基于ZigBee组网的智能家居安防系统

李进山，赵金才，都晓鹏，梁峰



基于ZigBee组网的智能家居安防系统

李进山，赵金才通信作者，都晓鹏，梁峰

（天津农学院 工程技术学院，天津 300384）

利用ZigBee技术实现了智能家居系统内部控制节点的组网，在此基础上，设计了一款智能家居安防系统。采用红外热释电传感器探测是否有人入侵，采用烟雾、燃气等传感器检测室内环境，如烟雾、一氧化碳等参数，通过ZigBee无线组网将各传感器信号汇总于主控制器，主控制器根据控制策略判断是否启动电话报警、开闭窗户等动作，从而实现家庭防盗、防火等安防功能。

ZigBee；智能家居；安防

近年来，随着信息化程度的提高，生活节奏的不断加快，人们对家居智能化有了全新的认识和更多的需求，如外出期间想及时掌握家中老人、孩子的状况；长期在外时想知道自己家中是否安全等。随着科技的迅速发展以及智能家居概念的兴起，这些功能正被逐步实现。近年来，市场上不断出现各种类型的智能家居设备，但大都价格昂贵，并且多采用WiFi建立无线局域网传输信息，不仅功耗大、抗干扰能力差，而且安全性差；而采用ZigBee技术，功耗小、安全可靠，并且经济实惠、体积小、使用电池就可长时间工作，由于这些优势，ZigBee技术日益受到人们的青睐和关注。本文应用ZigBee技术对家庭内部电器、多点烟雾监测以及入侵监测等进行了无线网络的组建，实现了智能家居系统的安防功能。

1 系统组成

系统主要包括单片机、ZigBee模块（协调器和终端模块）、控制电源模块、GSM模块、LCD显示模块、一氧化碳传感器、烟雾、红外热释电等传感器模块，整个系统组成框图如图1所示。

ZigBee终端是将ZigBee终端模块嵌入到家电控制器中并具有ZigBee协议的模块。本系统中ZigBee终端模块包括家电开关模块、各传感器模块，终端执行模块几种类型。ZigBee终端各节点与协调器通讯，协调器再与单片机进行信息交流，完成数据采集和控制信息的接收和发送。终端节点有一氧化碳传感器、烟雾传感器、红外热释电传感器和智能插座。以此对家庭进行实时监测和防火、防盗。

2 硬件设计

ZigBee协调器与单片机的通讯、家庭内部各节点的ZigBee无线组网是本系统设计的核心，经过查阅大量的资料和参考文献[1-3]相关知识，对ZigBee无线组网技术的硬件和原理进行了深入研究和设计。

2.1 单片机的选型

本系统中ZigBee模块和GSM模块都是串行通讯方式，为了满足系统的硬件需求选用STC15F2K60S2单片机作为主控机。该型号单片机是一种增强型8051单片机，工作电压为5 V，有两个独立的全双工异步串行通讯口，并且处理速度是传统8051单片机的8～12倍。60 K的程序存储空间，提供了足够大的存储空间和扩展空间，1～53 KB的Flash数据存储器（EEPROM），有42根输入输出（I/O口）线，提供了更多的 I/O口资源，满足了与外围设备连接和扩展资源的要求。

2.2 ZigBee模块

ZigBee技术[4]是一种低功耗、低成本、短距离无线网络技术，遵循IEEE802.15.4标准。专注于低速率控制传输，具有延时短、网络容量大、安全可靠等优势。较强的网络扩充性，通讯频率采用2.4 GHz频段，有效覆盖面积在200 m以内，完全满足普通家庭的使用需求。

本系统选用的ZigBee模块是以主芯片CC2530为核心，以串口方式（P0.2是RX，P0.3是TX）通讯的集成模块。CC2530芯片使用的是一个单周期8051兼容内核微处理器，具有代码预取功能、低功耗、抗干扰能力强等优越性能，工作电压为2.0～3.7 V。单片机与ZigBee通过串口通信，只需要将单片机串口与CC2530串口反接即可。

2.2.1 ZigBee协调器

本系统以ZigBee协调器为核心组建家庭内部节点的无线网络[5]，其功能有以下几点：①协调器通过串口与主控中心之间进行信息交换；②建立和维护整个ZigBee网络，检测并纠正网络错误；③负责主控中心单片机与ZigBee终端模块的通讯，把主控中心的命令发送给终端模块以及将终端模块的信息回传给主控中心。

2.2.2 ZigBee 终端设备开关电路

开关电路采用ZigBee智能开关控制终端设备[6]。ZigBee终端模块连接用电器的开关驱动电路，通过电源开关输出端口的高低电平来驱动继电器的动作，进而控制用电器的启闭，电路原理如图2所示。其中L、N输入端为220 V的交流电输入端口，其另一端L，N为220 V交流输出端。当电源端口输出高电平时，三极管Q1导通，继电器吸合，用电器接通。当输出低电平时，三极管Q1关断，继电器断开，用电器电路关闭。

图2 设备驱动开关电路

2.3 ZigBee终端模块传感器

2.3.1 一氧化碳传感器

本文采用MQ-9一氧化碳气体传感器监测煤气泄漏。MQ-9气体传感器采用高低温循环检测方式，低温（1.5 V加热）检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温（5.0 V加热）检测可燃气体甲烷、丙烷并清洗低温时吸附的杂散气体。使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-9气体传感器对一氧化碳、甲烷、液化气的灵敏度极高，可检测多种含一氧化碳及可燃性成分的气体，而且价格便宜，功耗较低。

MQ-9传感器是一款电压型传感器。通过搭建外围电路引出模拟电压输出端、TTL电平输出端、VCC、GND。将模拟电压输出端与CC2530的P1.3引脚相连即可，工作电压为5 V，电路如图3所示。

图3 一氧化碳传感器电路图

2.3.2 烟雾传感器

MQ-2是一款电压型传感器，有4个引脚VCC、GND、TTL电平输出端、模拟电压输出端；将模拟电压输出端与CC2530的P1.4引脚相连即可。选用MQ-2电压型烟雾检测传感器，其工作电压5 V，开关信号TTL输出和模拟信号输出，可检测多种可燃性气体，是一款多种应用、高灵敏度、低成本、小体积的传感器，其工作原理与MQ-9类似。

2.3.3 防盗传感器

防盗传感器选用深圳育松公司生产的RE200B-P人体红外热释电传感器。该传感器能将灯光、阳光以及其他红外辐射拒之门外，防止小动物干扰、抗电磁干扰、误报率低，检测距离在6 m左右。此外该传感器具有检测角度大、灵敏度高、响应速度快、功耗低、隐蔽性强，并且不受周围环境干扰等特点。RE200B-P传感器只有3个引脚VCC、GND、OUT，把OUT引脚与ZigBee终端模块的P1.2引脚连接即可使用，硬件电路连接简单。

3 电话报警模块

电话报警采用SIM900A成品GSM模块，能够实现短信收发与语音通信功能。通过高速异步串行接口与单片机相连，单片机通过RS232串口与GSM模块通信，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能。模块的TXD与单片机的RXD（P3.7）相连，RXD与单片机TXD（P3.6）相连。

4 系统软件设计

系统利用ZigBee建立家庭内部无线组网，实现协调器与终端设备的通讯。利用GSM模块实现报警功能，通过协调器把节点信息、事故情况传送并保存到单片机，单片机通过GSM模块发送给户主。系统由单片机、ZigBee模块、热释电红外检测、烟雾检测等多节点组成。ZigBee模块使用了TI公司发表的协议栈，它是基于IEEE802.15.4b的C语言开放式标准协议栈，使用简单方便。本系统控制流程图如图4所示。ZigBee终端设备传感器实时监控家庭状况，ZigBee终端处于间断休眠模式，每隔设定的时间，协调器发送命令给终端，终端将采集到的信息回传给协调器进行分析，如果数据超出阈值，协调器发送命令控制终端的执行设备并把信息回传给单片机。例如当烟雾传感器检测到烟雾出现时，终端将烟雾值回传给协调器，协调器分析烟雾浓度是否大于设定的阈值，若大于阈值则直接控制终端设备（喷水头的电磁阀）并把信息传给单片机发送短信或打电话通知用户。

图4 系统程序流程图

5 系统实物验证

本系统的实物如图5所示，终端1和终端2连接各自的传感器，终端3连接继电器通过继电器控制电磁阀。为了验证系统的功能，在系统上电后，人体接近终端2红外热释电传感器的探测范围，系统检测出人员入侵并通过短信方式给设定号码进行报警，如图6所示。

图5 智能家居安防系统实物图

6 结束语

本文基于ZigBee技术实现了智能家居的无线组网，采用STC15F2K60S2单片机、ZigBee模块、GSM模块以及多种传感器，实现了煤气、烟雾等参数的实时监测，并根据ZigBee终端信息自动控制相关用电设备；为了防止家庭财物被盗，利用人体红外热释电传感器实现家居入侵的监测及报警功能。本系统基于ZigBee技术组建无线网络，具备节能、可靠、安全、低成本、覆盖面积大等优点，同时方便增加新节点，可扩充性强。本研究内容对于智能化家居设备及系统的研发具有较强的借鉴意义。

[1] 胡静. 基于ZigBee和GSM技术的智能家居系统设计与研究[D]. 宁波：宁波大学，2013.

[2] 张亮. 基于ZigBee技术的智能家居环境监测系统[D]. 武汉：武汉科技大学，2009.

[3] 王娟. 基于ZigBee无线传感网络的智能家居系统设计与实现[D]. 抚州：东华理工大学，2013.

[4] 戴敏，王宜怀，潘启勇. 基于ZigBee技术的智能家居系统的设计[J]. 计算机测量与控制，2013，21（3）：706-710.

[5] 俞之俊，凌志浩. 一种物联网智能家居系统设计的研究[J]. 自动化仪表，2011（8）：56-59.

[6] 杨祥，张远翼. 基于ZigBee的智能家庭系统控制终端设计[J]. 微计算机信息，2009，25（1/3）：126-128.

责任编辑：杨霞

Smart Home Security System Based on ZigBee Networking

LI Jin-shan, ZHAO Jin-caiCorresponding Author, DU Xiao-peng, LIANG Feng

（College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

Using ZigBee technology, the network of internal control node was achieved in smart home system. On this basis, a smart home security system was designed. The infrared hydroelectric sensor was used to detect whether there is a human intrusion. The smoke and gas sensor was used to detect the indoor environment, such as smoke, carbon monoxide and other parameters. Through the ZigBee wireless network, the signals of each sensor in this system were gathered into the main controller. According to the control strategy, the control decision was made by main controller, such as whether to activate the phone alarm, opening and closing windows and other actions. In this way, the anti-theft and fire prevention functions of smart home were achieved.

ZigBee; smart home; security

1008-5394（2017）01-0066-03

TH89；TP368.2

A

2016-03-20

天津市大学生创新创业训练计划项目“基于ZigBee与APP技术的智能家居监控系统”（201510061083）

李进山（1992-），男，宁夏中卫人，本科在读，主要从事测控技术与仪器方面的研究。E-mail：787327686@qq.com。

赵金才（1976-），男，河北冀州人，副教授，博士，主要从事检测与控制方向研究。E-mail：jcz602@163.com。