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1、第 2 3卷 第 2期 V0 1 2 3 No 2 重 庆 工 学 院 学 报(自然科 学)J o u r n a l o f C h o n g q i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y(N a t u r a l S c i e n c e)2 0 0 9年 2月 Fe b2 0 0 9 基 于 Z i g B e e和 A R M 的嵌入式 智能家庭安防系统设计 黄 文龙，徐道连，游颖敏，刘泽奎(重庆大学 光 电技术及系统教育部重点实验室，重庆4 0 0 0 3 0)摘要：在现代家居安防系统设计中，采用 Z i g B e e和
2、A R M相结合，传感器输 出的信号经过处 理由支 持 Z i g B e e 协议 的 C C 2 4 3 0收发模块传输至主机$3 C 2 4 1 0，实现前端 信号与后 端控制器 之间 的无 线 连接；主机根据节点情况判断家中有突发事件 后，通过 G S M G P R S模块短消 息通 知主人或 者物管 中心，同时发出声光报警，并驱动摄像头抓拍现场图像，从 而构成嵌入 式的智能家庭安 防系统 系 统用以太 网接人小 区的局域 网或互联 网，实现家庭 网络 I n t e r n e t 接入，采用 Z i g B e e 和 A R M 9内核的 处理器及 z c o s l I 操作
3、系统 与现有 的安 防系统相 比，具有方便灵活及移植 性好 等特 点 关键词：Z i g B e e；$3 C 2 4 1 0；嵌入式；智能家庭安防系统；G S M G P R S 中图分类号：T P 2 7 1 文献标识码：A 文章编 号：1 6 7 1 0 9 2 4 2 0 0 9)0 2 0 1 5 2 0 5 De s i g n o f Emb e d de d I nt e l l i g e n t Ho me S e c ur i t y S y s t e m Ba s e d o n Zi g Be e a n d ARM HUANG We n l o n g，XU Da
4、 o l i a n，YOU Yi n g mi n，L I U Ze k u i (K e y l a b o r a t o r y o f O p t o e l e c t r o n i c T e c h n o l o g y a n d S y s t e m s o f t h e E d u c a t i o n M i n i s t r y o f C h i n a，C h o n g q i n g U n i v e r s i t y，C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 0，C h i n a)Ab s t r a c t：I n t h
5、e d e s i g n o f mo d e m h o me s e c u r i t y s y s t e m，t h i s p a p e r c o mbi n e s Zi g B e e wi t h ARM T h e p r o c e s s e d s e n s o r s o u t p u t s i g n als g le e t r a n s f e r r e d t o t h e h o s t$3C 2 41 0 b y C C2 4 3 0 t r an s c e i v e r mo d u l e wh i c h i s s u p
6、 p o se d b y t h e Zi g B e e p r o t o c o l；an d i t a c h i e v e s t h e wir e l e s s c o n n e c t i o n b e t we e n t h e f r o n t-e n d s i gn a l s an d b a c k-e n d c o n t r o l l e r Ac c o r d i n g t o t h e n o d e ss i g n als，t h e h o s t d e t e r mi n e s f a mi l y e me r g
7、e n c i e s，a n d i n f o r ms t h e o wn e r o r p mp e y ma n a g e me n t c e n t e r t h r o u g h t he GS M GPRS mo d u l e S MSAt t h e s a me t i me，t h e h o s t d riv e s t h e e a lT l e r a t o c a p t u r e i ma g e s a t t h e s c e n e，a n d i s s u e s a wa r n i n g b y s o u n d a n
8、 d l i g h t Th i s c o n s t i t u t e s a n e mb e dd e d i n t e l l i g e n t h o me s e c u ri t y s y s t e m Th e s y s t e m c o n n e c t s t he I n t e me t u s i n g Et h e me t L AN，a n d i t u s e s Z i g Be e an d t h e p mc e s s o r b a s e d ARM9 c o l e an d c o s l I o p e r a t i
9、 n g s y s t e m，S O i t h a s t h e c h a rac t e r i s t i c s o f c o n v e n i e n c efl e x i b i l i t y a n d p o r t a b i l i t y c o mp a r e d wi t I l t h e e x i s t i n g h o me s e c u rit y s y s t e ms Ke y wo r d s：Z i g Be e；$3 C 2 41 0；e mb e d d e d；i n t e l l i g e n t h o me
10、s e c u ri t y s y s t e m；GS M GP RS 收 稿 日期：2 0 0 8一l 1 2 6 作者简介：黄文龙(1 9 8 3 一)，男，江西修水人，硕士研究生，主要从事测控技术、智能家居、嵌入式 系统等方面研究 黄 文龙，等：基 于 Z i g B e e 和 A R M 的嵌 入 式智能 家庭安 防 系统设 计 随着现代 家居生 活 的不 断改 善，人 们对 财 产、人身 安全 的要 求 也 越来 越 高 安 防 系统 不 再 只 局 限于 防盗，而且 要 能 做 到 防 劫、防火，并 即时 了解 和解 决家 中突 发 事 件，实 现 家庭 安全 系统 的智 能
11、 化 现在市 场上 出现的安 防系统，不 是容 易 引起 误 报，就 是功 能 比较 单 一，或 是采 用 有 线 连 接 方 式，布线繁琐且 线路 容易老损 针对 现代家庭 安 防的要 求 和 当前 市场 上 类似 产 品的不 足，本研 究提 出了 以 Z i g B e e+A R M 9为核 心的嵌 入 式 智 能 家 庭 安 防 系 统(E m b e d d e d I n t e l l i g e n t H o m e S e c u r i t y S y s t e m，E I H S S)本 系统 有 以下特 点：完善 的防盗 系统，实现 门、窗、阳台等地方 的 监控和报
12、 警，力 争做到零 误报；实现家 中火灾 早 期 的监测 和煤气 泄漏 等 突 发事 件 的检 测；实 现 家庭 安全状 况远 程 实 时监 测 和查 询；具 有 现 场 图像抓拍 功能，在设 防状 态下，当红 外 传感 器 或 者 门磁 触发告 警 时，系 统将 启 动 U S B摄 像 头 对 现 场 进行拍摄 1 系统结构及工作原理 系 统总体 结 构 如 图 1 所 示，主 要 由前 端(Z i g B e e 节 点)和后 端(主服务器)2部分 组成，前端有 传 感器检测、信号处 理、无线 发送，后 端 有无 线 接 收、中央 处 理 及 外 围 电路 等 前 端 和后 端 通 过
13、Z i g B e e 网络无 线连接 传感 器检测 亡 信号处理 无线发送 无线接收 F-中央处理 外围电路 图 l 系 统 结 构 系统后 端 有 2个 功 能 按键，分 别 为设 防 键 和 撤 防键 主人在 出门时 按下 设 防键，再 通过 手 机 短 信方式由 G P R S 通知主机进入工作状态；当主人回 家时再通过短信通知主机进入待 机状态，待 主人 进 入家 中时则按 下撤 防键，主机 停止工 作 每个传感 器加上信号处理以及 C C 2 4 3 0收发 模块 组成 一个 Z i g B e e 节点，分 配有 不 同 的地址，节 点通过 Z i g B e e 无线 网络 与
14、 主服 务器 A R M 9模 块通 信，主机根据 地址 判断信 号 是来 自哪个 节点，然 后 通过软件判断是有非法人员进入还是有火灾隐患 或是有煤气泄漏，无论哪种突发状况发生，主机都 会启 动 U S B摄像 头对 现场 图像抓拍，通过 G P R S网 络 通知主 人或 物 管 中心，并 驱 动 报 警 装 置进 行 报 警，同时 用以太 网接人 小 区 的局域 网 或互 联 网，实 现 家庭 网络 I n t e me t 接人 _ 1 2 j 2 E I H S S硬件 系统 本 系统硬 件 电路框 图如图 2所 示，主 要 由传 感 器模块，Z i g B e e 无 线收 发模
15、块，电源及 复位 模块，以 太网网络 模块，U S B摄 像 头、功能 按 键、报警 模 块，G P R S 模 块及中央控制器 A RM 9 模块 等组成 煤气传感器 C 2 4 3 1 耋 H 羹 C C 2 4 3 0 收 发 模 块 电源及复位l I 功能按键 U ART I l I 0 GS MGP RS I l 以 太 网 U S B 摄 像 头 _ _ 报 警 图 2 系 统 硬 件 电 路 框 图 2 1 传感 器和 电源模块 传感器模块按功能可分 为 3个部分：防盗、火 灾检测 和煤气 泄漏 检测 防 盗部 分 由振 动传 感器、门磁窗 磁传感 器、热 释 电红外 传 感器
16、组 成 把 振 动 传感器 安装 在 入 户 门 上 的 隐蔽 处，当它 检 测 到 门 上有振 动，如 果 振 动 持 续 超 过 8 m i n(有 待 考 究)，则判 断为可 能 是非 法 人 员 撬 门 门磁 传 感 器 也 是 安装在入 户 门上，当 门被打 开 超过 2 c m时传 感 器 会有信号 输 出 通 过 这 2个 传 感 器 相 结 合 来 判 断 是否有 人非 法 进 入，消 除 误 报 另 外，热 释 电 红外 传感器能感应到物体在室内的移动 3 对于窗、阳 台等其他 地方 的防盗 原理跟 入户 门防盗相 似 火灾检测 由烟雾传感器和温 度传感器组成，两者均检测到信
17、号则认为确有火灾发生，这样 可 以避免误 报 而煤 气 泄漏 检 测 则用 M Q一6传感 器 竺 二=三 c 二 二=二=信号处理 一 一 一 一 一 一 一 一一 1 5 4 重 庆 工 学 院 学 报 作为感应器，它对液化气、天然气及城市煤气有较 好 的灵 敏度，而对 乙醇、烟雾几 乎不 响应 电源模块 包 括 内部 电源 和 外 部 电源 内 部 电 源包括 可充 电电池 和 充 电 电路，主 要 任 务 是 在 监 控状态下外部断电时供整个电路 正常工作 其充 电也是 由微 控 制 器 控 制 完成 的，在 外 部 电源 供 电 状态下，低于下限电平时 自动接通充电电路，高于 上 限
18、电平时 自动 断开充 电 电路 2 2 Z i g B e e 模 块 Z i g B e e 是新兴 的具 有 自组 网功 能 的 A dH o c 网络，是 一 种 短距 离、低 复杂 度、低 速率、低 功 耗、低成 本 的双 向无 线 通 信 技 术，主 要 适 用 于 自动 控 制 和远程控 制领 域 J 2 2 1 Z i g B e e协 议 栈 Z i g B e e 协议 使 用 I E E E 8 0 2 1 5 4规 范 作 为 介 质访 问层(M A C)和物 理 层，I E E E 8 0 2 1 5 4总共 定 义了 3 个工作频带：2 4 G H z(全球)，9 1
19、 5 MH z(美 国)和 8 6 8 MH z(欧 洲)，以上 3种频 带所 提 供 的最 大数据 速率 分别 为 2 5 0 k b p s，4 0 k b p s 和 2 0 k b p s 完 整 的 Z i g B e e协议栈 结构 如 图 3【J 所 示 口 图 3 Z i g B e e协议 栈 结 构 每个 Z i g B e e网络节 点(F F D和 R F D)可 以支持 多达 3 1 个传感器和受控设备，每个传感器和受控 设备可 以有 8种 不 同 的 接 口方 式，可 以采 集 和 传 输数 字量 和模 拟量 2 2 2 Z i g B e e网络 配置 域 网络
20、关联 Z i g B e e 无线网络可采用多种类型的网络配置 本系统设计使用星型网络实现通信 星型网络配置 由一个协调器节 点 和一个 或多个 终端设 备 组 成 在 星型网络中，所有的终端设备都只与协调器通信 根据系统需求，协调器会在非易失性存储器中存储 所有 网络 关联，称 为邻接 表 为 了连 接到 网络，终端 设备 可能执行 孤 立通 知 过 程来 查 找 先前 与 之关 联 的网络，或者 执 行关 联 过 程来 加 入 一个 新 网 络 在 执行孤立通知过程 的情况下，协调器将通过查找其 邻接表来识别先前与之关联的终端设备 6 2 2 3 Z i g B e e节点硬件 电路 由于
21、本 系统是典 型 的短 距离 无线通 信 系统，故 选用支 持 Z i g B e e协 议 的 C C 2 4 3 0芯 片，是 一 种 真正 的系统 芯片(S o C)C M O S解 决方 案，这种解 决方 案能 够 提高性能 并 满 足 以 Z i g B e e为基 础 的 2 4 G H z l S M 波段应用对低成本 低功耗 的要求 C C 2 4 3 0芯 片结合 一个 高性能 2 4 G H z D S S S(直接 序列扩 频)射频 收发 器 核心和一颗工业 级的小巧 高效 的 8 0 5 1 控制器 J 在单个芯片上整合 了 Z i g B e e 射频(R F)前端、
22、内存 和 微控制器 它使用 1 个 8 位 M c u(8 0 5 1)，具有 3 2 6 4 1 2 8 K B可编程 闪存 和 8 K B的 R A M，还 包含模 拟数 字 转换 器(A D c)、几 个定 时器、A E S 1 2 8协 同处 理器、看 门狗定时器、3 2 k H z晶振 的休眠模式定 时器、上电复 位电路、掉 电检测 电路 以及 2 1 个 可 编程 I O引脚 本系统采用 的收发频率为 2 4 G H z，其典型的硬件 应用 电路如 图 4 所 示l 该 电路使 用 一 个 非 平 衡 天线，连接 非 平 衡 变 压器可使天线性能更好 电路 中的非平衡变压器 由电
23、容 C 3 4 1和 电 感 L 3 4 1、L 3 2 1、L 3 3 1以及 一 个 P C B微波传输线组成 整个结构满足 R F输人 输 出匹配 电 阻(5 0 Q)的要求 内部 T R交换 电路完 成 L N A和 P A之 间的交 换 1 1 2 2 1 和 1 1 2 6 1为偏 置 电 阻，电阻 1 1 2 2 1主要用来 为 3 2 MH z 的 晶振提 供 一个 合适 的 工 作 电流 用 一 个 3 2 M H z的石 英 谐 振 器(X T A L 1)和 两 个 电 容(C 1 9 1和 C 2 2 1)构 成 一 个 3 2 MH z的晶 振 电路 用一 个 3 2
24、 7 6 8 K H z 的石 英谐 振 器(X T A L 2)和 两 个 电容(C 4 4 1和 C 4 3 7)构 成 一 个3 2 7 6 8 K H z的 晶振 电路 电压 调 节 器 为所 有 要 求 1 8 V 电压 的引脚 和 内部 电源 供 电 C 2 4 1 和 C 4 2 1 电容是去耦合电容，用来实现电源滤波，以提高芯 片工 作 的稳定 性 黄 文龙，等：基 于 Z i g B e e和 A R M 的嵌入 式智 能家庭 堑 图 4典 型 C C 2 4 3 0应 用 电路 2 3中央控 制器 本系统选 用三 星公 司的$3 C 2 4 1 0，它是 一款 基 于 A
25、R M9 2 0 T内核 的 1 6 3 2位 R I S C嵌 入 式 微 处 理 器，主要 面 向便 携 式 和 高性 价 比及 低 功 耗 设 备 的 应用 A R M 9 2 0 T有 C P 1 4和 C P 1 5二 个 内部 协 处 理 器，C P 1 4用 于调 试 控 制，C P 1 5用 于存 储 和测 试 控 制$3 C 2 4 1 0集 成 了 S D R A M 控 制 器、3个 U A R T、4 个 D MA、4个具 有 P WM 功能 的计 时器 和 1个 内部 时 钟、8通道 的 l 0位 A D C$3 C 2 4 1 0有 很 多 丰 富 的 外部 接 口
26、，包 括 I I C总 线 接 口、I I S总线 接 口、2个 U S B主 机 接 口、1个 U S B设 备 接 口、MM C 卡 等$3 C 2 4 1 0在时钟 方面也 有突 出 的特点，集 成 了 1 个 具 有 日历功 能 的 R T C和 具有 P L L功能 的时钟 发生 器 具有 日历功 能 的 R T C能 提供 到 秒 位 的精 确 时 间，解决 了 次声 观 测 系 统 组成 多点 阵 时各 点 的时 间同步 问题 M P L L产生 主 时钟，使 处 理 器 工 作 频 率 最高达 到 2 0 3 lI-I z 该 工作频 率可使 处理 器轻 松 运行 Wi n C
27、 E、L i n u x等操作系统以及进行较为复杂 的信息处理 _ 9 J 2 4 G S M G P R S模块 G S N G P R S模 块 采 用 西 门子 公 司 的 S I N 3 0 0，中央控制系统通过串 口与之连接实现移动通信，该模 块 内 嵌 T C P I P协 议 栈，可 以 连 接 网 络 当 S I M3 0 0接收 到主人 手 机 A T短 息命 令 后会 唤醒 中 央控制系统，系统根据指令查询各模块的状态；而 当中央控制器接收到传感器的信号判断有异常情 况 时，也通 过 S I N 3 0 0向主人手 机发送 短消息 H o d 3 E I H S S软件 系
28、统 本系统在软件上移植了嵌入式实时操作系统 c o s l I 该系统具有易移植、稳定性高、裁剪方便 和源码公开等优点，且可实现多个任务的调度 1 1 系统 软件 总流程 如图 5所示 系统开机后首先调用控制器进行初始化，然 后读 取按键 值，根 据按 键值 判 断 当前状 态 当主机 处于设防状态时，通过扫描 C C 2 4 3 0接收模块来查 询各 个节点 的情况，一 旦发 现有 异 常状 况，系统 判 1 5 6 重 庆 工 学 院 学 报 断为何 种突发 事件 后，立 即启 动 报警 装 置、U S B摄 像头，并给预先设置好的手机号码发送短信 4 结束语 图 5 系统软 件 总 流程
29、 本文 中介 绍的智 能家 庭安 防系统，运用 Z i g B e e 技术，搭建 出前 端 信 号 采 集 与 后 端 控 制 器 之 间 的 无线通信系统，避免 了繁琐的布线；利用 A R M技 术 和嵌 入式 实时操 作系 统实 现 安 防终 端 的有 效 控 制；G S M G P R S则 为系统 预防 和报警 提供 了方便 快 捷 的有 利条件 可 以预计，这 种 无 线 的智 能 系统 在 未来 家庭 安 防 中将会 得 到 更 多 的运 用，有 一 定 的 实 际运用 价值 参考 文献：1】周游，方滨，王普 基 于 Z i g B e e技 术的 智能 家居 无 线 网络 系统
30、 J 电子技术应 用，2 0 o 5(9)：3 7 3 9 2 于明 A R M 9嵌入 式 系统设计 与开发教 程 M 北京：电子 工 业 出版 社，2 0 o 6 3 杨 波，陈忧先 热释 电红外传 感器的原理 和应 用 J 仪表技术，2 0 0 8(6)：6 6 6 8 4 王均福，袁红 霞，王景 聚热释 电红 外传 感器在 防入 侵方面的研究 J 哈 尔滨师 范大 学 自然科 学 学报，2 0 0 8，2 4(1)：3 l一3 4 5 Z i g B e e A l l i a n c e Z i g B e e S p e c i fi c a t i o n Z i g Be e
31、D o c u m e n t 0 5 3 4 7 r 0 6 V e r s i o n 1 0 E S 6 原羿，苏鸿根 基 于 Z i g B e e 技术 的无 线网络应 用研 究 J 计算机应用与软件，2 0 0 4，2 1(6)：8 9 9 1 7 吴键，袁慎 芳，殷 悦 基 于 Z i g B e e技 术的无 线传 感 器 网络及其应 用研 究 J 测控技 术，2 0 0 8(1)：1 31 5 8 宁炳武，刘军民 基于 C C 2 4 3 0的 Z i g b e e网络 节点设计 J 通信与 网络，2 0 o 8(3)：9 59 9 9 杜春雷 A R M 体 系结构 与编 程 M 北京：清 华大 学 出版社 2 0 0 3 1 O 乔渠，赵 国豪，魏葆 华 基 于 G S M 技 术的 家居 安防 系 统设计 J 电子 工程 师，2 0 0 6，3 2(1 1)：7 6 7 8 1 1 J e an J 嵌入式 实时操作 系统 U C O S I I M 2版 邵 贝贝，译 北京：北京航 空航天 大学出版社，2 0 0 3 (责 任编 辑刘 舸)