隨著現(xiàn)代家居生活的不斷改善，人們對財產(chǎn)、人身安全的要求也越來越高。安防系統(tǒng)不再只局限于防盜，而且要能做到防劫、防火，并即時了解和解決家中突發(fā)事件，實現(xiàn)家庭安全系統(tǒng)的智能化。現(xiàn)在市場上出現(xiàn)的安防系統(tǒng)，不是容易引起誤報，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。

　　針對現(xiàn)代家庭安防的要求和當前市場上類似產(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：

　　①完善的防盜系統(tǒng)，實現(xiàn)門、窗、陽臺等地方的監(jiān)控和報警，力爭做到零誤報；

　?、趯崿F(xiàn)家中火災早期的監(jiān)測和煤氣泄漏等突發(fā)事件的檢測；

　?、蹖崿F(xiàn)家庭安全狀況遠程實時監(jiān)測和查詢；

　?、芫哂鞋F(xiàn)場圖像抓拍功能，在設防狀態(tài)下，當紅外傳感器或者門磁觸發(fā)告警時，系統(tǒng)將啟動USB攝像頭對現(xiàn)場進行拍攝。

　　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）和后端（主服務器）2部分組成，前端有傳感器檢測、信號處理、無線發(fā)送，后端有無線接收、中央處理及外圍電路等。前端和后端通過ZigBee網(wǎng)絡無線連接。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)后端有2個功能按鍵，分別為設防鍵和撤防鍵。主人在出門時按下設防鍵，再通過手機短信方式由GPRS通知主機進入工作狀態(tài)；當主人回家時再通過短信通知主機進入待機狀態(tài)，待主人進入家中時則按下撤防鍵，主機停止工作。

　　每個傳感器加上信號處理以及CC2430收發(fā)模塊組成一個ZigBee節(jié)點，分配有不同的地址，節(jié)點通過ZigBee無線網(wǎng)絡與主服務器ARM9模塊通信，主機根據(jù)地址判斷信號是來自哪個節(jié)點，然后通過軟件判斷是有非法人員進入還是有火災隱患或是有煤氣泄漏，無論哪種突發(fā)狀況發(fā)生，主機都會啟動USB攝像頭對現(xiàn)場圖像抓拍，通過GPRS網(wǎng)絡通知主人或物管中心，并驅(qū)動報警裝置進行報警，同時用以太網(wǎng)接入小區(qū)的局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡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無線收發(fā)模塊，電源及復位模塊，以太網(wǎng)網(wǎng)絡模塊，USB攝像頭、功能按鍵、報警模塊，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個部分：防盜、火災檢測和煤氣泄漏檢測。防盜部分由振動傳感器、門磁窗磁傳感器、熱釋電紅外傳感器組成。把振動傳感器安裝在入戶門上的隱蔽處，當它檢測到門上有振動，如果振動持續(xù)超過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，當門被打開超過2cm時傳感器會有信號輸出。通過這2個傳感器相結(jié)合來判斷是否有人非法進入，消除誤報。另外，熱釋電紅外傳感器能感應到物體在室內(nèi)的移動[3].對于窗、陽臺等其他地方的防盜原理跟入戶門防盜相似。

　　火災檢測由煙霧傳感器和溫度傳感器組成，兩者均檢測到信號則認為確有火災發(fā)生，這樣可以避免誤報。而煤氣泄漏檢測則用MQ-6傳感器作為感應器，它對液化氣、天然氣及城市煤氣有較好的靈敏度，而對乙醇、煙霧幾乎不響應。

　　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，主要任務是在監(jiān)控狀態(tài)下外部斷電時供整個電路正常工作。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，低于下限電平時自動接通充電電路，高于上限電平時自動斷開充電電路。

　　2.2　ZigBee模塊

　　ZigBee是新興的具有自組網(wǎng)功能的Ad-Hoc網(wǎng)絡，是一種短距離、低復雜度、低速率、低功耗、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適用于自動控制和遠程控制領(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)訪問層（MAC）和物理層，IEEE802.15.4總共定義了3個工作頻帶：2.4GHz（），915MHz（美國）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ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點（FFD和RFD）可以支持多達31個傳感器和受控設備，每個傳感器和受控設備可以有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)絡配置域網(wǎng)絡關(guān)聯(lián)

　　ZigBee無線網(wǎng)絡可采用多種類型的網(wǎng)絡配置。

　　本系統(tǒng)設計使用星型網(wǎng)絡實現(xiàn)通信。星型網(wǎng)絡配置由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和一個或多個終端設備組成。在星型網(wǎng)絡中，所有的終端設備都只與協(xié)調(diào)器通信。

　　根據(jù)系統(tǒng)需求，協(xié)調(diào)器會在非易失性存儲器中存儲所有網(wǎng)絡關(guān)聯(lián)，稱為鄰接表。為了連接到網(wǎng)絡，終端設備可能執(zhí)行孤立通知過程來查找先前與之關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡，或者執(zhí)行關(guān)聯(lián)過程來加入一個新網(wǎng)絡。在執(zhí)行孤立通知過程的情況下，協(xié)調(diào)器將通過查找其鄰接表來識別先前與之關(guān)聯(lián)的終端設備。

　　2.2.3　ZigBee節(jié)點硬件電路

　　由于本系統(tǒng)是典型的短距離無線通信系統(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波段應用對低成本低功耗的要求。CC2430芯片結(jié)合一個高性能2.4GHzDSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)器和一顆工業(yè)級的小巧高效的8051控制器。

　　在單個芯片上整合了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）、幾個定時器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O引腳。

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

　　該電路使用一個非平衡天線，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PCB微波傳輸線組成。整個結(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主要用來為32MHz的晶振提供一個合適的工作電流。用一個32MHz的石英諧振器（XTAL1）和兩個電容（C191和C221）構(gòu)成一個32MHz的晶振電路。用一個32.768KHz的石英諧振器（XTAL2）和兩個電容（C441和C437）構(gòu)成一個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，用來實現(xiàn)電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。

圖4　典型CC2430應用電路

　　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比及低功耗設備的應用。ARM920T有CP14和CP15二個內(nèi)部協(xié)處理器，CP14用于調(diào)試控制，CP15用于存儲和測試控制。S3C2410集成了SDRAM控制器、3個UART、4個DMA、4個具有PWM功能的計時器和1個內(nèi)部時鐘、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USB主機接口、1個USB設備接口、MMC卡等。

　　S3C2410在時鐘方面也有突出的特點，集成了1個具有日歷功能的RTC和具有PLL功能的時鐘發(fā)生器。具有日歷功能的RTC能提供到秒位的時間，解決了次聲觀測系統(tǒng)組成多點陣時各點的時間同步問題。MPLL產(chǎn)生主時鐘，使處理器工作頻率達到203MHz.該工作頻率可使處理器輕松運行WinCE、Linux等操作系統(tǒng)以及進行較為復雜的信息處理。

　　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)通過串口與之連接實現(xiàn)移動通信，該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，可以連接網(wǎng)絡。當SIM300接收到主人手機AT短息命令后會喚醒中央控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)指令查詢各模塊的狀態(tài)；而當中央控制器接收到傳感器的信號判斷有異常情況時，也通過SIM300向主人手機發(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時操作系統(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等優(yōu)點，且可實現(xiàn)多個任務的調(diào)度。

　　系統(tǒng)軟件總流程如圖5所示。

　　系統(tǒng)開機后首先調(diào)用控制器進行初始化，然后讀取按鍵值，根據(jù)按鍵值判斷當前狀態(tài)。當主機處于設防狀態(tài)時，通過掃描CC2430接收模塊來查詢各個節(jié)點的情況，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，立即啟動報警裝置、USB攝像頭，并給預先設置好的手機號碼發(fā)送短信。

圖5　系統(tǒng)軟件總流程

　　4　結(jié)語

　　本文中介紹的智能家庭安防系統(tǒng)，運用ZigBee技術(shù)，搭建出前端信號采集與后端控制器之間的無線通信系統(tǒng)，避免了繁瑣的布線；利用ARM技術(shù)和嵌入式實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)安防終端的有效控制；GSM/GPRS則為系統(tǒng)預防和報警提供了方便快捷的有利條件。可以預計，這種無線的智能系統(tǒng)在未來家庭安防中將會得到更多的運用，有一定的實際運用價值。

參考文獻:

[1]. GPRS datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/GPRS_1594650.html.
[2]. CC2430 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/CC2430_1055132.html.
[3]. L341 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/L341_1970660.html.
[4]. L321 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/L321_996767.html.
[5]. L331 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/L331_1970631.html.
[6]. PCB datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/PCB_1201640.html.
[7]. ARM920T datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/ARM920T_139814.html.
[8]. RISC datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/RISC_1189725.html.
[9]. SIM300 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/SIM300_1135859.html.