基于ZigBee与GPRS的智能小区安防系统

    本文设计了一套物业管理、安防和住宅智能化系统集成的智能小区安防系统，实现快捷高效的超值服务与管理，提供安全舒适的居住环境。
　　
    1 设计

　　从功能的角度出发，由于城市人口膨胀，小区人口猛增，小区居民很容易面临各种危险。从功能角度出发智能小区安防系统(图1)具有以下几个部分:

    1.1 红外防盗监测单元

　　小区人员混杂，人口众多，做好防盗工作是非常重要的。住户被盗大多发生在夜晚，并且是翻窗入户。因此我们需要在小区的窗户上安装红外传感器，如果检测到红外线被挡住，采取相应的声光报警措施。同时把每次检测出的数据要上传给上位机显示，方便物业管理人员查看。

　　1.2 温湿度调节

　　小区的地下室经常会由于温度过高、湿度过大而引发一些危险的发生。我们希望系统能够自动调节地下室的温湿度，使地下室温湿度处于一个安全的范围内。系统自动监测地下室的温湿度，并实时将数据上传给上位机界面显示。同时，增加一个自动化控制的风扇调节地下室温湿度的目的。

　　1.3 路灯光照调节

　　在小区的道路上，路灯随处可见，它们耗能大、利用率低以及管理难。基于以上问题，路灯光照的强度，并根据光照强度的大小控制自身的亮灭。为实现这一功能，使用光照强度传感器检测光照的强弱，并将检测的数据上传上位机显示。当光照强度高于正常光线，路灯会自动关闭;当光照强度低于正常光线，路灯又会自动开启。

　　1.4 可燃气体监测单元

　　在各新闻媒体报道中，小区经常会发生煤气泄露的事故，这时刻危胁着居民的生命和财产安全。所以可燃气体监测在小区安防系统中是必不可少的。为此，我们在可燃气体的管道接口处安装可燃气体传感器，该传感器检测可燃气体的泄露，并将数据上传给上位机;物业管理人员就会查看到并对其进行抢修。

　　1.5 烟雾监测防火单元

　　由于小区楼宇比较密集，小区的安全直接影响每个居民的身心健康，所以做好防火工作十分重要。因此，我们在小区的楼与楼之间以及楼层之间安装检测烟雾浓度的传感器，该传感器将实时上传采集数据。在发现采集的数据超过安全浓度，并持续一段时间，系统会自动启动消防喷头，对四周进行洒水。

　　1.6 智能化控制单元

　　在该系统中，我们需要防火防盗、地下室温湿度调节和路灯光照调节以及对煤气管道监测。监测和采集的这些数据，我们都要统一将他们上传到上位机上进行分析和显示。在界面中，我们不仅可以查看当前的数据(图2)，也可以查看历史数据，不仅可以用表格的形式显示，也可以用曲线的形式显示。在该上位机软件中还有一个控制功能，只要在界面中点击开关，即可实现对相应单元的控制，实现手动调节。

　　对于居民住户，我们还要制作网页，网页的功能与上位机的功能完全一样，只是少了控制功能，因为居民只需要了解小区的安全信息。

　　2 硬件及软件实现方法

　　2.1 概览

　　硬件上，我们主要使用了德州仪器(Texas Instruments，下称TI)的STM32芯片、GPRS芯片和CC2530芯片。软件上，我们主要用QT Creator软件编写了一个可视化的界面(图3)，并用HTTP制作了一个网站(图4)，用户可通过PC或移动终端查看小区的各项安全系数。

    2.2 网关

　　网关(图5)主要由STM32芯片、GPRS芯片和CC2530芯片组成。网关放在小区物业管理中心，其主要功能是处理数据的上传和指令的下发。一方面，上行的数据包通过网关的GPRS模块发射出去并储存在云服务中;另一方面，下行的指令也通过网关的协调器发至终端节点。因此，网关主要解决了底层无线传感器网络与上位机的协调、通信问题。

    网关上安装有液晶显示屏，管理人员可随时查看数据包上传和指令下发的状态。网关与其他部分是无线连接的，可独立放置，只需提供5V的电源即可。

　　2.3 小区传感器包

　　小区传感器包主要由DHT11温湿度传感器、MQ-2烟雾传感器、MQ-7可燃气体传感器、BH1750强度传感器和红外传感器构成。温湿度传感器主要放置在小区地下室，以防范地下室因为过湿而引起的电线短路等事故;MQ-2主要放置在小区楼道间和易发生火灾区域，主要防止火灾发生;MQ-7主要放置在小区下水管道或燃气管道旁，防止因可燃气体泄漏而引起的爆炸;BH1750主要放在小区人行道，防止因光线过暗而引发的安全隐患;红外传感器放置在窗口上，防止小偷入室盗窃。

　　2.4 终端节点

　　系统的底层是ZigBee无线传感器网络部分，该网络是由CC2530组建的星型结构。终端节点(图6)读取传感器的数据并传给协调器，这就完成了底层到中间层的数据上传。编写改代码的协议为ZStack-CC2530，在该协议中可将传感器上传的电压数据转变为相应的光该强度和烟雾浓度等数据。终端节点间无需有线连接，只需提供5V的电源供电即可。ZigBee具有低功耗的特点，一般的5V电源可使用半年左右。

    2.5 智能防范

　　底层的每个终端节点上都有一个COMS管，这是一个由程序控制的智能开关，可当检测到环境参数不在阈值内时，这个开关自动开启，防范各种危险。当地下室温湿度过高时，排风扇开启以降低室内湿度;当小区内发生火灾时，消防喷头开启对着火的区域喷水;当可燃气体泄漏时，风扇开启将气体排出;当道路上光线较暗时，路灯开启已达到照明的目的;当有人闯入房间时，声光报警器开启以提示有人闯入。这些智能防范措施都由节点自动完成，不需要人工干预，节省大量人力物力，有很大的实用性。

　　2.6 上位机和服务器

　　远程服务器从各网关节点接收信息，完成数据解析、处理、存储、查询、统计、图表绘制等其他信息系统集成整合的功能。上位机连接mysql数据库服务器，与web前端共用一个数据库。上位机软件由数据接收、数据处理、数据管理三个部分组成。数据接收部分实现上位机软件从网口接收数据;数据处理则主要实现了数字信息的可视化;数据管理利用数据库对数据进行保存，方便查询与后期处理。另外，客户端在任何时间地点只要登陆系统服务器指定的网页，就可在线实时监测家里的安防数据信息。

　　由此可见，基于ZigBee和GPRS的智能小区安防系统在我国住宅小区智能化安防建设的广阔前景。一旦其达到产业化生产阶段，社会市场前景十分可观。因此无论是开发商、系统集成商还是设备供应商，都将受益于其广阔的市场前景。