电子技术、计算机技术、通信技术以及传感器技术的发展，在促进科技进步的同时正逐渐改变着人们的生产、生活方式。随着各种智能化、信息化消费类电子产品的不断涌现，人们对住宅的要求不再仅限于空间的大小，更为关注的是如何营造一个舒适、安全、便捷、高效的居住环境，智能家居应运而生。作为智能家居控制系统中一个必不可少的组成部分，安防系统发挥着越来越重要的作用^[1-2]。本文提出了一种以ARM9和ZigBee技术为核心的家居安防系统设计方案，利用安装在前端的人体感应、烟雾、门磁、温度及煤气探测传感器采集家居环境中的各种参数，通过ZigBee无线网络发送至监控端，如有险情发生，将触发报警装置报警，同时将险情通过GPRS网络发送至用户手机，并通过以太网传送至小区管理中心，使险情得到及时处理，以减少人员伤亡和财产损失。将近距离无线通信技术ZigBee引入到安防系统的设计，克服了传统安防系统中有线传输方式带来的安装麻烦、扩展不易、维护不便等缺陷，特别适用于现有住房的智能化改造。

1、系统总体设计方案

系统主要由控制单元、各类传感器、ZigBee无线网络、GPRS、以太网及报警装置组成^[3]，如图 1所示。传感器采集到的数据通过ZigBee无线网络发送到ARM控制单元，一旦检测到异常，除声光报警外，还会将险情发送到用户手机和小区管理中心。该系统还允许用户通过手机和以太网随时查询家居环境，并能实现安防系统的布防与撤防等远程控制功能。

2、系统硬件设计

系统硬件电路框图如图 2所示，主要由ARM主控模块、传感器模块、ZigBee模块、GPRS模块、以太网模块及声光报警模块组成^[4]。

(2.1) ARM主控模块

ARM主控模块由ARM控制器、SDRAM、FLASH存储器及相关外围电路组成。本设计选用友善之臂公司生产的Micro2440开发板，它的核心芯片采用三星公司的S3C2440，该芯片采用ARM920T内核，低功耗、高性能，特别适合于嵌入式系统的开发，具有较多的通用I/O接口和丰富的外围资源，完全能够满足整个系统对处理器的需求。

(2.2) 传感器模块

传感器模块按其功能和布局分为3个部分：防火、防盗和天然气泄漏检测。为了提高报警的准确性，减少误报情况发生，设计中采用多种传感器共同监测的方法。将温度传感器和烟雾传感器相结合检测是否有火灾发生，如果检测到在温度上升的同时有大量烟雾产生，即可判定有火灾发生；将门、窗磁传感器和人体热释电红外传感器相结合，在设防时段，若在门磁或窗磁传感器产生信号的同时检测到人体红外信号，即可判定有人非法入侵；采用可探测空气中甲烷含量的MQ-4天然气传感器，一旦检测到天然气含量超标，即可判定有天然气泄漏的险情发生。

(2.3) ZigBee模块

ZigBee是一种近年来新兴的无线通信协议标准，是一种基于IEEE 802.15.4标准的有关组网、安全和应用的通信技术，工作在免费的ISM 2.4 GHz频段，具有低成本、低功耗、低速率、低复杂度、自组网及双向传输等特性。它通过无线射频技术以接力的方式将数据从一个节点发送到另一个节点，网络容量大，通信效率高。ZigBee自诞生之日起就是以智能家居和楼宇自动化为主要应用方向，目前已广泛应用于照明、安防以及信息家电等的控制，并逐渐向工业控制、农业生产、医疗看护等领域扩展。

在IEEE 802.15.4规范中，根据设备所具有的通信能力，定义了两种ZigBee设备类型，即全功能设备(Full-Function Device, FFD)和精简功能设备(Reduced-Function Device, RFD)。其中：FFD可以同其他FFD或RFD设备通信，而RFD只能同FFD通信。按照设备逻辑功能的不同，ZigBee协议中又定义了3种不同的设备类型：协调器、路由器和终端节点。协调器必须是FFD设备，作为网络的中心节点，主要负责网络的建立和相关配置，包括发送信标、管理节点、存储节点信息以及允许其他节点加入网络等。路由器主要负责寻找、建立、修复网络报文的路由信息，转发网络报文，提供信息双向传输功能。终端节点具有加入或退出网络的功能，可以接收或发送网络报文，但不允许路由转发。ZigBee支持星形、网状和簇状3种网络拓扑结构，考虑到家居安防监测范围有限以及ZigBee良好的通信能力，本系统由一个网络协调器和若干个终端节点组成，采用星形网络拓扑结构。协调器通过UART1与ARM主控制器相连接，用于传送数据和接收各种控制信号；终端节点连接分布于室内的各种传感器，将采集到的传感器数据经AD转换后以无线射频的方式发送到协调器。

目前，市场上符合ZigBee协议标准的无线收发芯片较多，设计中选用TI公司的CC2530。该芯片将增强型8051MCU和2.4 GHz DSSS射频收发核心集成在一块芯片上，运行TI官方的ZigBee2007协议栈。硬件电路简单，仅需很少的外围元件，即可构成具备通信能力的ZigBee节点，其典型应用电路如图 3所示。

(2.4) GPRS模块

GPRS模块采用芯讯通无线科技的SIM900A，它支持语音、SMS和GPRS数据传输业务，工作在GSM900和GSM1800双频段；采用串行异步通信接口，支持TTL电平和RS232电平，可以很方便地与ARM主控制器相连而无需电平转换；支持TXT和PDU模式的短消息，使用标准的AT指令集就可以进行数据传输。设计硬件电路时，将SIM900A模块与S3C2440的UART2接口相连接，在对系统上电复位后，初始化S3C2440的串口和GPRS模块，然后设置服务中心号码和目标号码，即可完成短信收发功能的配置。

(2.5) 以太网模块

以太网模块选用台湾DAVICOM公司的DM9000，DM9000是一款10 Mb/100 Mb自适应以太网芯片，该芯片性能优异且性价比高，根据微处理器的需要提供8/16/32位数据总线宽度支持，采用3.3 V接口电平，寄存器操作简单有效，且有较为成熟的Linux驱动程序支持。由于S3C2440是32位的微处理器，而DM9000数据总线宽度为16位，因此采用16位模式连接，连接方式如图 4所示^[5]。其中：CMD引脚用于设置芯片的COMMAND模式，与S3C2440的ADDR2引脚相连，当CMD为高电平时，选择数据端口，当CMD为低电平时，选择地址端口。AEN (地址允许)是片选信号，与S3C2440的nGCS4引脚相连^[6]。由S3C2440数据手册可知，nGCS4的基地址为0x20000000，而DM9000默认I/O基地址为300H，DM9000的数据端口地址和地址端口地址可由式(1)(2)计算得到：

$ {\rm{DM9000数据端口地址 =高位片选地址 + 300H + 4 = 0x20000304}}, $

(1)

$ {\rm{DM9000地址端口地址 =高位片选地址 + 300H + 0 = 0x20000300}}。 $

(2)

S3C2440在读写信号的控制下，通过数据端口和地址端口就可以实现对DM9000的读写操作。

3、系统软件设计

系统软件设计分为软件开发环境的建立和应用程序设计两部分。其中：软件开发环境的建立主要包括Bootloader的移植、Linux内核的移植以及根文件系统的制作等。此外，为保证外围硬件的正常工作，还需移植UART驱动及DM9000网卡驱动等。软件开发环境的建立方法相关参考文献较多，在此不再赘述。应用程序主要包括系统主程序设计、ZigBee通信程序设计及GPRS通信程序设计等。

(3.1) 主程序设计

主程序是系统软件的核心，系统上电后，主程序将进行自检并完成一系列的初始化工作，加载串口和以太网驱动程序，等待来自于ZigBee网络的传感器数据。当收到数据后，与所设定的阈值进行比较，若超过阈值，将通过UART2向用户手机发送报警信息。同时，通过以太网将监测数据传送至小区管理中心，主程序流程如图 5所示。

(3.2) ZigBee通信程序设计

ZigBee通信网络由一个协调器和多个终端节点组成，每个节点与一个传感器相连接，负责采集室内环境数据，节点将采集到的数据以无线方式传送给协调器，再由协调器传送给ARM处理器进行判断处理。ZigBee经初始化并成功组网后，为节省节点能耗，各终端节点将自动进入休眠状态，在收到由网络协调器定时发送来的数据采集命令后，节点将自动唤醒以采集室内环境参数并发送给协调器^[7]。由于ZigBee具有自组网特性，如需扩大监控面积，只需增加网络节点即可。设计中采用IAR Embedded Workbench编译软件设计通信程序，其流程如图 6所示。

(3.3) GPRS通信程序设计

GPRS通信程序主要用于将险情以短信的方式发送到用户手机。模块上电后将完成SIM900A的初始化，包括串口的初始化、波特率的设置、入网检测等。初始化完成后，设置短消息中心号码和目标手机号码，并将要发送的信息按照PDU格式编码，最后通过向串口写入AT+CMGS指令将报警信息发送到用户手机^[8]，程序流程如图 7(a)所示，用户也可通过发送短信的方式主动查询家居环境状况，程序流程如图 7(b)所示。

4、结语

本文提出了一种基于ARM技术和ZigBee无线通信技术的家居安防系统设计方案，该系统综合了近距离无线通信技术和远距离无线通信技术各自的优点，利用ZigBee实现安防系统内网的建立，通过GPRS和以太网实现安防系统与外网的互联互通，有效地避免了繁杂的布线，便于系统的扩展与维护。该设计方案结构灵活，适用面广，通过选配不同类型的传感器，可应用于各类智能建筑，具有良好的应用前景。