基于ZigBee通信網(wǎng)絡的無線安防系統(tǒng)設計

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

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

隨著科技的進步，人們對安防系統(tǒng)提出了新的要求，如智能化、高性價比和信息可共享等。目前使用的安防系統(tǒng)通常表現(xiàn)為針對性強的特點，但這一現(xiàn)狀導致 系統(tǒng)之間無法進行信息共享，不能達到效能最大化。基于這種現(xiàn)狀，文中提出在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)建立一個基于ZigBee功能強大的無線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了 多種安防手段，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)之間信息共享，滿足人們對安防系統(tǒng)的特定要求。

1 ZigBee技術(shù)概述

有線網(wǎng)絡在通信過程中的局限性催生了無線網(wǎng)絡通信系統(tǒng)建立的思想。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，無線網(wǎng)絡通信技術(shù)已相對完善。無線網(wǎng)絡主要分為WWAN(無線廣域網(wǎng))、WLAN(無線局域網(wǎng))和WPAN(無線個域網(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，主要適用于智能家居系統(tǒng)、工業(yè)控制、醫(yī)療場所及農(nóng)業(yè)自動化等涉及自動控制和遠程控制領域，屬于低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(Low-Rate Wireless Perosonal Area Network，LR—WPAN)。

2 系統(tǒng)整體設計方案

本文所研究和設計的無線安防系統(tǒng)，集合多種先進的無線技術(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，使之形成一個無線網(wǎng)絡系統(tǒng)平臺。本文以實現(xiàn)該系統(tǒng)中3個子系統(tǒng)的功能為例，即實現(xiàn)人員定位、物品管理、車輛跟蹤3個目標。

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。終端設備采集的信息，通過無線通信模塊，即ZigBee無線通 信網(wǎng)絡，上傳至數(shù)據(jù)處理模塊;數(shù)據(jù)處理模塊對來自ZigBee無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)進行分析處理后存入數(shù)據(jù)庫;用戶終端可登錄位置服務器請求感興趣的數(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)對各終端進行監(jiān)測，并處理突發(fā)情況。

2.1 系統(tǒng)硬件設計

通過對上述系統(tǒng)組成框架的研究與分析，文中設計了該系統(tǒng)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信息上傳至ZigBee通信網(wǎng) 絡中最近的路由節(jié)點，該節(jié)點負責把數(shù)據(jù)經(jīng)過通信網(wǎng)絡發(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)絡的高性 能組網(wǎng)與通信是本系統(tǒng)設計的關鍵，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，有利于簡化子系統(tǒng)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(tǒng)設計過程中，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)點和ZigBee協(xié)調(diào)器兩部分。目前，主流的無線通信網(wǎng)絡解決方案通常有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，如智能家居系統(tǒng)、樓宇自動化系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)和無線傳感網(wǎng)絡等;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采用標準8051處理器，經(jīng)過特別設計的處理器內(nèi)核不僅具有低功耗、高速度、低噪聲的優(yōu)良性能，且不會因8051內(nèi)核的高速運行對高頻通訊產(chǎn) 生影響。同時，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;最為關鍵之處在于CC2530還可通過外掛一個功率放大 芯片CC2591加大數(shù)據(jù)的傳輸強度和距離，這對于一些障礙物多、通信環(huán)境復雜的場合較為適用。

2.2 軟件設計

系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的傳輸均是通過ZigBee通信網(wǎng)絡實現(xiàn)的，因此組建一個性能穩(wěn)定可靠的ZigBee通信網(wǎng)絡是系統(tǒng)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，且是一個開放版本，開發(fā)者可根據(jù)實際需求來修改對應的功能包。這 樣做不僅可節(jié)省開發(fā)者的時間、減少開發(fā)難度及強度，且還具有高效的ZigBee自組網(wǎng)能力，實現(xiàn)路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)自動完成，使得高質(zhì)量的 ZigBee通信得到保證。ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡的組建是由一個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 個全功能節(jié)點均可擔當協(xié)調(diào)器的角色，因此在各節(jié)點上電后，其會根據(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網(wǎng)絡ID，然后再利用這一網(wǎng)絡 ID建立網(wǎng)絡，但這種自動組網(wǎng)的方式有較大的隨機性，尤其是協(xié)調(diào)器的選擇會有不確定性。在實際應用中，協(xié)調(diào)器可能還會具有一些特殊的功能，例如在本設計 中，協(xié)調(diào)器除了負責建立網(wǎng)絡外，還負責將所有數(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，位置服務器下達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，所以協(xié)調(diào)器的硬件設計會有區(qū)別于其他的路由節(jié)點。因此在本設計中，人為指定協(xié)調(diào)器，并給其分配一個網(wǎng)絡ID，該協(xié)調(diào)器就以此網(wǎng)絡ID組建一個 ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡，組建過程如圖4所示。

3 系統(tǒng)測試

根據(jù)上述無線安防系統(tǒng)的組織架構(gòu)、技術(shù)實現(xiàn)手段以及底層電路與軟件的設計。文中從應用層的角度，結(jié)合無線安防系統(tǒng)的實例，主要從物品管理方面測試本系統(tǒng)的應用價值。

物品管理主要是針對一些貴重或危險物品的管理。系統(tǒng)會自動給這些物品劃定一個安全區(qū)域，在未經(jīng)申請的情況下，這些物品不能隨便離開這一區(qū)域，否則系 統(tǒng)就會接到報警。在測試過程中，當物品被移動時，震動傳感器會給出啟動信號，通過ZigBee網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)處理模塊進行通信，同時與設定的安全位移進行比 對，若移動的位置在安全位移之內(nèi)，則不發(fā)出報警信號，該比對過程將持續(xù)進行;當檢測到物品移動的距離超出預先設置的安全位移時，便通過無線網(wǎng)絡傳輸報警信 號到數(shù)據(jù)處理中心，監(jiān)控人員會根據(jù)用戶終端管理系統(tǒng)顯示的相關報警信息進行應急處理與操作。

圖5為用戶終端在物品管理子系統(tǒng)界面下模擬某個貴重物品被非法移動時的報警信息。點擊“物品管理”按鈕便進入子系統(tǒng)界面。

4 結(jié)束語

通過對當前安防領域現(xiàn)狀分析，本文確定了將無線通信技術(shù)應用于安防領域的方案。無線通信技術(shù)的應用，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，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。由于安防系統(tǒng)的服務對象 通常是一個特定的集體，可根據(jù)集體成員自身的分布特點，打造屬于特定對象的安防系統(tǒng)，這將有利于無線安防系統(tǒng)的進一步發(fā)展。