基于GSM和Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)安防系統

　　引言

　　目前，城市安防系統越來(lái)越受到人們的重視，客戶(hù)對安防系統的功能和性能方面的要求也越來(lái)越高。

　　本文提出了一種基于GSM和Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)安防系統，該系統的特點(diǎn)在于利用GSM和Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )優(yōu)勢，實(shí)現了安防系統的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化，省去了繁瑣的布線(xiàn)過(guò)程，實(shí)現了安防信息的多點(diǎn)、遠距離傳輸，提高了安防系統的安全性、可靠性與隱蔽性。

　　1 系統方案

　　該系統方案主要設計特點(diǎn)是將Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與GSM網(wǎng)絡(luò )相結合。使用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )不僅省去布線(xiàn)的麻煩，增加了安防傳感器布局的靈活性，而且可以防止通信電纜被破壞，提高了安全性。整個(gè)系統結構如圖1所示。

　　系統把帶有Zigbee協(xié)議的模塊嵌入到被動(dòng)紅外、玻璃破碎、門(mén)磁、煙感及煤氣泄露等安防設備中，作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)節點(diǎn)。例如，當發(fā)生盜竊時(shí)，被動(dòng)紅外傳感器檢測到盜賊進(jìn)入監控區域，它觸發(fā)節點(diǎn)芯片的中斷，從而激活節點(diǎn)芯片，芯片會(huì )自動(dòng)通過(guò)Zigbee無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊把打好的報警數據包發(fā)送出去。

　　Zigbee協(xié)調器是Zigbee網(wǎng)絡(luò )與外部GSM網(wǎng)絡(luò )的接口，作為系統的核心負責整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的管理以及數據的轉發(fā)，它通過(guò)收發(fā)模塊接收安防監控節點(diǎn)的數據，由嵌入式控制器對接收到的數據進(jìn)行必要的處理，然后將其經(jīng)過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到保安中心，實(shí)現快速安全報警。

　　整個(gè)系統主要可以分為Zigbee協(xié)調器和Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)兩部分。

　　1.1 Zigbee協(xié)調器

　　Zigbee協(xié)調器作為整個(gè)系統的中心擔負了許多任務(wù)，因此對負責管理這個(gè)中心的控制器要求較高。

　　而傳統的單片機在某些方面已無(wú)法滿(mǎn)足要求，ARM由于其高性能、低功耗、低成本的特點(diǎn)正是替代傳統單片機的首選。本設計選用ARM9處理器STR912FW44X6芯片為核心，外圍擴展一系列功能模塊，整圖2所示。

　　其中STR912FW44X6是主控芯片，它是由意法半導體公司推出的基于A(yíng)RM966E_S內核的高性能嵌入式芯片，運算速度達96MIPS，支持單周期DSP指令。片內集成了544kB的Flash及96kB的SRAM，支持以太網(wǎng)、USB、UART、12C和CAN通信，有80個(gè)GPIO、8通道 1O位AI）C、3相電機控制器、看門(mén)狗定時(shí)器和9個(gè)可編程DMA通道。系統用1片UART收發(fā)芯片TI公司的TL16C550將GSM模塊連接到ARMCPU的GPIO，實(shí)現GSM短消息報警發(fā)送。

　　GSM通信模塊選用西門(mén)子公司的TC35i模塊，該模塊性能穩定，價(jià)格低廉，具備GSM無(wú)線(xiàn)通信的全部功能，支持TEXT和PDU模式的短消息編碼方式。在RF收發(fā)器上，本設計選用TI公司的Zigbee射頻收發(fā)芯片 CC2420，CC242o采用OQPSK調制方式，支持數據傳輸率高達250kbps，能夠實(shí)現點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。另外，協(xié)調器還根據實(shí)際需要設計了 RS232接口、鍵盤(pán)顯示和現場(chǎng)報警電路。

　　1.2 Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)

　　Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)由安防傳感器和Zigbee終端設備組成，如圖3所示。Zigbee終端設備選用TI公司的Zigbee射頻收發(fā)芯片CC2430，CC2430具有很高的性?xún)r(jià)比，在單個(gè)芯片上整合了Zigbee射頻（RF）、內存和微控制器。

　　它使用1個(gè)8位MCU（8051），具有128kB可編程閃存和8kB的RAM，還包含模擬數字轉換器（ADC）、定時(shí)器、AES128協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復位電路、掉電檢測電路和21個(gè)可編程I／O引腳。

　　2 Zigbee技術(shù)介紹

　　Zigbee是Zigbee聯(lián)盟的產(chǎn)物，這個(gè)由國際上100多家知名軟硬件公司組成的聯(lián)盟致力于制定一個(gè)短距離、低功耗、低速率、低成本的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )標準。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WirelessSensorNetwork，WSN）是指由大量成本相對低廉的，具有感知能力、計算能力、實(shí)時(shí)通信能力的傳感器節點(diǎn)組成的嵌入式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，是當前眾多領(lǐng)域的研究和應用熱點(diǎn)。

　　3 系統軟件實(shí)現

　　GSM通信模塊TC35i通過(guò)AT命令來(lái)進(jìn)行控制，數據傳輸采用短消息方式。AT指令和短消息的編碼、解碼方式是本系統軟件設計的關(guān)鍵，下面重點(diǎn)對兩者作詳細的介紹。

　　3.1 AT指令介紹

　　AT（Attention）指令集是調制解調器通信接口的工業(yè)標準，現在市場(chǎng)上大多數手機均支持GSM7.05規定的AT指令集。該指令集是ETSI（歐洲通信技術(shù)委員會(huì )）發(fā)布的，其中包含了對SMS的控制說(shuō)明。一般的GSM模塊都支持AT指令，因此計算機或單片機可以通過(guò)串口直接向GSM模塊發(fā)送AT指令，來(lái)方便地實(shí)現短信息SMS的發(fā)送、接收和管理。

　　3.2 短消息的編碼方式

　　對短消息的控制共有3種模式：BlockMode；PDUMode；TextMode.目前，PDUMode已取代BlockMode，TextMode不支持中文并且大多數手機不支持這種模式。而國內現在手機和GSM模塊都支持PDU模式，為滿(mǎn)足系統的通用性，本系統短消息采用PDUMode.那么什么是PDU模式昵？簡(jiǎn)單地說(shuō)是發(fā)送或接收手機SMS的一種方法。PDU 串表面上是一串ASCII碼，由o～9、A～F這些數字和字母組成。它們是8位字節的十六進(jìn)制數，或者是BCD碼十進(jìn)制數。PDU串不僅包含消息本身，還包含很多其他信息，如SMS服務(wù)中心號碼、目標號碼、回復號碼、編碼方式和服務(wù)時(shí)間等。發(fā)送和接收的PDU串結構是不完全相同的。下面介紹短消息的PDU 編碼格式（表1，表2）。

　　SCA：短信中心的地址，例如西安為+8613800290500；

　　FO：文件字節頭，發(fā)短信時(shí)設為11；

　　MR：信息類(lèi)型，通常取00；

　　DA：目的地址；

　　0A：發(fā)送方地址；

　　PID：協(xié)議指示標志，通常取O0；

　　DCS：數據編碼方案，O0為7bit編碼，F6為8bit編碼，O8為雙字節編碼；

　　VP：有效期限；

　　UDL：用戶(hù)數據長(cháng)度，即實(shí)際短信內容長(cháng)度；

　　UD：用戶(hù)數據，即短信內容；

　　SCTS：短消息中心時(shí)間戳。

　　3.3 發(fā)送和接收短消息

　　要發(fā)送和接收短消息，利用GSM模塊和手機之間進(jìn)行信息交換，首先就要對信息進(jìn)行PDU格式的編碼和解碼。本系統采用Unicode的編碼形式。Unicode是一種統一的字符編碼標準，采用雙字節對字符進(jìn)行編碼［。這種Unicode的特點(diǎn)是所有的字符是以?xún)蓚€(gè)字節表示，不僅中文使用兩個(gè)字節，而且英文也使用兩個(gè)字節表示。

　　PDU模式下短消息收發(fā)的步驟為：用“AT+CMGF=0”設置為PDU模式；用“AT+CMGS=長(cháng)度”，后面跟PDU包發(fā)送短消息；用“AT+CMGR=序號”來(lái)讀取接收到的短消息。

　　例如，需要發(fā)送信息“家中被盜！”到手機13991885678，單片機首先通過(guò)串口向GSM模塊發(fā)送AT+CMGS=25，等待返回ASCII字符“》”，再輸出PDU數據串并以Ctrl+Z鍵結束。

　　4 結語(yǔ)

　　本設計方案借助于GSM網(wǎng)絡(luò )的短消息業(yè)務(wù)和Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，為安防系統的建設提供了一種靈活、方便的無(wú)線(xiàn)解決方案。該系統具有良好的可擴展性和實(shí)用價(jià)值，可以實(shí)現全方位的安全監控與防護，而其最重要的一點(diǎn)在于，該系統能夠通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可靠地與用戶(hù)通信，增強了系統的安全性、可靠性與隱蔽性。