基于ZigBee的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對家庭安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提出了智能家居遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)和GSM /GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠通過彩信和短信發(fā)出監(jiān)控圖像和報(bào)警信息，接收遠(yuǎn)程指令；同時(shí)引入了多種傳感器，實(shí)現(xiàn)了對家用電器的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)了智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控。重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的性能測試，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)監(jiān)控裝置的無線聯(lián)網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)安全、便捷的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控，并具有較高的可用性和可靠性。

0 前 言

智能家居又稱智能住宅，正朝著具備無線遠(yuǎn)程控制、多媒體控制、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ艿姆较虬l(fā)展，其關(guān)鍵技術(shù)為兼容性強(qiáng)的家庭控制器和滿足信息傳輸需要的家庭網(wǎng)絡(luò)。目前，傳輸網(wǎng)絡(luò)多采用綜合布線技術(shù)，限制了系統(tǒng)的應(yīng)用場所，而且費(fèi)用較高。采用無線方式構(gòu)建靈活便捷的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

目前，應(yīng)用于智能家居的無線通信技術(shù)主要包括： Ir2DA紅外線技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)和ZigBee技術(shù)等。IrDA屬于短距離、點(diǎn)對點(diǎn)的半雙工通信方式，使用不便且失誤率高，不適用于家庭的組網(wǎng)方式；藍(lán)牙技術(shù)則因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)容量有限，成本較高，不適于節(jié)點(diǎn)較多的家居網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

本研究通過采用傳輸范圍適中、安全可靠、網(wǎng)絡(luò)容量較大的ZigBee技術(shù)，設(shè)計(jì)智能家居遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1. 1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x型

ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、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(yuǎn)程控制領(lǐng)域。IEEE802. 15. 4 是ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)，與高速率個(gè)人區(qū)域網(wǎng)、藍(lán)牙或802. 11x無線局域網(wǎng)相比，ZigBee協(xié)議更為簡單實(shí)用。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有3種：星型、樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力高、自適應(yīng)力好、傳輸距離長，但其復(fù)雜度也最高；星型網(wǎng)絡(luò)具有簡潔和低功耗等特點(diǎn)，使用簡單，適用于家庭的小規(guī)模、低復(fù)雜度的應(yīng)用；樹狀網(wǎng)絡(luò)則介于兩者之間。在智能家居中應(yīng)用星型網(wǎng)絡(luò)，可獲得較高的性價(jià)比。

1. 2 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案。以嵌入式系統(tǒng)主板為核心，通過CMOS攝像頭對關(guān)鍵部位進(jìn)行安全監(jiān)測，通過手機(jī)傳遞安全信息和圖像彩信，并對家用電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，利用ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)家用電器、系統(tǒng)主板和煙霧、溫度、煤氣等傳感器的無線聯(lián)網(wǎng)。

系統(tǒng)主板的核心控制器為S3C44B0X型32位微控制器，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判別，并通過彩信模塊和Zig2Bee模塊發(fā)出信息和指令；擴(kuò)展板用以接入煙霧、紅外、煤氣等家庭安防狀態(tài)傳感器；彩信模塊將系統(tǒng)控制器所發(fā)出的家庭安防狀態(tài)信息發(fā)送至用戶手機(jī)，并接收用戶發(fā)送的短信指令； ZigBee模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)主板、擴(kuò)展板和家用電器之間的數(shù)據(jù)交聯(lián)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于ZigBee的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2. 1 串口攝像機(jī)

串口攝像機(jī)采用了優(yōu)化的串行通訊協(xié)議，支持分包傳輸，使主機(jī)可以配置更小的緩存，同時(shí)提供了TTL電平和RS232 電平兩種輸出。通過串行通信實(shí)現(xiàn)與主機(jī)之間的指令和數(shù)據(jù)的傳輸，主機(jī)可對其進(jìn)行波特率、圖像分辨率、發(fā)送方式等狀態(tài)參數(shù)的設(shè)定。

2. 2 彩信模塊設(shè)計(jì)

彩信模塊內(nèi)置彩信協(xié)議，是集SMS、MMS于一體的GSM /GPRS模塊。它采用AT指令進(jìn)行模塊控制，通過RS232接口進(jìn)行控制命令和數(shù)據(jù)的傳輸。其內(nèi)部集成600 KB 的Flash存儲空間，可供發(fā)送MMS信息時(shí)實(shí)現(xiàn)圖片的多張上傳。

2. 3 系統(tǒng)控制器

本系統(tǒng)采用32位R ISC處理器S3C44B0X,具有豐富的功能和外設(shè)，包括： 8 KB Cache、內(nèi)部SRAM、LCD控制器、2通道UART、4通道DMA、帶有PWM功能的5通道定時(shí)器等。該處理器在各方面的性能均能滿足系統(tǒng)的需要，并且在同類產(chǎn)品中的性價(jià)比也是較高的。

2. 4 ZigBee收發(fā)器件

本系統(tǒng)采用CC2430芯片作為ZigBee無線通信模塊。CC2430整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。

CC2430集成了符合IEEE802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)的2. 4GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)，支持?jǐn)?shù)字化的RSSI/LQ I,具有CSMA /CA功能和強(qiáng)大的DMA功能、電池監(jiān)測和溫度感測功能，同時(shí)具有強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。

2. 5 系統(tǒng)硬件接口設(shè)計(jì)

ZigBee模塊通過RS232 接口與系統(tǒng)主板通過串口進(jìn)行通信； ZigBee模塊之間以無線網(wǎng)絡(luò)的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其中與傳感器相連的ZigBee模塊利用其普通I/O端口作為傳感器信號的接收端口；與家用電器相聯(lián)的ZigBee模塊通過繼電器控制家用電器的開關(guān)運(yùn)行。系統(tǒng)硬件的接口設(shè)計(jì)與連接如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件接口設(shè)計(jì)

串口攝像機(jī)和彩信模塊使用RS232 接口與S3C44B0X處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件開發(fā)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，具體可分為3個(gè)部分： ZigBee無線收發(fā)、彩信及短信收發(fā)和圖像采集處理。

3. 1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

無線通信的軟件設(shè)計(jì)主要包括：系統(tǒng)異常報(bào)警信號的傳輸和接收、ARM處理器和ZigBee模塊之間以及各ZigBee模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸控制等， ZigBee無線通信模塊軟件流程圖如圖3所示。其中，根據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中所處的層次，將ZigBee模塊設(shè)定為3個(gè)運(yùn)行模式：

模式1.與系統(tǒng)主板相連。用來接收其他ZigBee模塊發(fā)送的報(bào)警信息和將主板給出的控制信息發(fā)送給其他ZigBee模塊，是主板與外部設(shè)備進(jìn)行無線通信的核心樞紐。

模式2.通過繼電器與家用電器相連，置于接收狀態(tài)。當(dāng)接收到其他ZigBee模塊發(fā)送過來的控制指令時(shí)，控制家電執(zhí)行相應(yīng)的開關(guān)動作。

模式3.通過繼電器與傳感器相連，置于發(fā)送狀態(tài)。當(dāng)ZigBee模塊接收到傳感器的報(bào)警信號時(shí)，將報(bào)警信號發(fā)送給其他ZigBee模塊。

模塊的模式可通過撥碼開關(guān)進(jìn)行設(shè)定。不同模式的模塊負(fù)責(zé)各層間數(shù)據(jù)和指令的傳輸，構(gòu)成了家庭安防局域網(wǎng)。

圖3 無線通信模塊的軟件流程

3. 2 彩信及短信的收發(fā)實(shí)現(xiàn)

彩信模塊可實(shí)現(xiàn)SMS和MMS的收發(fā)功能，通過AT指令進(jìn)行控制。首先要進(jìn)行模塊初始化配置，如設(shè)置接入點(diǎn)、IP設(shè)定、設(shè)置MMS通信模式、設(shè)置服務(wù)器網(wǎng)址等。

Xmodem協(xié)議的開始標(biāo)志是文件接收方發(fā)出NAK字節(jié)，文件發(fā)送方在收到該信號后發(fā)送數(shù)據(jù)幀，雙方開始正常通信過程。基于Xmodem協(xié)議上傳圖片的流程如圖4所示。

圖4　發(fā)送文件流程

3. 3 異常狀態(tài)檢測

本系統(tǒng)能夠通過圖像方式，對外人入侵、火災(zāi)等室內(nèi)異常情況進(jìn)行自動判別。其智能性主要體現(xiàn)在：系統(tǒng)軟件能夠?qū)Νh(huán)境狀態(tài)進(jìn)行自學(xué)，從而能適應(yīng)背景環(huán)境的變化；對于臨界狀態(tài)，能夠自動啟動狀態(tài)跟蹤監(jiān)控，通過多幅圖片獲得準(zhǔn)確的判斷結(jié)果。以背景差分法和幀間差分法為基礎(chǔ)，采用了動靜閾值結(jié)合法。整個(gè)目標(biāo)的檢測過程主要包括：圖像預(yù)處理；量化函數(shù)運(yùn)動檢測（或小目標(biāo)運(yùn)動跟蹤檢測） ; 異常情況判別及處理。

當(dāng)系統(tǒng)接收到攝像機(jī)傳送的新圖像后，首先進(jìn)行預(yù)處理和去噪，以得到可以量化物體運(yùn)動或異常區(qū)域的二值圖像；然后進(jìn)行異常狀態(tài)分析與判斷。系統(tǒng)采用兩種異常量化函數(shù)：基于全局的位圖處理和抽查檢測處理。然后，根據(jù)異常量化函數(shù)指標(biāo)進(jìn)行特定的后續(xù)操作。若需進(jìn)入異常報(bào)警處理程序，則傳送報(bào)警信號，發(fā)送MMS信息，并存儲當(dāng)前視頻等；若需進(jìn)入臨界異常跟蹤，則啟動臨界異常跟蹤程序；否則進(jìn)行背景更換判定并等待獲取下一幅監(jiān)控圖像。

4 系統(tǒng)測試及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本系統(tǒng)采用運(yùn)動目標(biāo)檢測算法，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)視對象的圖像處理與異常判斷，占背景面積8‰的小目標(biāo)都能被系統(tǒng)識別。系統(tǒng)有效消除了因環(huán)境光線變化、背景微變、小目標(biāo)漸進(jìn)運(yùn)動等因素引起的系統(tǒng)誤判。采用本系統(tǒng)軟、硬件進(jìn)行入侵事件檢測，其實(shí)驗(yàn)圖片及檢測效果如圖5所示。

圖5 入侵事件跟蹤檢測效果

為驗(yàn)證ZigBee通信在智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)中的性能，測試了兩組性能指標(biāo)：
①無障礙狀態(tài)下，隨著距離的增加，數(shù)據(jù)丟包率、接收功率和自由空間衰減的變化情況；
②數(shù)據(jù)傳輸距離為30 m時(shí)，隨著障礙物增加而產(chǎn)生的丟包率；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如表1、表2所示。

接收功率根據(jù)CC2430芯片內(nèi)建的RSSI （接收信號強(qiáng)度指示） 測得， RSSI的值存放在寄存器RSSIL.

RSSI_VAL中，其與接收功率的對應(yīng)關(guān)系如下：
P =RSSI_VAL +RSSI_OFFSET[ dBm ].
其中， RSSI_OFFSET是經(jīng)驗(yàn)取值，約為- 45 dB.

表1 無障礙物時(shí)的測試數(shù)據(jù)

表2 存在障礙時(shí)的30 m距離測試數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在無障礙物傳輸距離為80 m以內(nèi)時(shí)，傳輸數(shù)據(jù)的丟包率低于1%,能夠充分滿足正常家居環(huán)境的通信需要，而且接收功率很低，非常適合家庭的使用； ZigBee模塊之間通信傳輸距離為30 m時(shí)，穿過2堵水泥墻的丟包率僅為1%，穿過1堵水泥墻時(shí)丟包率為0% ,完全能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

5 結(jié)束語

本研究提出并設(shè)計(jì)完成一種基于ZigBee的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)，分別從系統(tǒng)功能介紹、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析等方面分析了ZigBee技術(shù)在該系統(tǒng)中的應(yīng)用。將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于智能家居中，實(shí)現(xiàn)了快速率、低成本、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)通信。通過將傳統(tǒng)傳感器報(bào)警系統(tǒng)和圖像監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，形成了新型的智能安防系統(tǒng)。用戶可以通過手機(jī)或PC機(jī)接收MMS信息，根據(jù)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程手機(jī)設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)靈活、便捷的家庭安全監(jiān)控。