煤氣泄漏檢測(cè)。防盜部分由振動(dòng)傳感器、門磁窗磁傳感器、熱釋電紅外傳感器組成。把振動(dòng)傳感器安裝在入戶門上的隱蔽處，當(dāng)它檢測(cè)到門上有振動(dòng)，如果振動(dòng)持續(xù)超過(guò)8min（有待考究），則判斷為可能是非法人員撬門。門磁傳感器也是安裝在入戶門上，當(dāng)門被打開(kāi)超過(guò)2cm時(shí)傳感器會(huì)有信號(hào)輸出。通過(guò)這2個(gè)傳感器相結(jié)合來(lái)判斷是否有人非法進(jìn)入，消除誤報(bào)。另外，熱釋電紅外傳感器能感應(yīng)到物體在室內(nèi)的移動(dòng)[3].對(duì)于窗、陽(yáng)臺(tái)等其他地方的防盜原理跟入戶門防盜相似。

　　火災(zāi)檢測(cè)由煙霧傳感器和溫度傳感器組成，兩者均檢測(cè)到信號(hào)則認(rèn)為確有火災(zāi)發(fā)生，這樣可以避免誤報(bào)。而煤氣泄漏檢測(cè)則用MQ-6傳感器作為感應(yīng)器，它對(duì)液化氣、天然氣及城市煤氣有較好的靈敏度，而對(duì)乙醇、煙霧幾乎不響應(yīng)。

　　電源模塊包括內(nèi)部電源和外部電源。內(nèi)部電源包括可充電電池和充電電路，主要任務(wù)是在監(jiān)控狀態(tài)下外部斷電時(shí)供整個(gè)電路正常工作。其充電也是由微控制器控制完成的，在外部電源供電狀態(tài)下，低于下限電平時(shí)自動(dòng)接通充電電路，高于上限電平時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)充電電路。

　　2.2　ZigBee模塊

　　ZigBee是新興的具有自組網(wǎng)功能的Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)，是一種短距離、低復(fù)雜度、低速率、低功耗、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。

　　2.2.1　ZigBee協(xié)議棧

　　ZigBee協(xié)議使用IEEE802.15.4規(guī)范作為介質(zhì)訪問(wèn)層（MAC）和物理層，IEEE802.15.4總共定義了3個(gè)工作頻帶：2.4GHz（），915MHz（美國(guó)）和868MHz（歐洲），以上3種頻帶所提供的數(shù)據(jù)速率分別為250kbps,40kbps和20kbps.完整的ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

　　每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（FFD和RFD）可以支持多達(dá)31個(gè)傳感器和受控設(shè)備，每個(gè)傳感器和受控設(shè)備可以有8種不同的接口方式，可以采集和傳輸數(shù)字量和模擬量。

　　2.2.2　ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置域網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)

　　ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可采用多種類型的網(wǎng)絡(luò)配置。

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用星型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信。星型網(wǎng)絡(luò)配置由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)或多個(gè)終端設(shè)備組成。在星型網(wǎng)絡(luò)中，所有的終端設(shè)備都只與協(xié)調(diào)器通信。

　　根據(jù)系統(tǒng)需求，協(xié)調(diào)器會(huì)在非易失性存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)所有網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)，稱為鄰接表。為了連接到網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)備可能執(zhí)行孤立通知過(guò)程來(lái)查找先前與之關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，或者執(zhí)行關(guān)聯(lián)過(guò)程來(lái)加入一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)。在執(zhí)行孤立通知過(guò)程的情況下，協(xié)調(diào)器將通過(guò)查找其鄰接表來(lái)識(shí)別先前與之關(guān)聯(lián)的終端設(shè)備。

　　2.2.3　ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件電路

　　由于本系統(tǒng)是典型的短距離無(wú)線通信系統(tǒng)，故選用支持ZigBee協(xié)議的CC2430芯片，是一種真正的系統(tǒng)芯片（SoC）CMOS解決方案，這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHzISM波段應(yīng)用對(duì)低成本低功耗的要求。CC2430芯片結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHzDSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器和一顆工業(yè)級(jí)的小巧高效的8051控制器。

　　在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)8位MCU（8051），具有32/64/128KB可編程閃存和8KB的RAM,還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、幾個(gè)定時(shí)器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路以及21個(gè)可編程I/O引腳。

　　本系統(tǒng)采用的收發(fā)頻率為2.4GHz,其典型的硬件應(yīng)用電路如圖4所示。

　　該電路使用一個(gè)非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容C341和電感L341、L321、L331以及一個(gè)PCB微波傳輸線組成。整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸人/輸出匹配電阻（50Ω）的要求。內(nèi)部T/R交換電路完成LNA和PA之間的交換。R221和R261為偏置電阻，電阻R221主要用來(lái)為32MHz的晶振提供一個(gè)合適的工作電流。用一個(gè)32MHz的石英諧振器（XTAL1）和兩個(gè)電容（C191和C221）構(gòu)成一個(gè)32MHz的晶振電路。用一個(gè)32.768KHz的石英諧振器（XTAL2）和兩個(gè)電容（C441和C437）構(gòu)成一個(gè)32.768KHz的晶振電路。電壓調(diào)節(jié)器為所有要求1.8V電壓的引腳和內(nèi)部電源供電。C241和C421電容是去耦合電容，用來(lái)實(shí)現(xiàn)電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。

圖4　典型CC2430應(yīng)用電路

　　2.3　中央控制器

　　本系統(tǒng)選用三星公司的S3C2410,它是一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器，主要面向便攜式和高性價(jià)比及低功耗設(shè)備的應(yīng)用。ARM920T有CP14和CP15二個(gè)內(nèi)部協(xié)處理器，CP14用于調(diào)試控制，CP15用于存儲(chǔ)和測(cè)試控制。S3C2410集成了SDRAM控制器、3個(gè)UART、4個(gè)DMA、4個(gè)具有PWM功能的計(jì)時(shí)器和1個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘、8通道的10位ADC.S3C2410有很多豐富的外部接口，包括IIC總線接口、IIS總線接口、2個(gè)USB主機(jī)接口、1個(gè)USB設(shè)備接口、MMC卡等。

　　S3C2410在時(shí)鐘方面也有突出的特點(diǎn)，集成了1個(gè)具有日歷功能的RTC和具有PLL功能的時(shí)鐘發(fā)生器。具有日歷功能的RTC能提供到秒位的時(shí)間，解決了次聲觀測(cè)系統(tǒng)組成多點(diǎn)陣時(shí)各點(diǎn)的時(shí)間同步問(wèn)題。MPLL產(chǎn)生主時(shí)鐘，使處理器工作頻率達(dá)到203MHz.該工作頻率可使處理器輕松運(yùn)行WinCE、Linux等操作系統(tǒng)以及進(jìn)行較為復(fù)雜的信息處理。

　　2.4　GSM/GPRS模塊

　　GSM/GPRS模塊采用西門子公司的SIM300,中央控制系統(tǒng)通過(guò)串口與之連接實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信，該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，可以連接網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)SIM300接收到主人手機(jī)AT短息命令后會(huì)喚醒中央控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)指令查詢各模塊的狀態(tài)；而當(dāng)中央控制器接收到傳感器的信號(hào)判斷有異常情況時(shí)，也通過(guò)SIM300向主人手機(jī)發(fā)送短消息。

　　3　EIHSS軟件系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)在軟件上移植了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μc/osII.該系統(tǒng)具有易移植、穩(wěn)定性高、裁剪方便和源碼公開(kāi)等優(yōu)點(diǎn)，且可實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的調(diào)度。

　　系統(tǒng)軟件總流程如圖5所示。

　　系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后首先調(diào)用控制器進(jìn)行初始化，然后讀取按鍵值，根據(jù)按鍵值判斷當(dāng)前狀態(tài)。當(dāng)主機(jī)處于設(shè)防狀態(tài)時(shí)，通過(guò)掃描CC2430接收模塊來(lái)查詢各個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況，一旦發(fā)現(xiàn)有異常狀況，系統(tǒng)判斷為何種突發(fā)事件后，立即啟動(dòng)報(bào)警裝置、USB攝像頭，并給預(yù)先設(shè)置好的手機(jī)號(hào)碼發(fā)送短信。

圖5　系統(tǒng)軟件總流程

　　4　結(jié)語(yǔ)

　　本文中介紹的智能家庭安防系統(tǒng)，運(yùn)用ZigBee技術(shù)，搭建出前端信號(hào)采集與后端控制器之間的無(wú)線通信系統(tǒng)，避免了繁瑣的布線；利用ARM技術(shù)和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安防終端的有效控制；GSM/GPRS則為系統(tǒng)預(yù)防和報(bào)警提供了方便快捷的有利條件。可以預(yù)計(jì)，這種無(wú)線的智能系統(tǒng)在未來(lái)家庭安防中將會(huì)得到更多的運(yùn)用，有一定的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。

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