基于ZigBee通信網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)安防系統設計

摘要 基于傳統安防系統在終端采集相應信息、以有線(xiàn)通信方式上傳至監控中心模式易導致如布線(xiàn)繁瑣、無(wú)法實(shí)現終端設備全覆蓋及無(wú)法進(jìn)行信息共享等局限性。文中設計 了一種基于ZigBee通信網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)安防平臺。該平臺通過(guò)ZigBee在監控區域內搭建一個(gè)性能穩定的通信網(wǎng)絡(luò )，使各子系統能夠在該網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下采集相應 的數據信息，并通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )上傳至監控中心，在實(shí)現信息共享的同時(shí)達到智能化和高效能的目的。

關(guān)鍵詞 無(wú)線(xiàn)安防系統;ZigBee技術(shù);CC2530;MSP430

隨著(zhù)科技的進(jìn)步，人們對安防系統提出了新的要求，如智能化、高性?xún)r(jià)比和信息可共享等。目前使用的安防系統通常表現為針對性強的特點(diǎn)，但這一現狀導致 系統之間無(wú)法進(jìn)行信息共享，不能達到效能最大化?；谶@種現狀，文中提出在監控區域內建立一個(gè)基于ZigBee功能強大的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )系統。該系統集成了 多種安防手段，從而實(shí)現了系統之間信息共享，滿(mǎn)足人們對安防系統的特定要求。

1 ZigBee技術(shù)概述

有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在通信過(guò)程中的局限性催生了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信系統建立的思想。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)已相對完善。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )主要分為WWAN(無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng))、WLAN(無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng))和WPAN(無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng))。ZigBee是基于IEEE 802.15.4標準的，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、工業(yè)控制、醫療場(chǎng)所及農業(yè)自動(dòng)化等涉及自動(dòng)控制和遠程控制領(lǐng)域，屬于低速無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )(Low-Rate Wireless Perosonal Area Network，LR—WPAN)。

2 系統整體設計方案

本文所研究和設計的無(wú)線(xiàn)安防系統，集合多種先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，不僅包括ZigBee無(wú)線(xiàn)技術(shù)，還涉及GPS定位技術(shù)和ANT無(wú)線(xiàn)技術(shù)等，使之形成一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統平臺。本文以實(shí)現該系統中3個(gè)子系統的功能為例，即實(shí)現人員定位、物品管理、車(chē)輛跟蹤3個(gè)目標。

如圖1所示，該系統主要包括終端信息采集、數據處理模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和用戶(hù)終端等。終端設備采集的信息，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊，即ZigBee無(wú)線(xiàn)通 信網(wǎng)絡(luò )，上傳至數據處理模塊;數據處理模塊對來(lái)自ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的數據進(jìn)行分析處理后存入數據庫;用戶(hù)終端可登錄位置服務(wù)器請求感興趣的數據，數據 處理模塊提供查詢(xún)軟件顯示用戶(hù)終端請求的數據。操作人員根據監控軟件顯示數據對各終端進(jìn)行監測，并處理突發(fā)情況。

2.1 系統硬件設計

通過(guò)對上述系統組成框架的研究與分析，文中設計了該系統的底層硬件平臺。由上述分析可知，終端設備負責將采集到的相關(guān)信息上傳至ZigBee通信網(wǎng) 絡(luò )中最近的路由節點(diǎn)，該節點(diǎn)負責把數據經(jīng)過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給ZigBee協(xié)調器，協(xié)調器再將這些數據上傳至數據處理模塊。因此，ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的高性 能組網(wǎng)與通信是本系統設計的關(guān)鍵，考慮到系統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)化子系統平臺的搭建流 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，考慮到通信模塊必須安裝ZigBee協(xié)議棧，微處理器應自 帶一定容量的可編程Flash存儲器，在系統設計過(guò)程中，選用TI公司的MSP430F2112作為核心MCU，其他模塊均為常見(jiàn)器件。ZigBee通信 模塊主要包括ZigBee路由節點(diǎn)和ZigBee協(xié)調器兩部分。目前，主流的無(wú)線(xiàn)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(mǎn)足2.4 GHz ZigBee產(chǎn)品使用要求的射頻IC，主要用于開(kāi)發(fā)低功耗無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，如智能家居系統、樓宇自動(dòng)化系統、工業(yè)監控系統和無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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ZigBee通信模塊的主芯片。 CC2530采用標準8051處理器，經(jīng)過(guò)特別設計的處理器內核不僅具有低功耗、高速度、低噪聲的優(yōu)良性能，且不會(huì )因8051內核的高速運行對高頻通訊產(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(hù)節省成本并縮短開(kāi)發(fā)周期;最為關(guān)鍵之處在于CC2530還可通過(guò)外掛一個(gè)功率放大 芯片CC2591加大數據的傳輸強度和距離，這對于一些障礙物多、通信環(huán)境復雜的場(chǎng)合較為適用。

2.2 軟件設計

系統中所有數據的傳輸均是通過(guò)ZigBee通信網(wǎng)絡(luò )實(shí)現的，因此組建一個(gè)性能穩定可靠的ZigBee通信網(wǎng)絡(luò )是系統設計的重要工作?？紤]到部分軟件 設計的復雜性，故選取CC2530的ZigBee方案。CC2530的制造廠(chǎng)商TI公司提供了完備的ZigBee協(xié)議棧Z—STACK，該協(xié)議?？烧J為是 一個(gè)軟件包，集合了ZigBee組網(wǎng)的路由算法、數據轉發(fā)模式及核心芯片各引腳的功能包，且是一個(gè)開(kāi)放版本，開(kāi)發(fā)者可根據實(shí)際需求來(lái)修改對應的功能包。這 樣做不僅可節省開(kāi)發(fā)者的時(shí)間、減少開(kāi)發(fā)難度及強度，且還具有高效的ZigBee自組網(wǎng)能力，實(shí)現路由選擇和數據轉發(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)調器來(lái)完成的，因此組網(wǎng)的第一步就是ZigBee協(xié)調器的確立。由于任何一 個(gè)全功能節點(diǎn)均可擔當協(xié)調器的角色，因此在各節點(diǎn)上電后，其會(huì )根據路由算法確定自身的協(xié)調器，而協(xié)調器通過(guò)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性，尤其是協(xié)調器的選擇會(huì )有不確定性。在實(shí)際應用中，協(xié)調器可能還會(huì )具有一些特殊的功能，例如在本設計 中，協(xié)調器除了負責建立網(wǎng)絡(luò )外，還負責將所有數據搜集并將數據打包通過(guò)網(wǎng)口傳送給數據處理模塊;此外，位置服務(wù)器下達的一些指令也是通過(guò)位置協(xié)調器下發(fā)給 各功能節點(diǎn)，所以協(xié)調器的硬件設計會(huì )有區別于其他的路由節點(diǎn)。因此在本設計中，人為指定協(xié)調器，并給其分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò )ID，該協(xié)調器就以此網(wǎng)絡(luò )ID組建一個(gè) ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，組建過(guò)程如圖4所示。

3 系統測試

根據上述無(wú)線(xiàn)安防系統的組織架構、技術(shù)實(shí)現手段以及底層電路與軟件的設計。文中從應用層的角度，結合無(wú)線(xiàn)安防系統的實(shí)例，主要從物品管理方面測試本系統的應用價(jià)值。

物品管理主要是針對一些貴重或危險物品的管理。系統會(huì )自動(dòng)給這些物品劃定一個(gè)安全區域，在未經(jīng)申請的情況下，這些物品不能隨便離開(kāi)這一區域，否則系 統就會(huì )接到報警。在測試過(guò)程中，當物品被移動(dòng)時(shí)，震動(dòng)傳感器會(huì )給出啟動(dòng)信號，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )與數據處理模塊進(jìn)行通信，同時(shí)與設定的安全位移進(jìn)行比 對，若移動(dòng)的位置在安全位移之內，則不發(fā)出報警信號，該比對過(guò)程將持續進(jìn)行;當檢測到物品移動(dòng)的距離超出預先設置的安全位移時(shí)，便通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸報警信 號到數據處理中心，監控人員會(huì )根據用戶(hù)終端管理系統顯示的相關(guān)報警信息進(jìn)行應急處理與操作。

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

4 結束語(yǔ)

通過(guò)對當前安防領(lǐng)域現狀分析，本文確定了將無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)應用于安防領(lǐng)域的方案。無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的應用，可以使傳統安防系統的工程布線(xiàn)大幅度減少，降低 了施工成本;同時(shí)，無(wú)線(xiàn)安防系統可提高系統的智能化和數字化，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。由于安防系統的服務(wù)對象 通常是一個(gè)特定的集體，可根據集體成員自身的分布特點(diǎn)，打造屬于特定對象的安防系統，這將有利于無(wú)線(xiàn)安防系統的進(jìn)一步發(fā)展。