基于ZigBee的智能家居安全监控系统设计

收发和图像采集处理。

3. 1 ZigBee无线网络的应用

无线通信的软件设计主要包括：系统异常报警信号的传输和接收、ARM处理器和ZigBee模块之间以及各ZigBee模块之间的数据传输控制等， ZigBee无线通信模块软件流程图如图3所示。其中，根据在网络中所处的层次，将ZigBee模块设定为3个运行模式：

模式1.与系统主板相连。用来接收其他ZigBee模块发送的报警信息和将主板给出的控制信息发送给其他ZigBee模块，是主板与外部设备进行无线通信的核心枢纽。

模式2.通过继电器与家用电器相连，置于接收状态。当接收到其他ZigBee模块发送过来的控制指令时，控制家电执行相应的开关动作。

模式3.通过继电器与传感器相连，置于发送状态。当ZigBee模块接收到传感器的报警信号时，将报警信号发送给其他ZigBee模块。

模块的模式可通过拨码开关进行设定。不同模式的模块负责各层间数据和指令的传输，构成了家庭安防局域网。

图3 无线通信模块的软件流程

3. 2 彩信及短信的收发实现

彩信模块可实现SMS和MMS的收发功能，通过AT指令进行控制。首先要进行模块初始化配置，如设置接入点、IP设定、设置MMS通信模式、设置服务器网址等。

Xmodem协议的开始标志是文件接收方发出"NAK"字节，文件发送方在收到该信号后发送数据帧，双方开始正常通信过程。基于Xmodem协议上传图片的流程如图4所示。

图4　发送文件流程

3. 3 异常状态检测

本系统能够通过图像方式，对外人入侵、火灾等室内异常情况进行自动判别。其智能性主要体现在：系统软件能够对环境状态进行自学，从而能适应背景环境的变化；对于临界状态，能够自动启动状态跟踪监控，通过多幅图片获得准确的判断结果。以背景差分法和帧间差分法为基础，采用了动静阈值结合法。整个目标的检测过程主要包括：图像预处理；量化函数运动检测（或小目标运动跟踪检测） ; 异常情况判别及处理。

当系统接收到摄像机传送的新图像后，首先进行预处理和去噪，以得到可以量化物体运动或异常区域的二值图像；然后进行异常状态分析与判断。系统采用两种异常量化函数：基于全局的位图处理和抽查检测处理。然后，根据异常量化函数指标进行特定的后续操作。若需进入异常报警处理程序，则传送报警信号，发送MMS信息，并存储当前视频等；若需进入临界异常跟踪，则启动临界异常跟踪程序；否则进行背景更换判定并等待获取下一幅监控图像。

4 系统测试及实验数据分析

本系统采用运动目标检测算法，实现对监视对象的图像处理与异常判断，占背景面积8‰的小目标都能被系统识别。系统有效消除了因环境光线变化、背景微变、小目标渐进运动等因素引起的系统误判。采用本系统软、硬件进行入侵事件检测，其实验图片及检测效果如图5所示。

图5 入侵事件跟踪检测效果

为验证ZigBee通信在智能家居安全监控系统中的性能，测试了两组性能指标：
①无障碍状态下，随着距离的增加，数据丢包率、接收功率和自由空间衰减的变化情况；
②数据传输距离为30 m时，随着障碍物增加而产生的丢包率；实验数据分别如表1、表2所示。

接收功率根据CC2430芯片内建的RSSI （接收信号强度指示） 测得， RSSI的值存放在寄存器RSSIL.

RSSI_VAL中，其与接收功率的对应关系如下：
P =RSSI_VAL +RSSI_OFFSET[ dBm ].
其中， RSSI_OFFSET是经验取值，约为- 45 dB.

表1 无障碍物时的测试数据

表2 存在障碍时的30 m距离测试数据

实验结果表明，在无障碍物传输距离为80 m以内时，传输数据的丢包率低于1%,能够充分满足正常家居环境的通信需要，而且接收功率很低，非常适合家庭的使用； ZigBee模块之间通信传输距离为30 m时，穿过2堵水泥墙的丢包率仅为1%，穿过1堵水泥墙时丢包率为0% ,完全能够满足系统设计的要求。

5 结束语

本研究提出并设计完成一种基于ZigBee的智能家居安全监控系统，分别从系统功能介绍、硬件设计、软件设计、实验数据分析等方面分析了ZigBee技术在该系统中的应用。将ZigBee技术应用于智能家居中，实现了快速率、低成本、低功耗的无线网络通信。通过将传统传感器报警系统和图像监控系统相结合，形成了新型的智能安防系统。用户可以通过手机或PC机接收MMS信息，根据需要进行远程手机设定，从而实现灵活、便捷的家庭安全监控。