ZigBee的智能家居安全監控系統研究

前 言

　　智能家居又稱(chēng)智能住宅，正朝著(zhù)具備無(wú)線(xiàn)遠程控制、多媒體控制、高速數據傳輸等功能的方向發(fā)展，其關(guān)鍵技術(shù)為兼容性強的家庭控制器和滿(mǎn)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(xiàn)技術(shù)，限制了系統的應用場(chǎng)所，而且費用較高。采用無(wú)線(xiàn)方式構建靈活便捷的智能家居安全監控系統，成為當前的研究熱點(diǎn)。

　　目前，應用于智能家居的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)主要包括： Ir2DA紅外線(xiàn)技術(shù)、藍牙技術(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；藍牙技術(shù)則因為網(wǎng)絡(luò )容量有限，成本較高，不適于節點(diǎn)較多的家居網(wǎng)絡(luò )應用。

　　本研究通過(guò)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)，設計智能家居遠程安全監控系統。

　　1 系統架構

　　1. 1 ZigBee網(wǎng)絡(luò )拓撲選型

　　ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制和遠程控制領(lǐng)域。IEEE802. 15. 4 是ZigBee技術(shù)的基礎，與高速率個(gè)人區域網(wǎng)、藍牙或802. 11x無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)相比，ZigBee協(xié)議更為簡(jiǎn)單實(shí)用。

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構主要有3種：星型、樹(shù)狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )容錯能力高、自適應力好、傳輸距離長(cháng)，但其復雜度也最高；星型網(wǎng)絡(luò )具有簡(jiǎn)潔和低功耗等特點(diǎn)，使用簡(jiǎn)單，適用于家庭的小規模、低復雜度的應用；樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )則介于兩者之間。在智能家居中應用星型網(wǎng)絡(luò )，可獲得較高的性?xún)r(jià)比。

　　1. 2 系統構成

　　本系統采用模塊化設計方案。以嵌入式系統主板為核心，通過(guò)CMOS攝像頭對關(guān)鍵部位進(jìn)行安全監測，通過(guò)手機傳遞安全信息和圖像彩信，并對家用電器進(jìn)行遠程控制，利用ZigBee模塊實(shí)現家用電器、系統主板和煙霧、溫度、煤氣等傳感器的無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。

　　系統主板的核心控制器為S3C44B0X型32位微控制器，對數據進(jìn)行處理和判別，并通過(guò)彩信模塊和Zig2Bee模塊發(fā)出信息和指令；擴展板用以接入煙霧、紅外、煤氣等家庭安防狀態(tài)傳感器；彩信模塊將系統控制器所發(fā)出的家庭安防狀態(tài)信息發(fā)送至用戶(hù)手機，并接收用戶(hù)發(fā)送的短信指令； ZigBee模塊負責系統主板、擴展板和家用電器之間的數據交聯(lián)。系統結構如圖1所示。 

　　圖1 基于ZigBee的智能家居安全監控系統

　　2 系統硬件設計

　　2. 1 串口攝像機

　　串口攝像機采用了優(yōu)化的串行通訊協(xié)議，支持分包傳輸，使主機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(guò)串行通信實(shí)現與主機之間的指令和數據的傳輸，主機可對其進(jìn)行波特率、圖像分辨率、發(fā)送方式等狀態(tài)參數的設定。

　　2. 2 彩信模塊設計

　　彩信模塊內置彩信協(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(guò)RS232接口進(jìn)行控制命令和數據的傳輸。其內部集成600 KB 的Flash存儲空間，可供發(fā)送MMS信息時(shí)實(shí)現圖片的多張上傳。

　　2. 3 系統控制器

　　本系統采用32位R ISC處理器S3C44B0X,具有豐富的功能和外設，包括： 8 KB Cache、內部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(mǎn)足系統的需要，并且在同類(lèi)產(chǎn)品中的性?xún)r(jià)比也是較高的。

　　2. 4 ZigBee收發(fā)器件

　　本系統采用CC2430芯片作為ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊。CC2430整合了ZigBee射頻（RF）前端、內存和微控制器。

　　CC2430集成了符合IEEE802. 15. 4 標準的2. 4GHz的RF無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機，支持數字化的RSSI/LQ I,具有CSMA /CA功能和強大的DMA功能、電池監測和溫度感測功能，同時(shí)具有強大和靈活的開(kāi)發(fā)工具。

　　2. 5 系統硬件接口設計

　　ZigBee模塊通過(guò)RS232 接口與系統主板通過(guò)串口進(jìn)行通信； ZigBee模塊之間以無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的形式進(jìn)行數據傳輸，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(guò)繼電器控制家用電器的開(kāi)關(guān)運行。系統硬件的接口設計與連接如圖2所示。 

　　圖2 系統硬件接口設計 

　　串口攝像機和彩信模塊使用RS232 接口與S3C44B0X處理器進(jìn)行數據和指令的傳輸。 

　3 系統軟件設計

　　整個(gè)系統軟件開(kāi)發(fā)采用模塊化設計方案，具體可分為3個(gè)部分： ZigBee無(wú)線(xiàn)收發(fā)、彩信及短信收發(fā)和圖像采集處理。

　　3. 1 ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的應用

　　無(wú)線(xiàn)通信的軟件設計主要包括：系統異常報警信號的傳輸和接收、ARM處理器和ZigBee模塊之間以及各ZigBee模塊之間的數據傳輸控制等， ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊軟件流程圖如圖3所示。其中，根據在網(wǎng)絡(luò )中所處的層次，將ZigBee模塊設定為3個(gè)運行模式：

　　模式1.與系統主板相連。用來(lái)接收其他ZigBee模塊發(fā)送的報警信息和將主板給出的控制信息發(fā)送給其他ZigBee模塊，是主板與外部設備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信的核心樞紐。

　　模式2.通過(guò)繼電器與家用電器相連，置于接收狀態(tài)。當接收到其他ZigBee模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的控制指令時(shí)，控制家電執行相應的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

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

　　模塊的模式可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行設定。不同模式的模塊負責各層間數據和指令的傳輸，構成了家庭安防局域網(wǎng)。 

　　圖3 無(wú)線(xiàn)通信模塊的軟件流程

　　3. 2 彩信及短信的收發(fā)實(shí)現

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

　　Xmodem協(xié)議的開(kāi)始標志是文件接收方發(fā)出"NAK"字節，文件發(fā)送方在收到該信號后發(fā)送數據幀，雙方開(kāi)始正常通信過(guò)程�；赬modem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

　　本系統能夠通過(guò)圖像方式，對外人入侵、火災等室內異常情況進(jìn)行自動(dòng)判別。其智能性主要體現在：系統軟件能夠對環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行自學(xué)，從而能適應背景環(huán)境的變化；對于臨界狀態(tài)，能夠自動(dòng)啟動(dòng)狀態(tài)跟蹤監控，通過(guò)多幅圖片獲得準確的判斷結果。以背景差分法和幀間差分法為基礎，采用了動(dòng)靜閾值結合法。整個(gè)目標的檢測過(guò)程主要包括：圖像預處理；量化函數運動(dòng)檢測（或小目標運動(dòng)跟蹤檢測） ; 異常情況判別及處理。

　　當系統接收到攝像機傳送的新圖像后，首先進(jìn)行預處理和去噪，以得到可以量化物體運動(dòng)或異常區域的二值圖像；然后進(jìn)行異常狀態(tài)分析與判斷。系統采用兩種異常量化函數：基于全局的位圖處理和抽查檢測處理。然后，根據異常量化函數指標進(jìn)行特定的后續操作。若需進(jìn)入異常報警處理程序，則傳送報警信號，發(fā)送MMS信息，并存儲當前視頻等；若需進(jìn)入臨界異常跟蹤，則啟動(dòng)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控圖像。

　　4 系統測試及實(shí)驗數據分析

　　本系統采用運動(dòng)目標檢測算法，實(shí)現對監視對象的圖像處理與異常判斷，占背景面積8‰的小目標都能被系統識別。系統有效消除了因環(huán)境光線(xiàn)變化、背景微變、小目標漸進(jìn)運動(dòng)等因素引起的系統誤判。采用本系統軟、硬件進(jìn)行入侵事件檢測，其實(shí)驗圖片及檢測效果如圖5所示。 

　　圖5 入侵事件跟蹤檢測效果

　　為驗證ZigBee通信在智能家居安全監控系統中的性能，測試了兩組性能指標： ①無(wú)障礙狀態(tài)下，隨著(zhù)距離的增加，數據丟包率、接收功率和自由空間衰減的變化情況； ②數據傳輸距離為30 m時(shí)，隨著(zhù)障礙物增加而產(chǎn)生的丟包率；實(shí)驗數據分別如表1、表2所示。

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

　　RSSI_VAL中，其與接收功率的對應關(guān)系如下：

　　P =RSSI_VAL +RSSI_OFFSET[ dBm ].

　　其中， RSSI_OFFSET是經(jīng)驗取值，約為- 45 dB.

　　表1 無(wú)障礙物時(shí)的測試數據 

　　表2 存在障礙時(shí)的30 m距離測試數據 

　　實(shí)驗結果表明，在無(wú)障礙物傳輸距離為80 m以?xún)葧r(shí)，傳輸數據的丟包率低于1%,能夠充分滿(mǎn)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(guò)2堵水泥墻的丟包率僅為1% ,穿過(guò)1堵水泥墻時(shí)丟包率為0% ,完全能夠滿(mǎn)足系統設計的要求。

　　5 結束語(yǔ)

　　本研究提出并設計完成一種基于ZigBee的智能家居安全監控系統，分別從系統功能介紹、硬件設計、軟件設計、實(shí)驗數據分析等方面分析了ZigBee技術(shù)在該系統中的應用。將ZigBee技術(shù)應用于智能家居中，實(shí)現了快速率、低成本、低功耗的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信。通過(guò)將傳統傳感器報警系統和圖像監控系統相結合，形成了新型的智能安防系統。用戶(hù)可以通過(guò)手機或PC機接收MMS信息，根據需要進(jìn)行遠程手機設定，從而實(shí)現靈活、便捷的家庭安全監控。

ZigBee的智能家居安全監控系統研究