基于ZigBee的樓宇安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戴 林

（江蘇科技大學(xué) 江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是繼因特網(wǎng)之后，對(duì)21世紀(jì)人類生活方式產(chǎn)生重大影響的IT技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，將邏輯上的信息世界與客觀的物理世界融合在一起，改變了人與機(jī)器、人與自然的交互方式，未來人們將通過無所不在的傳感器網(wǎng)絡(luò)接觸自然、感知客觀世界，從而極大地?cái)U(kuò)展人類認(rèn)識(shí)世界的能力[1]。

ZigBee是一種網(wǎng)絡(luò)容量大、節(jié)點(diǎn)體積小、低功耗、低速率的無線通信技術(shù)，主要用來實(shí)現(xiàn)信息的采集與處理。由于Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積小，組網(wǎng)靈活，部署方便，功耗極低，所以是很用來組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]。由于其優(yōu)秀的組網(wǎng)能力，使得它和其他無線通信技術(shù)在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持?jǐn)?shù)量眾多的節(jié)點(diǎn)，這點(diǎn)對(duì)于大型的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中需要大量的傳感器和控制器的場(chǎng)合是非常重要的[2]。本文所設(shè)計(jì)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)樓宇監(jiān)控系統(tǒng)主要以樓宇內(nèi)重要設(shè)備為主要監(jiān)控對(duì)象，可以實(shí)時(shí)的獲取各個(gè)終端設(shè)備的狀態(tài)信息，并可通過移動(dòng)通信模塊對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

1 系統(tǒng)的主要功能和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 樓宇安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要功能

樓宇安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由管理中心，ZigBee節(jié)點(diǎn)（包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)）組成[3]。管理中心運(yùn)行系統(tǒng)管理軟件，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜拓?fù)責(zé)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)管理、維護(hù)等功能；ZigBee節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)設(shè)備及環(huán)境監(jiān)控[4]。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要功能如下：

1)管理中心配置網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行；

2)管理中心能夠定位具體網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；

3)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)可以完成自身位置移動(dòng)監(jiān)測(cè)并報(bào)警；

4)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)未經(jīng)授權(quán)離開監(jiān)控區(qū)域可報(bào)警；

5)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)自身狀態(tài)、環(huán)境信息上報(bào)功能；

6)管理中心可以通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)通信模塊對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ZigBee樓宇安全監(jiān)控系統(tǒng)中，各類監(jiān)控設(shè)備在樓宇內(nèi)部署模型如圖1所示。

圖1中假設(shè)被監(jiān)控樓宇為4層，每一層都有兩部樓梯與上下相通。樓宇內(nèi)需要檢測(cè)的重要設(shè)備都被安裝上監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。由于樓宇內(nèi)建筑環(huán)境復(fù)雜，墻壁、鐵器、裝修材料設(shè)施對(duì)2.4GHz的ZigBee信號(hào)有著較強(qiáng)的衰減、反射、吸收、多徑等影響，為了能夠保持網(wǎng)絡(luò)的有效連通性，在每一樓層上都部署有路由節(jié)點(diǎn)，且為了保證路由節(jié)點(diǎn)彼此能夠有效通信，路由節(jié)點(diǎn)放置在通信效果較好的部位，而監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與被監(jiān)控設(shè)備一起放于各個(gè)房間；在樓宇的合適地方設(shè)置一個(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)來對(duì)樓宇內(nèi)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。管理中心與被監(jiān)控樓宇通過帶有GPRS模塊的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署模型Fig. 1 Deployment model of security monitoring system for ZigBee network

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，由于需要監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，要求硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須簡(jiǎn)單，才能有效降低功耗。因此監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)整個(gè)硬件系統(tǒng)十分精簡(jiǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2，只包括以下幾個(gè)部分：CC2430片上系統(tǒng)[5]、32 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘和32.768 kHz的實(shí)時(shí)時(shí)鐘、調(diào)試接口、串行接口、天線以及為系統(tǒng)供電的電池。所以總體上看，除了CC2430片上系統(tǒng)是主要能耗者，其余電路部分與CC2430片上系統(tǒng)相比能耗基本可以忽略，CC2430芯片正常工作時(shí)的功耗也很低，所以整個(gè)系統(tǒng)十分省電，具有極低的功耗，可以滿足長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的需要。

圖2 監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Hardware structure of monitoring node

2.2 路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

樓宇監(jiān)控系統(tǒng)中為了能夠有效降低監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)的功耗，延長(zhǎng)子節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間，降低用戶維護(hù)成本，監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)自身不具備報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)能力，它只針對(duì)自身監(jiān)控設(shè)計(jì)進(jìn)行信息采集，并完成上報(bào)功能，上報(bào)數(shù)據(jù)要通過路由節(jié)點(diǎn)完成。為增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸本文設(shè)計(jì)大功率的路由節(jié)點(diǎn)。該大功率路由節(jié)點(diǎn)就是在圖2的基礎(chǔ)上通過增加一個(gè)CC2591射頻前端[1]來提高發(fā)送功率和接收靈敏度，從而達(dá)到增加傳輸距離的目的。由于增加了一個(gè)射頻前端系統(tǒng)，供電使用紐扣電池已不能滿足要求，因此將電源模塊進(jìn)行改進(jìn)，采用TI的TPS7303電源模塊的輸出對(duì)整個(gè)大功率節(jié)點(diǎn)供電。TPS73033在輸入電壓范圍為3.3～6 V時(shí)能夠輸出穩(wěn)定的3.3 V電壓，可通過外接5 V/200 mA的直流電源供電。

3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)部署的中心，是網(wǎng)絡(luò)管理、控制、命令下達(dá)的主節(jié)點(diǎn)，直接與管理中心相通信，完成網(wǎng)絡(luò)的配置及管理協(xié)調(diào)的功能。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)自身帶有GSM/GPRS模塊[6]，以便同遠(yuǎn)距離管理中心聯(lián)系，以保證數(shù)據(jù)快速到達(dá)。GSM/GPRS模塊的使用可以讓管理中心擺脫地域限制，同時(shí)也可以將重要信息隨時(shí)發(fā)送給臨時(shí)脫崗的管理員，提高管理的靈活性，保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收集監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的各種信息，發(fā)布網(wǎng)絡(luò)管理的各種命令，它可以通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖3。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)除了GSM/GPRS模塊，還包括以下外圍功能部件：

1)溫度傳感器芯片。協(xié)調(diào)器可以通過外接的溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境溫度，異常情況下可以進(jìn)行報(bào)警。

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件圖Fig. 3 Hardware diagram of the coordinator node

2)電源管理部分。包括電源管理芯片和外接的可充電鋰電池，電源管理芯片可以進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，同時(shí)也能夠?qū)Τ潆婋姵剡M(jìn)行充電，這樣一個(gè)部件可以保證系統(tǒng)在有外接電源的情況下，利用外接電源進(jìn)行供電，一旦外接電源不在，則可以利用充電電池為系統(tǒng)供電，以保證系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)利用片內(nèi)電源監(jiān)測(cè)程序，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控充電電磁電量，提醒用戶充電。

3)串行接口和USB接口部分。串行接口主要有電平轉(zhuǎn)換芯片和串口組成，利用還接口協(xié)調(diào)器可以連接到管理中心，完成數(shù)據(jù)傳送；如果管理中心沒有串口，則可以利用USB接口部件同協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相連，簡(jiǎn)便的完成數(shù)據(jù)通信。

4)時(shí)鐘部分。主要包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘和系統(tǒng)時(shí)鐘。

5)CC2430部分。也是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)核心部分，利用該處理器完成網(wǎng)絡(luò)的組建、管理、命令發(fā)送、數(shù)據(jù)上傳等功能，在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中心，CC2430一直處于工作狀態(tài)，以完成網(wǎng)絡(luò)中各種事件的相關(guān)處理，由于CC2430畢竟是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，能力有限，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以設(shè)計(jì)將部分工作轉(zhuǎn)移給管理中心完成。

4 組網(wǎng)及路由協(xié)議軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)程序以及路由器、監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)程序。它們包括初始化程序、協(xié)議棧配置、組網(wǎng)方式配置程序、各處理層設(shè)置程序以及發(fā)射程序和接收程序。初始化程序主要對(duì)CC2430、協(xié)議棧、UART串口等進(jìn)行初始化；發(fā)射程序?qū)⑺杉~數(shù)據(jù)通過CC2430調(diào)制并通過DMA直接發(fā)送至射頻輸出；接收程序完成數(shù)據(jù)的接收、傳送及返回信息處理。主程序如圖4所示。

主程序包括兩部分，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序以及路由器、監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)程序。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主程序，首先初始化CC2430，然后初始化協(xié)議棧，之后建立新網(wǎng)絡(luò)，確定網(wǎng)絡(luò)的ID號(hào)和頻道號(hào)，然后系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)。如果有新的設(shè)備申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，則為其分配網(wǎng)絡(luò)地址，批準(zhǔn)其加入網(wǎng)絡(luò)。同理，協(xié)調(diào)器接收監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的信息，并通過串口或者USB發(fā)送給上位機(jī)，或者從上位機(jī)得到命令，發(fā)送給監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖Fig. 4 Flow diagram of the main program

而路由器、監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)程序，首先初始化CC2430，然后初始化協(xié)議棧。系統(tǒng)進(jìn)入搜索網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)附近有網(wǎng)絡(luò)存在時(shí)，則申請(qǐng)入網(wǎng)。若無網(wǎng)絡(luò)存在，系統(tǒng)進(jìn)入休眠待機(jī)狀態(tài)，監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)有信息發(fā)送，或者接收到協(xié)調(diào)器的命令，則喚醒設(shè)備，進(jìn)行無線發(fā)送或接受。當(dāng)事件處理處理完時(shí)，系統(tǒng)重新進(jìn)入待機(jī)休眠狀態(tài)。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了方便對(duì)個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，開發(fā)管理層程序?qū)Ω鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。該程序?yàn)檫\(yùn)行在導(dǎo)控中心的系統(tǒng)管理軟件，負(fù)責(zé)對(duì)全部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行可視化管理，包括節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、節(jié)點(diǎn)丟失報(bào)警、狀態(tài)異常報(bào)警、節(jié)點(diǎn)信息管理、系統(tǒng)用戶管理、并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等功能。本軟件基于.NET Framework 2.0,使用Microsoft Visual Studio 2005環(huán)境開發(fā)，C#為主要開發(fā)語言，并使用SQL Sever 2005作為數(shù)據(jù)庫(kù)。圖5顯示基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的樓宇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在位情況監(jiān)測(cè)，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間未收到節(jié)點(diǎn)發(fā)送的位置信息，則認(rèn)為節(jié)點(diǎn)丟失，并向管理系統(tǒng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)丟失報(bào)警信息。管理系統(tǒng)可實(shí)時(shí)查詢節(jié)點(diǎn)的信息。

圖5 基于ZigBee的樓宇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理中心Fig. 5 Management center of building monitoring system based on ZigBee

6 結(jié) 論

文中給出基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的樓宇安全檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，主要是通過基于CC2430的ZigBee節(jié)點(diǎn)組成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，可以通過運(yùn)行管理軟件，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜拓?fù)責(zé)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)管理、維護(hù)等功能。即使管理員距離監(jiān)控樓宇較遠(yuǎn)，管理中心也可以通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)通信模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，使住戶更加安全、舒適、方便。

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