基于ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的無線安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 基于傳統(tǒng)安防系統(tǒng)在終端采集相應(yīng)信息、以有線通信方式上傳至監(jiān)控中心模式易導(dǎo)致如布線繁瑣、無法實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備全覆蓋及無法進(jìn)行信息共享等局限性。文中設(shè)計(jì) 了一種基于ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的無線安防平臺(tái)。該平臺(tái)通過ZigBee在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)搭建一個(gè)性能穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)，使各子系統(tǒng)能夠在該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下采集相應(yīng) 的數(shù)據(jù)信息，并通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)控中心，在實(shí)現(xiàn)信息共享的同時(shí)達(dá)到智能化和高效能的目的。

關(guān)鍵詞 無線安防系統(tǒng);ZigBee技術(shù);CC2530;MSP430

隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)安防系統(tǒng)提出了新的要求，如智能化、高性價(jià)比和信息可共享等。目前使用的安防系統(tǒng)通常表現(xiàn)為針對(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，但這一現(xiàn)狀導(dǎo)致 系統(tǒng)之間無法進(jìn)行信息共享，不能達(dá)到效能最大化?；谶@種現(xiàn)狀，文中提出在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)建立一個(gè)基于ZigBee功能強(qiáng)大的無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了 多種安防手段，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)之間信息共享，滿足人們對(duì)安防系統(tǒng)的特定要求。

1 ZigBee技術(shù)概述

有線網(wǎng)絡(luò)在通信過程中的局限性催生了無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)建立的思想。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已相對(duì)完善。無線網(wǎng)絡(luò)主要分為WWAN(無線廣域網(wǎng))、WLAN(無線局域網(wǎng))和WPAN(無線個(gè)域網(wǎng))。ZigBee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的，其具有低功耗、低成本和近距離等優(yōu)點(diǎn)，主要適用于智能家居系統(tǒng)、工業(yè)控制、醫(yī)療場(chǎng)所及農(nóng)業(yè)自動(dòng)化等涉及自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，屬于低速無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(Low-Rate Wireless Perosonal Area Network，LR—WPAN)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本文所研究和設(shè)計(jì)的無線安防系統(tǒng)，集合多種先進(jìn)的無線技術(shù)，不僅包括ZigBee無線技術(shù)，還涉及GPS定位技術(shù)和ANT無線技術(shù)等，使之形成一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺(tái)。本文以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)中3個(gè)子系統(tǒng)的功能為例，即實(shí)現(xiàn)人員定位、物品管理、車輛跟蹤3個(gè)目標(biāo)。

如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括終端信息采集、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊和用戶終端等。終端設(shè)備采集的信息，通過無線通信模塊，即ZigBee無線通 信網(wǎng)絡(luò)，上傳至數(shù)據(jù)處理模塊;數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)來自ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后存入數(shù)據(jù)庫;用戶終端可登錄位置服務(wù)器請(qǐng)求感興趣的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù) 處理模塊提供查詢軟件顯示用戶終端請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。操作人員根據(jù)監(jiān)控軟件顯示數(shù)據(jù)對(duì)各終端進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并處理突發(fā)情況。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通過對(duì)上述系統(tǒng)組成框架的研究與分析，文中設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的底層硬件平臺(tái)。由上述分析可知，終端設(shè)備負(fù)責(zé)將采集到的相關(guān)信息上傳至ZigBee通信網(wǎng) 絡(luò)中最近的路由節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將這些數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)處理模塊。因此，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的高性 能組網(wǎng)與通信是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，考慮到系統(tǒng)各部分基本都用到了ZigBee通信部分，所以將ZigBee通信部分模塊化，有利于簡(jiǎn)化子系統(tǒng)平臺(tái)的搭建流 程。如圖2所示為ZigBee通信模塊的原理框圖。

由圖2可知，ZigBee通信模塊主要包括6個(gè)子模塊。微處理器采用16位高性能單片機(jī)，考慮到通信模塊必須安裝ZigBee協(xié)議棧，微處理器應(yīng)自 帶一定容量的可編程Flash存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，選用TI公司的MSP430F2112作為核心MCU，其他模塊均為常見器件。ZigBee通信 模塊主要包括ZigBee路由節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)器兩部分。目前，主流的無線通信網(wǎng)絡(luò)解決方案通常有RF+MCU和單芯片集成SOC兩種方式。 RF+MCU 模式主要包括CC2420和MSP430，其是由TI公司推出的首款滿足2.4 GHz ZigBee產(chǎn)品使用要求的射頻IC，主要用于開發(fā)低功耗無線網(wǎng)絡(luò)，如智能家居系統(tǒng)、樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)等;而MC1319x和 GT60組合是由Freescale公司推出的一款工作于2.4 GHz頻段包含IEEE802.15.4協(xié)議的無線組網(wǎng)模塊，其優(yōu)點(diǎn)是短距離、低功耗;單片集成的SOC方案主要包括TI的CC2530和 Freesclae的MC1321x兩種。采用TI的單芯片集成SOC解決方案，以芯片CC2530作為本系統(tǒng)ZigBee通信模塊的主芯片。 CC2530采用標(biāo)準(zhǔn)8051處理器，經(jīng)過特別設(shè)計(jì)的處理器內(nèi)核不僅具有低功耗、高速度、低噪聲的優(yōu)良性能，且不會(huì)因8051內(nèi)核的高速運(yùn)行對(duì)高頻通訊產(chǎn) 生影響。同時(shí)，其還可以直接移植TI公司的Z—Stack協(xié)議棧，為用戶節(jié)省成本并縮短開發(fā)周期;最為關(guān)鍵之處在于CC2530還可通過外掛一個(gè)功率放大 芯片CC2591加大數(shù)據(jù)的傳輸強(qiáng)度和距離，這對(duì)于一些障礙物多、通信環(huán)境復(fù)雜的場(chǎng)合較為適用。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的傳輸均是通過ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，因此組建一個(gè)性能穩(wěn)定可靠的ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要工作?？紤]到部分軟件 設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，故選取CC2530的ZigBee方案。CC2530的制造廠商TI公司提供了完備的ZigBee協(xié)議棧Z—STACK，該協(xié)議?？烧J(rèn)為是 一個(gè)軟件包，集合了ZigBee組網(wǎng)的路由算法、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模式及核心芯片各引腳的功能包，且是一個(gè)開放版本，開發(fā)者可根據(jù)實(shí)際需求來修改對(duì)應(yīng)的功能包。這 樣做不僅可節(jié)省開發(fā)者的時(shí)間、減少開發(fā)難度及強(qiáng)度，且還具有高效的ZigBee自組網(wǎng)能力，實(shí)現(xiàn)路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)自動(dòng)完成，使得高質(zhì)量的 ZigBee通信得到保證。ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的組建是由一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器來完成的，因此組網(wǎng)的第一步就是ZigBee協(xié)調(diào)器的確立。由于任何一 個(gè)全功能節(jié)點(diǎn)均可擔(dān)當(dāng)協(xié)調(diào)器的角色，因此在各節(jié)點(diǎn)上電后，其會(huì)根據(jù)路由算法確定自身的協(xié)調(diào)器，而協(xié)調(diào)器通過搜索篩選確定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID，然后再利用這一網(wǎng)絡(luò) ID建立網(wǎng)絡(luò)，但這種自動(dòng)組網(wǎng)的方式有較大的隨機(jī)性，尤其是協(xié)調(diào)器的選擇會(huì)有不確定性。在實(shí)際應(yīng)用中，協(xié)調(diào)器可能還會(huì)具有一些特殊的功能，例如在本設(shè)計(jì) 中，協(xié)調(diào)器除了負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)外，還負(fù)責(zé)將所有數(shù)據(jù)搜集并將數(shù)據(jù)打包通過網(wǎng)口傳送給數(shù)據(jù)處理模塊;此外，位置服務(wù)器下達(dá)的一些指令也是通過位置協(xié)調(diào)器下發(fā)給 各功能節(jié)點(diǎn)，所以協(xié)調(diào)器的硬件設(shè)計(jì)會(huì)有區(qū)別于其他的路由節(jié)點(diǎn)。因此在本設(shè)計(jì)中，人為指定協(xié)調(diào)器，并給其分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID，該協(xié)調(diào)器就以此網(wǎng)絡(luò)ID組建一個(gè) ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，組建過程如圖4所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)上述無線安防系統(tǒng)的組織架構(gòu)、技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段以及底層電路與軟件的設(shè)計(jì)。文中從應(yīng)用層的角度，結(jié)合無線安防系統(tǒng)的實(shí)例，主要從物品管理方面測(cè)試本系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。

物品管理主要是針對(duì)一些貴重或危險(xiǎn)物品的管理。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給這些物品劃定一個(gè)安全區(qū)域，在未經(jīng)申請(qǐng)的情況下，這些物品不能隨便離開這一區(qū)域，否則系 統(tǒng)就會(huì)接到報(bào)警。在測(cè)試過程中，當(dāng)物品被移動(dòng)時(shí)，震動(dòng)傳感器會(huì)給出啟動(dòng)信號(hào)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行通信，同時(shí)與設(shè)定的安全位移進(jìn)行比 對(duì)，若移動(dòng)的位置在安全位移之內(nèi)，則不發(fā)出報(bào)警信號(hào)，該比對(duì)過程將持續(xù)進(jìn)行;當(dāng)檢測(cè)到物品移動(dòng)的距離超出預(yù)先設(shè)置的安全位移時(shí)，便通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸報(bào)警信 號(hào)到數(shù)據(jù)處理中心，監(jiān)控人員會(huì)根據(jù)用戶終端管理系統(tǒng)顯示的相關(guān)報(bào)警信息進(jìn)行應(yīng)急處理與操作。

圖5為用戶終端在物品管理子系統(tǒng)界面下模擬某個(gè)貴重物品被非法移動(dòng)時(shí)的報(bào)警信息。點(diǎn)擊“物品管理”按鈕便進(jìn)入子系統(tǒng)界面。

4 結(jié)束語

通過對(duì)當(dāng)前安防領(lǐng)域現(xiàn)狀分析，本文確定了將無線通信技術(shù)應(yīng)用于安防領(lǐng)域的方案。無線通信技術(shù)的應(yīng)用，可以使傳統(tǒng)安防系統(tǒng)的工程布線大幅度減少，降低 了施工成本;同時(shí)，無線安防系統(tǒng)可提高系統(tǒng)的智能化和數(shù)字化，提升工作效率及安防性能，并減少安防死角，從而做到真正的安全防護(hù)。由于安防系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象 通常是一個(gè)特定的集體，可根據(jù)集體成員自身的分布特點(diǎn)，打造屬于特定對(duì)象的安防系統(tǒng)，這將有利于無線安防系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。