江丹丹，唐煜程，唐冬

（1.廣州大學，廣東廣州510006；2.合肥工業(yè)大學，安徽合肥230009）

一種基于ZigBee及GSM混合網(wǎng)絡的輕智能家居安防系統(tǒng)設計

江丹丹1，唐煜程2，唐冬1

（1.廣州大學，廣東廣州510006；2.合肥工業(yè)大學，安徽合肥230009）

針對傳統(tǒng)智能家居成本高，系統(tǒng)復雜，安裝維護困難，未實現(xiàn)個性化定制等問題，設計了一套基于ZigBee及GSM網(wǎng)絡的輕智能家居安防系統(tǒng)，包括系統(tǒng)整體架構、實現(xiàn)方案以及多樣化遠程監(jiān)控方式。該系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)絡與GSM網(wǎng)絡相結合技術實現(xiàn)了對家居設備進行信息采集、指令控制、遠程監(jiān)控的功能，可廣泛應用于防火防盜、安全監(jiān)控和安防等領域。

輕智能家居；遠程監(jiān)控；ZigBee；GSM

0 引言

傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)普遍存在系統(tǒng)結構復雜、安裝繁瑣、維護成本高等缺點。若讓智能家居產品得到普遍認可，它必須便于安裝、價格低廉、使用方便直觀。輕智能家居是指無需施工部署、功能可自由搭配組合、價格相對便宜、可直接面對最終消費者銷售的產品或系統(tǒng)[1]。輕智能家居系統(tǒng)具有網(wǎng)絡化、易用、安全、輕巧的特點，改變了傳統(tǒng)智能家居的面貌，符合市場需求?；谳p智能家居的要求，本文設計了一種基于ZigBee和GSM混合網(wǎng)絡的輕智能家居安防系統(tǒng)，一方面利用無線ZigBee低功耗、小體積、長壽命的優(yōu)點實現(xiàn)監(jiān)控現(xiàn)場信息的采集和特定事件下的信息傳輸，另一方面利用GSM實現(xiàn)事件信息到用戶的長距離傳輸，使得系統(tǒng)具有安裝布設簡單靈活、功能模塊化、使用簡便直觀和成本較低等特點。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)結構及功能特點

基于ZigBee及GSM網(wǎng)絡的輕智能家居安防系統(tǒng)采用模塊化結構，主要由ZigBee模塊、GSM模塊、PC機控制中心、手機終端四部分組成，系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。本系統(tǒng)采用ZigBee模塊進行傳感器數(shù)據(jù)的收集；PC機作為主控中心，負責傳感器數(shù)據(jù)的顯示，模塊間的通信，家庭安全的監(jiān)控；智能手機作為遠程監(jiān)控的終端。模塊化結構有利于本系統(tǒng)的功能可以根據(jù)用戶的需求進行自由搭配，符合輕智能家居的要求[2]。

系統(tǒng)主要實現(xiàn)了家居安全監(jiān)測防范、危險狀況報警及遠程監(jiān)控功能，可應用于各種家庭、小區(qū)、倉庫、財務重要地點、無人值守機房等的監(jiān)控和報警。本系統(tǒng)運用ZigBee網(wǎng)絡無線組網(wǎng)[3]，部署簡單，符合輕智能家居易于安裝維護的理念。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

1.2 系統(tǒng)工作流程

ZigBee選用CC2530模塊，其中RFD設備為終端節(jié)點，利用溫度傳感器DS18B20、光敏電阻5516、煙霧傳感器和人體紅外傳感器來分別檢測房間溫度、光強、瓦斯氣體值、是否有小偷侵入等情況。具體流程是RFD設備收集傳感器信息，然后將檢測數(shù)據(jù)傳送給FFD設備，F(xiàn)FD設備將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給PC機進行實時顯示和分析。若檢測值超過警戒值，一方面，由PC機將房間傳感器數(shù)值通過GSM模塊發(fā)送給用戶，必要時也可以發(fā)送報警信息至小區(qū)安保處，實現(xiàn)報警功能；另一方面，PC機直接控制ZigBee模塊進行警情處理，如關閉總電閘。另外，用戶可發(fā)送信息至GSM模塊，或者通過互聯(lián)網(wǎng)登錄特定網(wǎng)站進行住宅安全狀態(tài)查詢，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。本系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程圖

2 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡設計

2.1 無線傳感器節(jié)點低功耗設計

針對輕智能家居中對系統(tǒng)低功耗的要求，選擇Zig?Bee構建家庭個域網(wǎng)，IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議構建無線傳感器網(wǎng)絡，ZigBee具有低功耗，網(wǎng)絡容量大，成本低的特點[3]。ZigBee無線收發(fā)模塊硬件選用CC2530，CC2530芯片集成了RF收發(fā)器，增強型8051 CPU，8 KB RAM以及系統(tǒng)內可編程閃存[4]，特點是以極低的總材料成本建立較為健壯的網(wǎng)絡節(jié)點。

本系統(tǒng)采用星型拓撲網(wǎng)絡，所有成員節(jié)點只需與簇頭進行通信，避免了復雜的路由過程，網(wǎng)關節(jié)點利用FFD設備，具有建立和維護網(wǎng)絡，收集數(shù)據(jù)的功能；傳感器節(jié)點采用RFD設備，負責采集傳輸傳感器數(shù)據(jù)，在收到控制器的查詢命令時發(fā)送數(shù)據(jù)，功耗較低，可由電池供電。本系統(tǒng)的設計理念為瘦節(jié)點和胖控制端，無線傳感器節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點只需完成數(shù)據(jù)采集和傳輸功能，而控制、存儲、分析數(shù)據(jù)的功能由系統(tǒng)控制中心完成，這樣可以降低無線傳感器節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點的能量消耗[5]。

2.2 軟件實現(xiàn)

ZigBee模塊的軟件實現(xiàn)主要通過Z?Stack協(xié)議棧。利用Z?Stack協(xié)議棧進行數(shù)據(jù)通信時，可通過以下步驟實現(xiàn)：首先，調用協(xié)議棧提供的組網(wǎng)函數(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡的建立與節(jié)點的加入；然后發(fā)送設備調用協(xié)議棧提供的無線數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，Z?Stack中發(fā)送數(shù)據(jù)通過在應用層調用函數(shù)void SampleApp_SendFlashMes?sage（uint16 flashTime）完成，這個函數(shù)在應用中通過調用afStatus_t AF_DataRequest（afAddrType_t*dstAddr，endPointDesc_t*srcEP，uint16 cID，uint16 len，uint8 *buf，uint8*transID，uint8 options，uint8 radius）函數(shù)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。

ZigBee模塊軟件實現(xiàn)流程圖如圖3所示。

圖3 ZigBee模塊軟件實現(xiàn)流程圖

3 系統(tǒng)控制中心

3.1 通信協(xié)議

以家庭普遍擁有的PC機作為系統(tǒng)控制中心，Zig?Bee模塊與PC主控系統(tǒng)的通信具有通信協(xié)議，通信采用主從式，由PC機發(fā)起請求，ZigBee模塊應答。協(xié)議采用

異步串口通信方式，通信波特率為38 400 b/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位[6]，無校驗位。協(xié)議命令格式包括幀頭，命令字、數(shù)據(jù)、校驗和、幀尾，如表1所示。校驗和為命令字，數(shù)據(jù)之和。首先，PC機向ZigBee模塊發(fā)送握手命令，ZigBee模塊回送握手命令，實現(xiàn)二者聯(lián)機。然后當ZigBee模塊收到上傳命令時，向PC機發(fā)送相應的檢測值，如收到上傳溫度值命令時發(fā)送溫度值。ZigBee與PC機的通信框圖如圖4所示。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

圖4 ZigBee與PC機的通信框圖

3.2 軟件實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用C++語言編寫MFC AppWizard用于顯示ZigBee模塊上傳的溫度，光強，瓦斯氣體等物理量的數(shù)值，并顯示檢測值的動態(tài)數(shù)值變化曲線?；赯igBee及GSM網(wǎng)絡的輕智能安防家居系統(tǒng)結果界面如圖5所示。

圖5 基于ZigBee及GSM網(wǎng)絡的輕智能安防家居系統(tǒng)結果界面

由于GSM/GPRS模塊和ZigBee模塊均連接到PC主控制器，因此PC主控系統(tǒng)軟件編寫涉及到多串口多線程編程，本系統(tǒng)采用CSerialPort類進行多線程多串口通信編程[7]。CSerialPort類屬于第三方的串口通信類[8]，使編程可控性強，拓展性好，易實現(xiàn)多串口通信編程。具體步驟如下：首先，添加兩個CserialPort類對象，分別對應GSM/GPRS模塊串口以及ZigBee模塊串口；然后利用串口初始化函數(shù)m_port.InitPor（t）初始化串口及啟動監(jiān)聽線程，添加串口消息映射機制BEGIN_MES?SAGE_MAP（CmySeralPortView，CView），最后分別處理每個串口發(fā)來的數(shù)據(jù)。PC主控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)流程圖如圖6所示。

圖6 PC主控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)流程圖

4 智能手機遠程監(jiān)控方式

ZigBee網(wǎng)絡范圍僅限于家庭住宅內，用戶如果離開家庭就無法得知家庭狀態(tài)，因此ZigBee網(wǎng)絡必須與其他網(wǎng)絡連接以實現(xiàn)遠程監(jiān)控。遠程監(jiān)控的方式包括GSM網(wǎng)絡、GPRS和Internet網(wǎng)絡三種，如圖7所示。GSM網(wǎng)絡方式是指用戶可以通過手機發(fā)送短信至GSM模塊進行房間實時狀態(tài)查詢。GPRS方式是指通過GPRS傳輸網(wǎng)絡協(xié)議數(shù)據(jù)包。Internet技術以HTTP技術為基礎，利用網(wǎng)絡通信技術[9]，Socket技術及面向對象等技術實現(xiàn)遠程監(jiān)控，例如制作智能安防家居系統(tǒng)網(wǎng)頁，并將房間數(shù)據(jù)上傳至此網(wǎng)頁，用戶在遠程登錄網(wǎng)頁進行數(shù)據(jù)訪問。本系統(tǒng)采用GSM網(wǎng)絡作為遠程通信監(jiān)控的方式，簡單易行，可靠性好，穩(wěn)定性強。

圖7 遠程監(jiān)控方式

5 結語

本文基于ZigBee和GSM網(wǎng)絡，以實現(xiàn)實用、靈活、輕量化和模塊化為設計目標，設計了一套輕智能家居安防檢測控制系統(tǒng)，可實時對火災、非法闖入、煤氣泄露、緊急呼救等應急事件進行監(jiān)控[10]，實現(xiàn)了以移動終端遠程監(jiān)控安全狀態(tài)的功能[11]。本系統(tǒng)結構簡單，可滿足用戶對家庭安防的需求。

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Design of light smart home security system based on ZigBee and GSM hybrid network

JIANG Dan?dan1，TANG Yu?cheng2，TANG Dong1
（1.Guangzhou University，Guangzhou 510006，China；2.Heifei University of Technology，Hefei 230009，China）

Because of the shortcomings of the traditional smart home system like high cost，complexity，difficulties of instal?lation and maintenance，missing of personalized customization and so on，a light smart home security system based on ZigBee and GSM network，including the overall system architecture，implementation scheme and various ways of remote monitoring was designed.The system combines ZigBee network with GSM network to realize the functions of information acquisition，command control and RMON，and can be widely used in fire alarm，guard against theft，security monitoring，security and other fields.

light smart home；RMON；ZigBee；GSM

TN926+.2?34

A

1004?373X（2015）03?0006?03

江丹丹（1991—），女，廣東河源人，在讀研究生。研究方向為無線傳感器、無線通信、無線資源管理。

2014?08?18

廣東省重大科技專項（2012A010800009）；廣州市科技計劃（12C42011656，2014J4100142，2014J4100233）；廣州市教育局科技計劃項目（2012A082）資助

唐冬，廣州大學教授，廣州大學機械與電氣工程學院副院長。研究方向為下一代移動通信系統(tǒng)關鍵技術，MIMO、OFDM，無線資源管理。