基于 ZigBee 和 RFID 技術(shù)融合的家庭安防系統(tǒng)研究與設計

0 引 言

隨著家居生活的不斷改善和安全防范意識的增強，人們對于居住環(huán)境的智能化和安全化也提出了更高的要求。安防系統(tǒng)不再單純局限于防火防盜，還要及時了解和解決家中的各種突發(fā)性安全事件。近些年來，雖然家庭安防的模式已經(jīng)在很多方面有了改善，但是家庭安防系統(tǒng)依舊存在功能單一、智能化程度低下、兼容性差等問題，在科學性、實時性、安全性等方面都不盡如人意。

物聯(lián)網(wǎng)是通過物理對象和其他嵌入了電子、軟件、網(wǎng)絡和特定的傳感器或者執(zhí)行器的設備之間的相互連接，使對象能夠采集和交換數(shù)據(jù)。近年來物聯(lián)網(wǎng)的應用越來越普遍，預 計 2020 年將有數(shù)十億個智能對象連接在一起，物聯(lián)網(wǎng)已成為家庭安防領域的一個重要平臺，預計在將來會有很大的應用可能性。

本文針對目前家庭安防系統(tǒng)中存在的問題，在充分研究 ZigBee 技術(shù)和 RFID 技術(shù)的基礎之上，設計開發(fā)了基于ZigBee 和 RFID 技術(shù)融合的家庭安防系統(tǒng)。本系統(tǒng)結(jié)合了傳統(tǒng)的家庭安防系統(tǒng)已有的優(yōu)點，同時針對傳統(tǒng)家庭安防系統(tǒng)存在的缺點，引入 ZigBee 技術(shù)和 RFID 技術(shù)，增加了環(huán)境監(jiān)管模塊和遠程報警功能，實現(xiàn)了多功能的智能化家庭安防系統(tǒng)。

1 ZigBee 和 RFID 技術(shù)融合在家庭安防的可行性分析

ZigBee 技術(shù)因為具有安全可靠、距離近、功耗小、成本低、組網(wǎng)方式靈活等優(yōu)點，日益得到人們的青睞，被廣泛應用到各個行業(yè)中。對于智能安防系統(tǒng)，采用 ZigBee 技術(shù)也是十分有效的一種手段。與此同時，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，不僅ZigBee 技術(shù)得到了大力的發(fā)展，RFID 技術(shù)發(fā)展的勢頭也是非常迅猛。將 RFID 技術(shù)用于身份驗證也是十分普遍的一種現(xiàn)象。RFID 門禁系統(tǒng)和 RFID 電子鎖都已經(jīng)出現(xiàn)在大眾的視野中，將 RFID 技術(shù)用于家庭安防已經(jīng)成為一種趨勢。將ZigBee 技術(shù)和 RFID 技術(shù)二者結(jié)合運用于家庭安防管理，將對家庭安全有雙重保障。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)主要包括身份驗證模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊、安防模塊、報警模塊、主控模塊五大模塊。

（1）身份驗證模塊主要由 RFID 標簽和手機短信兩種方式實現(xiàn)。RFID 身份驗證主要是通過 RFID 感應防盜門鎖實現(xiàn)的，通過由 Wiegand 技術(shù)提供的基本接口與 MIFARE Tag（智能標簽）的相互操作 [1] 來實現(xiàn)對用戶身份的驗證。對于用戶忘記帶 RFID 標簽的情況，系統(tǒng)也做出了相應的對策 ：用戶通過短信向系統(tǒng)發(fā)出短信開鎖的申請，系統(tǒng)給用戶發(fā)送 6 位解鎖驗證碼，用戶在要求的時間內(nèi)輸入密碼，則身份驗證成功。

（2）環(huán)境監(jiān)測模塊主要負責采集室內(nèi)環(huán)境信息，如室內(nèi)溫濕度、煙霧等信息，并繪制出溫濕度曲線圖。與此同時，通過攝像頭采集實時的監(jiān)控信息。

（3）安防模塊主要是針對非法人員的非授權(quán)闖入問題。在用戶設定的無人的時間段內(nèi)，通過紅外對射傳感器來監(jiān)測是否有人進入該房間，在該時間段內(nèi)若有人進入，系統(tǒng)將進行報警，從而起到安全防護的作用。

（4）報警模塊分為本地報警和遠程報警。本地報警主要是通過報警器的鳴笛實現(xiàn)，遠程報警主要是通過給戶主發(fā)送短信并撥打報警電話的方式實現(xiàn)。報警模塊與前三個模塊相附相依 ：身份驗證模塊，若身份驗證不通過，在一定時間內(nèi)非法人員不離開，則報警 ；環(huán)境監(jiān)測模塊，若溫濕度超過合理的范圍，或是檢測到煙霧，則報警 ；安防模塊，若發(fā)現(xiàn)非法人員闖入，則報警。

（5）主控模塊負責這幾個模塊之間的控制和調(diào)度，包括身份驗證過程中用到的 RFID 數(shù)據(jù)，還有環(huán)境監(jiān)測和安防過程中采集到的 ZigBee 傳感器的數(shù)據(jù)，視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)。不同類型數(shù)據(jù)的靈活使用，短信收發(fā)以及報警電話的撥打，這些功能的集成，都在主控模塊完成。

系統(tǒng)的總體設計框圖如圖 1 所示，主要包括數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的感應、反向控制、身份驗證和報警。其中，報警功能還分為本地報警和遠程報警。數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)感應、反向控制和本地報警都是采用 ZigBee 無線傳感網(wǎng)實現(xiàn)的，同時，攝像頭采集到的數(shù)據(jù)也是通過 ZigBee 無線網(wǎng)絡進行傳輸?shù)摹Ｉ矸蒡炞C主要通過 RFID 技術(shù)來完成，其中手機短信功能依賴于匯聚網(wǎng)關節(jié)點中的 GSM 模塊。系統(tǒng)的總體硬件框圖如圖 2 所示。其中，在環(huán)境監(jiān)管模塊所用到的 ZigBee 傳感器節(jié)點主要包括溫濕度傳感器和煙霧傳感器 ；在安防報警模塊用到的 ZigBee 傳感器節(jié)點主要是紅外對射傳感器。

本系統(tǒng)采用 S3C6410X 高性能嵌入式處理器，S3C6410X是一款 16/32 的 RISC 微處理器，具有低成本、低功耗、高性能等優(yōu)良品質(zhì)，適用于移動電話和廣泛的應用開發(fā)。核心無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點選擇 TI 德州儀器公司的 CC2530。CC2530 用于 2.4 GHz IEEE 802.15.4，ZigBee 和 RF4CE 協(xié)議的 SoC 解決方案，集成了性能優(yōu)良的 2.4 GHz RF 收發(fā)器，支持 TI 公司的 Z-Stack 協(xié)議。其內(nèi)核為增強型 8051MCU，具有低成本、低功耗、高集成度等優(yōu)點 [2-3]。RFID 身份驗證模塊依賴于 PIC 16F873 微控制器 [1]，通過 RFID Proximity Wiegand reader 與該控制器相互連接實現(xiàn)身份驗證的功能。其中相關的過程和數(shù)據(jù)處理都是由 PIC 16F873 微控制器來完成的。手機短信功能主要依賴于 GSM 模塊，GSM 模塊具有獨立的操作系統(tǒng)、GSM 射頻處理、基帶處理，并提供標準接口的功能模塊。ARM 通過 RS 232 串口與 GSM 模塊通信，使用標準的 AT 命令來控制 GSM 模塊實現(xiàn)各種無線通信功能 [3]。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)庫設計與實現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫是“按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織、存儲和管理數(shù)據(jù)的倉庫”，主要的功能是存儲數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。用戶可以通過數(shù)據(jù)庫直觀地掌握系統(tǒng)的當前狀態(tài)以及歷史狀態(tài)。本系統(tǒng)中涉及到的三個主要數(shù)據(jù)表分別是用戶信息表、環(huán)境信息表、預警信息表，見表 1 ～表 3 所列。

3.2 系統(tǒng)界面設計與實現(xiàn)

當用戶進入系統(tǒng)，首先看到的界面如圖 3 所示。從圖中可以看到整個房間的平面圖，選擇要進入的房間號，進入該區(qū)域，跳轉(zhuǎn)到的界面如圖 4 所示。在“環(huán)境綜合信息”部分，用戶可以直觀地看到房間內(nèi)此時此刻的溫濕度、煙霧、非授權(quán)人員是否闖入的綜合情況。在界面的數(shù)據(jù)顯示區(qū)域，可以看到房間一定時間范圍內(nèi)的溫濕度變化，單擊“數(shù)據(jù)查詢”按鈕，可以將數(shù)字形式和折線圖形式來回切換 ；單擊“視頻采集”按鈕，可以從系統(tǒng)中直接調(diào)出房間內(nèi)的監(jiān)控。效果如圖 5 所示。

當房間中發(fā)生突發(fā)情況時，例如 ：房間內(nèi)溫濕度過高、發(fā)現(xiàn)煙霧或者發(fā)現(xiàn)有非授權(quán)人員闖入，在圖 4 界面中，相應屬性后面的綠色按鈕變紅，出現(xiàn)一個彈窗，同時給用戶發(fā)送短信提醒。當用戶接收到報警信息，可以點擊紅色按鈕，按鈕恢復原來的顏色，同時報警器關閉。視頻采集模塊一般情況下采集到的信息會定時清理，但在預警時間段以及預警后的一段時間內(nèi)采集到的視頻系統(tǒng)當?shù)阶詣忧謇淼臅r間后，系統(tǒng)會給用戶發(fā)送短信提醒，用戶確認清理后才可對相應的視頻信息進行清理。

4 結(jié) 語

本文通過軟硬件結(jié)合的方式設計了一種基于 ZigBee 和RFID 技術(shù)融合的家庭安防系統(tǒng)，有效解決了目前家庭安防系統(tǒng)中存在的功能單一、智能化程度低下、兼容性差等問題。該家庭安防系統(tǒng)同時滿足了科學性、實時性、安全性等方面的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)基于 RFID 技術(shù)的身份驗證和基于 ZigBee技術(shù)的環(huán)境監(jiān)管，同時能夠?qū)崿F(xiàn)基于 GSM 的遠程報警，具有較高的實用價值，應用前景廣泛。