摘要：本文研究并设计了一种基于Zigbee技术和3G网络通信的新型智能家居监控系统。采用异构传感网相融合的网络架构设计思想，将系统中各传感节点与设备统一管理，实现家居环境与用户移动控制终端之间数据信息的安全传输。测试结果表明，新型智能家居监控系统数据传输可靠性较高，可满足现代社区家居环境对于安防监控的需求。

关键词：智能家居；Zigbee；3G网络；安全监控

引言

随着现代科技的发展及人们生活水品的提高，越来越多的人不再满足于传统的家居生活方式，开始期望出现一种依托现代科技的全新的家居体验，智能家居技术应运而生[1]，无论在传统家居还是智能家居中，安全问题一直是人们关注的焦点问题之一。而一般的家居控制仅拥有家庭局域网络，只能在家庭内部进行监控[2]。本文在此基础之上研究并设计了一种基于Zigbee及3G网络的智能家居监控系统，实现了对家居系统的远程监控，并且能够通过移动终端实时的了解家庭内的环境数据，提高家居生活的安全系数。

1系统架构

本文研究设计的智能家居监控系统采用Zigbee无线传感网络加3G网络架构，家居内部的各种环境数据例如温度，湿度等以及各家用电器的节点数据通过Zigbee无线传感网络传送至嵌入式主控芯片，由嵌入式系统进行综合分析处理，在此基础之上，添加视频监控系统，通过在大门，阳台等存在安全隐患的地方安装摄像头，进行视频监控，进一步提高家居安全系数。视频数据也一并送至嵌入式主控系统，进行压缩、编码等处理。为了方便人们在外出的时候可以实时的了解家庭情况，本文将嵌入式系统收集并处理之后的各家居数据通过3G网络接入Internet，用户可以通过联网的手机、平板电脑等随身携带的移动终端实时的了解家庭内部环境，实现对家居系统的远程控制。系统框图如图1所示。

图1 智能家居监控系统

2硬件设计

2.1 Zigbee无线局域网设计

Zigbee又被称为紫峰技术，是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。一般这个协议规定的通信技术是一种传输距离较短且功耗较低的无线通信技术。其主要特点是低复杂度、低功耗、近距离、低成本、自组织、低数据传输速率。主要适合应用于各类自动控制和远程控制系统，可以嵌入到各种设备中。简而言之，ZigBee技术就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

本文采用的Zigbee技术为CC2530片上系统解决方案，CC2530是由德州仪器开发的一种典型的Zigbee技术解决方案，众所周知，Zigbee无线网络传输技术需要一系列的网络节点作为支撑，本文采用的CC2530能够建立起一个强大的网络节点，但是所需要的成本相对于其他解决方案来说有很大优势，同时CC2530具有一些不同的运行模式，切换不同的运行模式可以有效地降低系统功耗，对整个系统工作的稳定性有着重要意义。

2.1.1Zigbee网络拓扑

采用何种网络拓扑结构将决定局域网内各节点之间消息的传递方式。常见的Zigbee网络拓扑结构有三种：星型网络拓扑、树型网络拓扑、网状网络拓扑。星型网络拓扑选定一个中心节点作为协调器，其周围的相邻终端节点均只与中心节点相互通信，中心节点作为整个网络的核心，需要分析处理所有的数据，必须连续不间断供电。树型网络拓扑是利用路由器对星型网络拓扑做的一些补充即底层的若干个终端节点连接至路由器，各路由器再连接至协调器。通信时各终端的数据首先汇集到路由器，再由路由器传送至协调器。网状拓扑即树型拓扑中的路由节点可以与其附近的其他路由节点相互通信，信息传输方式更加复杂多变。三种网络拓扑结构如图2所示。

图2 三种网络拓扑结构

通过对上述各拓扑结构的分析，结合本文设计需求可知本文更加适合采用星型网络拓扑结构。

2.1.2无线传感网络终端节点设计

终端节点是整个智能家居系统最基础的部分，由传感器采集模块和Zigbee精简功能设备集成而成。终端节点接收到协调器节点发送来的数据采集命令之后，将传感器采集到的家居环境数据经无线传感网络发送至协调器节点，再由具有全设备功能的协调器节点传送至嵌入式系统。

常规的家居环境数据采集传感器如温度传感器，湿度传感器，煤气浓度检测传感器等都有成熟的电路，本文设计中只需将传感器模块与Zigbee模块结合即可组成无线传感器。无线传感器结构如图2所示。在本文的星型Zigbee网络拓扑中，无线传感器作为终端节点只需与协调器节点之间相互通信，接收协调器节点发送的命令，并将传感器采集的数据传送至协调器节点。无线传感器结构如图3所示。

图3无线传感器结构

2.2 监控视频采集处理

在大门、阳台、客厅等室内一些必要的地方安装基于USB接口的数字摄像头，将采集到的视频数据通过USB接口直接送到嵌入式系统中进行压缩及编码处理。数字摄像头可以直接将采集的模拟视频信息转化成数字信号。数字视频信号与模拟视频信号相比具有抗干扰能力强，频谱效率高，图像失真少等优点。目前市场上的摄像头基本以数字摄像头为主，购买及安装使用非常方便。嵌入式主控系统在接收到摄像头发送的数字信号并进行压缩处理之后将视频数据通过3G网络发送至用户的移动终端，方便用户随时通过视频图像了解家居内的安全状况。

3监控系统功能实现

本文系统平台采用ARM-Linux系统，其内核功能与Linux操作系统非常相似，并没有本质区别，驱动程序需要实现的功能也一样。只是在内核编译时，需要移植到ARM上的Linux系统所采用的编译器以及一些头文件和部分库文件会依赖于具体的ARM处理器结构。解决这一问题只需在Makefile文件中制定即可。

3.1视频采集压缩功能实现

本文视频采集功能的实现依靠USB摄像头，其正常工作需要在ARM-Linux中配置相关的驱动程序。Linux中关于视频设备的驱动程序常用的是Video4Linux。它提供了一系列的接口函数供视频设备编程时调用。