0 引 言
在信息產業快速發展的今天，嵌入式設備已經深入到了人類生活的各個方面，智能設備更是成為了人們日常生活中不可或缺的一部分。隨著能源的日漸消耗，環保節能刻不容緩。
因此，在現在和未來的家居生活環境中，我們更需要一種高效節能的、智能的、綠色環保的智能家居安防系統。
1 智能家居安防系統的研究與設計
圖1 是智能家居安防系統的整體功能框圖和設計方案。
圖1 系統整體功能框圖和整體設計方案
從圖中可以看出，本系統可以分為3 個部分，首先是底層的智能家居安防網絡，這是整個系統的硬件部分，可以監測溫度、光強、煤氣、人體紅外、門窗、燈光控制等。在硬件部分的基礎上市安防信息監控管理和Android 智能終端監控，這是整個系統的軟件部分，主要是對從底層收集到的信息做出處理并給出控制信號。本文主要研究底層的硬件設計。
2 系統硬件設計
目前，無線通信技術在物聯網的浪潮下發展迅猛，比如紅外技術、藍牙技術、Wi-Fi、近場通訊技術等，通過對這幾種技術的研究與比較，本文最終確定選用ZigBee 數傳技術實現本文的硬件網絡系統。
從系統硬件設計的角度出發，每一個ZigBee模塊節點分為兩個部分，一個是可以實現數據收發的核心部分，這部分必須要滿足ZigBee 協議規范。另一部分是實現供電、復位的底板。
所有硬件的核心就是整個硬件部分的邏輯圖如圖2 所示。
圖2 系統硬件邏輯連接圖
2.1 基于CC2530的ZigBee模塊節點的設計
美國德州儀器TI 生產的CC2530 是一種SoC 芯片，基于IEEE 802.15.4 標準和ZigBee 協議規范。圖3 所示是CC2530的射頻模塊電路，同時，TI 公司還專門為使用CC2530 芯片的用戶提供了整套的開發工具和Z-stack 協議棧，通過這個專用工具，用戶可以節約大量的開發時間并且可以按照自己的想法開發自己的產品。CC2530 芯片本身就是一個非常成熟的芯片，同時功能也非常強大，用戶只需要給其接入產品需要的外圍器件就可以滿足用戶的開發要求。本文為了使CC2530 模塊能夠與傳感器相連接，采用排針將CC2530 的I/O口引出來，如圖3 中的P1 和P2。
圖3 CC2530 射頻模塊電路
2.2 傳感器底板的設計
本文設計傳感器底板主要包括電源、調試接口、通信接口以及和各個傳感器相連接的接口。其傳感器地板電路原理圖如圖4 所示。
圖4 傳感器地板電路圖
從圖4 電路圖中可以看出，本設計中的傳感器底板包括以下幾個主要部分：
（1）如圖所示，P1 和P2 是兩個排母，主要用于連接底板和CC2530 模塊的I/O 口。而P3 和P4 則是底板上將I/O 口和外部傳感器和LED 燈以及各個按鍵相連接的排針。這樣做可以有效地避免干擾射頻電路。
（2）本設計可以通過兩種方式供電：一種是電源供電，另外一種是電池供電。同時采用AMS1117 的穩壓芯片以及10 μF和0.1 μF 的電容，主要是為了解決外部電壓不穩定同時達不到3.3 V 的問題。
（3）JTAG 調試接口選用的是P21 作為芯片的調試數據線，P22 作為調試時鐘信號線，再加上Reset 信號線，電源和地線就可以完成芯片的在線調試了。
（4）在實現RS232 串口電路的設計中，可以利用CH2430芯片將串口轉成USB 口。圖5 所示是其實物圖。
圖5 ZigBee 節點底板和CC2530 射頻模塊實物圖
2.3 系統中各模塊的選型和設計
在本文設計的智能家居系統中，主要完成對溫度、氣體、光強、人體感應的ZigBee數據采集，以及遠程控制燈的開關的功能，所以在傳感器節點的模塊上，還需要溫度模塊、氣體模塊、光敏模塊，以及人體感應模塊等。下面就對各個模塊的功能進行簡單的介紹（以便之后選型）：
（1）人體紅外傳感器模塊：本文采用的是TSKS5400S 紅外傳感器。此款傳感器正常的工作電壓是3~10 V，最小輸出電壓為3 V，同時本文設計的節點電壓是3.3 V，所以不需要對電壓進行變化。除此之外，本文選擇了BIS0001 紅外傳感信號處理器對TSKS5400S 紅外傳感器輸出的信號進行處理。
（2）煙感傳感器模塊：煙感傳感器的種類很多，本文選擇了MQ-2Q 氣體傳感器。其具有探測范圍廣、靈敏度高、穩定性優異、壽命長等特點。
（3）光敏傳感器模塊：本文設計中選擇的光敏電阻就是眾多光敏傳感器中的主要的一款傳感器。光傳感器是利用光敏元件將光信號轉換為電信號的傳感器，他不但可以對光進行探測，還可以探測到許多非電量。
（4）溫度傳感器模塊：本設計中選擇的是DS18B20 數字溫度計作為溫度傳感器。DS18B20 數字溫度計是DALLAS 公司生產的1-Wire，即單總線器件，具有線路簡單、體積小的特點。
（5）燈控模塊：本設計中的燈控模塊主要是通過將繼電器安裝燈的開關處，通過控制繼電器的通斷來控制燈的亮滅。
2.4 系統的整體架構
圖6 系統硬件總體設計圖
圖6 所示是其系統的整體架構圖。通過對ZigBee模塊技術的三種網絡拓撲圖的分析，結合智能家居安防的特點，最終確定星型結構的系統硬件總體設計。圖中有一個協調器節點，主要負責無線網絡的建立，保證網絡的正常運行，還要對終端節點加入和退出網絡進行控制和監測。多個終端節點，主要的功能就是進行溫度、氣體、光強、人體感應的ZigBee數據采集，并將數據發送給協調器。
3 結 語
伴隨著快節奏的工作生活，大量的信息覆蓋了人們生活的方方面面，一個能夠幫助人們管理家庭事務信息并分擔家庭事務的智能化環境更加適應發展潮流。而在智能家居中，人們更關心的就是智能家居安防系統。本文利用ZigBee無線模塊，實現了溫度、氣體、光強、人體感應的ZigBee數據采集節點的設計、給出了硬件底板的設計方法以及各個傳感器的選型，最后給出了智能家居安防系統的硬件總體設計圖。