基于ZigBee的节能门窗智能安防系统的实现

摘 要：基于ZigBee技术，采用S3C2440的TQ2440开发板作为嵌入式系统平台，CC2530作为微处理器的智能家居系统进行可行性研究。对智能家居系统中的重要分支―智能节能窗系统的信息采集、安全报警、机械传动控制进行分析和软硬件设计，实现了智能网关对窗户安防及传动控制。最后，通过功能测试，验证了测试数据和理论数据相符，系统可以完成家居内所有窗户的检测、控制，可达到节能与智能的完美效果。

关键词：ZigBee；智能家居；嵌入式系统

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.14.056

0 引言

近年来，信息产业蓬勃发展，人们进入了无网络无法生活的时代。网络通讯，无线传输，信息采集等先进技术已走入人们的日常生活中。越来越多的人们走上科技的时尚高端，享受着信息时代带来的生活便利和居家安全。智能家居系统走入寻常百姓家中，物联网和互联网技术使原本独立的个体家电、门窗和室内环境联姻，并能和主人的手机、PC机远程互答。

在智能家居系统中，门窗的智能安防和控制在整个系统中的地位尤为重要。但是，目前市场上出现的系统案例中，对门的防盗、人脸识别、对讲研究技术较成熟，但是对窗户的相关研究往往被忽略，一般只重视窗户的开关控制上，对它的安全防范等作用研究较少。因为节能和舒适性要求，窗户占建筑墙体的面积越来越大，窗户的防盗、防小孩坠楼，防风雨以及随室内环境开关的智能性需求也越来越大。本文在智能家居系统的总体设计上重点阐述智能家居的重要分支――智能节能窗系统。目前很多新住宅在窗户材料上都实现了节能要求，在此基础上综合利用传感器技术，ZigBee组网技术，自动控制技术，现代通讯技术实现窗户内外各种信息采集、处理、安全报警和自动开关控制。窗户作为室内外互通的重要环节，对智能家居系统中安全防范系数的提高具有极其关键的作用[1]。

1 系统的总体设计

系统设计采用一台家居PC机接入WIFI 无线网作为控制中心，利用ZigBee技术组网建立家庭内部设备、环境和门窗的局域网，利用GSM模块实现系统与移动4G手机网络通讯和远程控制。总体框图如图1。

智能节能窗系统作为整个系统的子系统，它主要包括窗户内外信息采集、智能开关控制、安全报警。实现的功能是当室内出现烟雾等有害气体时能给控制中心反馈信息并自动开窗、当接到主人发出的开窗命令时能自动开窗，当室外检测到风雨信息时能自动关窗，当窗户内外检测到运动物体存在时能给控制中心反馈信息并安全报警。

子系统主要由CC2530微处理器、各种传感器终端，报警终端，机械传动装置组成，利用ZigBee组网技术，建立一个树簇型拓扑结构网络。系统结构框图如图2。

2 子系统终端硬件设计

该部分主要包括各种传感器组成的信息采集模块，终端报警模块和机械传动模块，采集到的信号传送到控制中心，进行信息加工和处理，控制中心发出的命令由报警终端和传动装置执行[3]。

2.1 信息采集系模块

（1）烟雾浓度检测 。烟雾浓度检测采用的传感器选用深圳市浩时健电子科技有限公司提供的普通气体烟雾传感器M Q-2，输出电压为5.0V±0.2V，灵敏度：R in air/Rin typical gas≥5，温度：-20℃～+55℃，它是一种寿命长、成本低对液化气、丙烷、氢气等可燃气体具有良好的灵敏度的气敏传感器。通过气敏传感器监测家居内液化气、烟雾等参数主要是为实现如下两个功能：

1）实现有毒气体报警，并执行自动开窗降低有毒气体浓度的操作；

2）火灾报警，在判读是否有火灾发生时还结合了室内温度传感器采集到的温度进行判断，即当室内烟雾浓度和温度都超过某阂值时判断可能发生了火灾，实现火灾报警。

（2）风雨天气检测。风雨传感器采用深圳德力智能科技有限公司提供的dree-s6c风雨传感器。工作电压12v，工作温度-10～75（℃），探测距离30米，可设置1～9级风速、光照、雨量档位，是目前国内最先进的风雨传感器，风速辨认，利用光速感应，几乎0误差，雨水感应速度准确， 支持声光报警，达到设定等级风速或者雨水量自动发出信号至控制中心，控制中心可根据设定风速和雨水量判定是否关窗，从而驱动控制单元关闭窗户。

（3）运动物体检测。对运动物体的检测目的是判断在开窗状态下，室内小孩或其他人员扒窗存在坠窗危险和盗贼通过窗户入室行窃造成的人身和财产安全。是基于红外线技术，根据人体运动过程所发射的红外线波长在9到10μm之间， 设计中采用热释电传感器LH1778，当检测到运动人体入侵窗口外3米内范围时，热释电传感器产生电信号变化，开关自动接通负载，延时2S仍然有电信号存在，判断窗外有人入侵，声光报警器报警，从而驱逐入侵者。当检测到窗口内1米有运动人体时红光闪烁提醒扒窗有危险。以上两种情况传感器采集到的信息可同步传给控制中心，控制中心通过GSM模块发给手机，主人可根据情况发出关窗命令。

2.2 终端报警模块

终端报警模块主要是在检测到运动物体和烟雾浓度超标时开启声光报警装置并在液晶显示单元上提示主人报警原因。

2.3 机械传动模块

此模块主要包括3个组成部分：控制芯片，红外收发和电机驱动。控制芯片采用STC89C52芯片作为微控制器，红外收发采用红外对管，电机采用减速步进电动机。功能框图如图3。

主要是实现窗户的开关控制，通过红外信号与ZigBee终端实现简单通信，ZigBee终端设备可以将来自手机的控制数据发送给传动设备控制器，传动设备控制器接收到该控制数据后执行相关操作，并在操作结束后回复数据给ZigBee终端以告知ZigBee终端设备相关操作己完成。

3 子系统软件设计

利用Vc++6.0开发平台，MFC方式进行编程。首先，控制中心通过串口与ZigBee协调器进行通讯，而ZigBee协调器作为内网“核心”，既能接收来自终端设备采集的信息，同时又能向任何节点传输数据，是数据传输纽带，程序流程图如图4。机械传动模块是ZigBee终端通过红外收发功能控制的，是ZigBee协调器间接控制的设备，对窗户的控制程序流程图如图5。

4 功能测试

采用适当的测试手段对ZigBee的组网功能、网络通讯功能进行测试。结果显示ZigBee终端设备和路由器上电后能正常加入ZigBee无线网络，当ZigBee终端设备和路由设备因为异常原因而离开ZigBee网络时，ZigBee协调器能判断出有节点离开网络，ZigBee网络中的设备可以正常进行数据传输，家居智能网关可以和ZigBee网络中任何一个节点进行数据通信。

对传动控制模块进行测试。主要是对电机每转一周窗户开关的距离S1，与在不同频率f下控制信号控制电机行进距离达到S2（取10组不同频率，每组测试10次取平均值），记录每次所用时间T1和理论时间T2进行比较得到测试数据如表1。

结果表明，ZigBee模块和红外遥感可实现对窗户的控制，测试数据和理论数据基本相符，同时报警功能完备，测试结果达到理想要求。

5 结论

本文主要研究了一种基于支持ZigBee协议的CC2530微处理器的智能窗系统。综合利用现代通讯技术，传感器技术，自动控制技术，对硬件电路合理搭建，在VC++6.0基础上进行软件设计，完成了智能窗系统的内部组网并依托互联网与手机进行远程通讯，实现了智能家居系统中窗户的自动控制和远程监控，赋予窗户更好的节能和智能作用，有效增强了家居环境的舒适性和安全性。本系统组网灵活，安装方便，更重要的是智能化指数较高，在未来将有很好的应用前景。

参考文献：

[1]崔斌，韩峻峰，梁晋昌.基于嵌入式系统的智能门窗设计[J].嵌入式技术，2010（06）：78-80.

[2]周显恩.基于ZigBee技术的人脸识别智能家居系统的研究与设计[D].东华理工大学，2010.

[3]杨璐，刘宝栋，王银涛.基于ZigBee技术的智能家居系统门窗联动设计与实现[J].实验室研究与探索，2013，32（08）：297-300.

基金项目：河北省保定市科技局，科技攻关计划项目，项目编号 15ZG037。

作者简介：陈淑春（1979-），女，硕士研究生，研究方向：自动控制与检测技术。