基于ZigBee的振動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

管超+邵小桃

摘要：隨著無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)步，利用無(wú)線技術(shù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控、跟蹤、定位成為現(xiàn)實(shí)。傳統(tǒng)的無(wú)線防盜技術(shù)存在著諸多不可逾越的障礙，而ZigBee技術(shù)具有功耗低、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點(diǎn)，它為無(wú)線防盜技術(shù)提供了比較完美的解決方案。本次設(shè)計(jì)的振動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)是利用集成了8051內(nèi)核的CC2530芯片為核心的ZigBee開(kāi)發(fā)套件實(shí)現(xiàn)的。連接有振動(dòng)傳感器的下位機(jī)不斷檢測(cè)外部振動(dòng)，將檢測(cè)到的信號(hào)通過(guò)無(wú)線方式傳給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)下位機(jī)發(fā)送的信息，發(fā)出控制指令控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：通信與信息系統(tǒng)；振動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)；ZigBee技術(shù)；CC2530；振動(dòng)傳感器

中圖分類號(hào)：TN92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.3969/i.issn.1003-6970.2015.06.027

本文著錄格式：管超，邵小桃，基于ZigBee的振動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].軟件，2015，36（6）：146-151

DesignandImplementationoftheVibrationAlarmSystemBasedonZigBee

GUANChao，SHAOXiao-tao

[Abstract]：Withthedevelopmentofwirelesscommunicationtechnology，monitoring，trackingandpositioningobjectbywirelesstechnologyhasbeenachieved.Traditionalwirelessanti-theftsystemhasmanytroublesomeobstacles.Withlowpowerconsumption，reliabledatacommunications，considerablenetworkcapacityandotheradvantages，ZigBeetechnologymakesaperfectsolutiontothewirelessanti-theftsystem.ThealarmsystemforvibrationisachievedbytheZigBeedevelopmentkitwhichusestheCC2530chip，integrating8051kernel，asitscore.Connectingwithvibrationsensor，theMCUcontinuouslydetectstheexternalvibration，andthedetectedsignalwillbesenttothehostcomputerviawirelessnetwork.AccordingtotheinformationsentbytheMCU，thehostcomputerissuescontrolinstructionstorelatedpartofsystem.

[Keywords]：Communicationandinformationsystem；Vibrationalarmsystem；ZigBeetechnology；CC2530；Vibrationsensor

0引言

隨著生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越著重人身財(cái)產(chǎn)的安全，如發(fā)生了險(xiǎn)情，若能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就能及早制止，避免釀成重大事件。及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，一方面依靠人的警惕，另一方面還要借助于一定的設(shè)備。本設(shè)計(jì)就是為了滿足現(xiàn)代住宅防盜的需要而設(shè)計(jì)的基于ZigBee的振動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。目前報(bào)警系統(tǒng)的信號(hào)傳輸方式主要是有線和無(wú)線兩種。有線方式具有通訊可靠、抗干擾能力強(qiáng)、器件成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是其機(jī)動(dòng)性差、不能較好地適應(yīng)用戶及產(chǎn)品的多變要求；無(wú)線方式具有靈活、簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)，需求日益擴(kuò)大，越來(lái)越得到用戶的認(rèn)可，但是其容易受到干擾，傳輸穩(wěn)定性和抗干擾性也存在不足，價(jià)格較高[1]。

作為一種新興的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被成為IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.15.4協(xié)議主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用[2]。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，是建立在ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上的。ZigBee協(xié)議棧是建立在OSI（OpenSystemInterconnect，開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)）基本參考模型的基礎(chǔ)上的，是OSI七層模型的精簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)模型。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)使用IEEE802.15.4的物理層和MAC層協(xié)議作為ZigBee協(xié)議棧的一部分，并自己定義了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全協(xié)議，因此任何ZigBee設(shè)備和IEEE標(biāo)準(zhǔn)都是兼容的[3-4]。

ZigBee具有白組織網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，新的節(jié)點(diǎn)經(jīng)上電之后，就能收聽(tīng)鄰近節(jié)點(diǎn)，只要滿足接入標(biāo)準(zhǔn)，就可以加入網(wǎng)絡(luò)[5]。通過(guò)使用低功耗、低成本、低速率的短距離無(wú)線通信新標(biāo)準(zhǔn)ZigBee來(lái)組建防盜報(bào)警網(wǎng)絡(luò)，不僅解決了傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)布線難、成本高以及不易擴(kuò)展等問(wèn)題，還能基本解決現(xiàn)有無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)存在誤報(bào)警等問(wèn)題。

1系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)分為節(jié)點(diǎn)部分和主機(jī)部分。節(jié)點(diǎn)部分的各路傳感器不斷檢測(cè)外部環(huán)境，并將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送給ZigBee套件1，ZigBee套件1通過(guò)無(wú)線方式將信號(hào)傳給ZigBee套件2，ZigBee套件2通過(guò)串口方式再將信號(hào)傳給上位機(jī)。

上位機(jī)無(wú)線接收到下位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，并且通過(guò)串口發(fā)迭信號(hào)給ZigBee套件3，從而控制蜂鳴器，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中，我們主要用到的硬件包括三套ZigBee套件（ZigBee套件1、ZigBee套件2、ZigBee套件3）、振動(dòng)傳感器、三極管開(kāi)關(guān)電路和蜂鳴器。

ZigBee套件包括功能底板和CC2530核心板。功能底板白帶USB轉(zhuǎn)串口功能（PL-2303），方便筆記本用戶，同時(shí)具有Debug接口，兼容TI標(biāo)準(zhǔn)仿真T具。它還包括常用的串口引腳、SV/3.3V引腳、電源指示燈、組網(wǎng)指示燈和普通LED。CC2530核心板使用2.4G全向天線，可靠傳輸距離達(dá)250米，白動(dòng)重連的距離高達(dá)110米。CC2530芯片是一個(gè)真正的用于IEEE802.15.4，ZigBee和RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530集成了業(yè)界領(lǐng)先的RF收發(fā)器、增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU，在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，8KBRAM和許多其它強(qiáng)大的功能。

振動(dòng)傳感器采用MEC原裝振動(dòng)開(kāi)關(guān)SW-18015P，靈敏度高，對(duì)環(huán)境振動(dòng)敏感，一般用來(lái)檢測(cè)周圍環(huán)境的振動(dòng)強(qiáng)度；模塊在無(wú)振動(dòng)或者振動(dòng)強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)，DO口輸出高電平，當(dāng)外界振動(dòng)強(qiáng)度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，模塊DO輸出低電平；小板數(shù)字量輸出DO可以與單片機(jī)直接相連，通過(guò)單片機(jī)來(lái)檢測(cè)高低電平，由此來(lái)檢測(cè)環(huán)境的振動(dòng)；小板數(shù)字量輸出DO可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器模塊，由此可以組成一個(gè)振動(dòng)開(kāi)關(guān)。

首先我們需要將振動(dòng)傳感器連接到ZigBee套件1上，首先要在ZigBee套件1的P2.0，3.3V.GND三個(gè)串口上焊接上三個(gè)排針，然后將這三個(gè)串口用杜邦線分別連接到振動(dòng)傳感器的DO，VCC，GND三個(gè)引腳上。

接下來(lái)，只需要將ZigBee套件2通過(guò)USB線和電腦的COM5口連接起來(lái)即可。最后需要將ZigBee套件3通過(guò)USB線和電腦的COM4口連接起來(lái)，然后在PI.O口上焊接上排針，因?yàn)橛玫?.3V蜂鳴器是需要電流驅(qū)動(dòng)的，而Pl.0口輸出的只是高低電平（其中高電平為3.3V，低電平為0.3V），所以此處需要將Pl.0口連接一個(gè)三極管的開(kāi)關(guān)電路，從而驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的10口驅(qū)動(dòng)能力不夠讓蜂鳴器發(fā)出聲音，所以我們通過(guò)三極管放大驅(qū)動(dòng)電流，可以讓蜂鳴器發(fā)出聲音，你要是輸出高電平，三極管導(dǎo)通，集電極電流通過(guò)蜂鳴器讓蜂鳴器發(fā)m聲音，當(dāng)輸出低電平時(shí)，三極管截止，沒(méi)有電流流過(guò)蜂鳴器，所以就不會(huì)發(fā)出聲音。

如上圖所示，三極管開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)三極管S9012（PNP）和一個(gè)1K的電阻。首先將電阻一端連接到三極管的基極，另一端與Pl.0口相連，然后分別將ZigBee套件3上P7模塊的3.3V引腳連接到三極管的發(fā)射極，再將蜂鳴器的一端連接到三極管的集電極，另一端連接到ZigBee套件3上P7模塊的GND引腳。

3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1無(wú)線傳輸程序

無(wú)線傳輸程序是基于ZigBee協(xié)議棧的程序，我們需要將程序添加到協(xié)議棧中，并通過(guò)仿真器分別以終端和協(xié)調(diào)器的方式將程序下載到ZigBee套件1和ZigBee套件2中去。連接振動(dòng)傳感器的終端（ZigBee套件1）將檢測(cè)到的信息通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給協(xié)調(diào)器（ZigBee套件2），協(xié)調(diào)器通過(guò)串口方式與上位機(jī)（筆記本）連接，通過(guò)串口將信息發(fā)送給上位機(jī)。

（1）首先需要初始化P2.0引腳，設(shè)置為輸入模式。

（2）利用周期性點(diǎn)播的定時(shí)器作為振動(dòng)信息采集時(shí)間，將采集到的信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器只做串口打印，0.5秒采集一次。

#defineSAMPLEAPP—SEND—PERIODIC—MSG—TIMEOUT500//Every0.5seconds

（3）終端每0.5秒執(zhí)行點(diǎn)播函數(shù)一次，我們?cè)邳c(diǎn)播函數(shù)里判斷IO口。

（4）我們利用協(xié)調(diào)器接收函數(shù)將數(shù)據(jù)讀出來(lái)然后判斷。通過(guò)串口打印傳感器信息m來(lái)。

Z-stack系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如下：

3.2上位機(jī)程序

上位機(jī)程序是將協(xié)調(diào)器發(fā)送上來(lái)的信息顯示在電腦屏幕上，并且發(fā)送命令給相關(guān)的器件做出相應(yīng)的反應(yīng)。

上位機(jī)程序需要用到MSComm控件，MSComm拄件是Microsoft公司提供的簡(jiǎn)化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，它既可以用來(lái)提供簡(jiǎn)單的串行端口通信功能，也可以用來(lái)創(chuàng)建功能完備的、事件驅(qū)動(dòng)的高級(jí)通信T具。

通常我們以下面的步驟來(lái)使用VC++.NET的MSComm控件進(jìn)行通信控制：

（1）加入通信部件，也就是MSComm對(duì)象；

（2）設(shè)置通信端口號(hào)碼，即CommPort屬性；

（3）設(shè)置通信協(xié)議，即HandShaking屬性；

（4）設(shè)置傳輸速度等參數(shù)，即Settings屬性；

（5）設(shè)置其它參數(shù)，若必要時(shí)再加上其他的屬性設(shè)置；

（6）打開(kāi)通信端口，即PortOpen屬性設(shè)成True；

（7）送出字符串或讀人字符串，使用Input及Output屬性；

（8）使用完MSComm通信對(duì)象后，將通信端口關(guān)閉。即PortOpen屬性設(shè)成False。

3.3串口下傳程序

串口下傳程序?yàn)槁銠C(jī)程序，不需要使用協(xié)議棧。同樣需要將裸機(jī)程序通過(guò)仿真器下載到ZigBee套件3。通過(guò)定義串口Pl.0和Pl.l來(lái)控制LED1（紅）和LED2（綠）的亮與滅。當(dāng)沒(méi)有振動(dòng)時(shí)，LEDl=1，LED2=0，即紅燈滅，綠燈亮，顯示沒(méi)有險(xiǎn)情；當(dāng)有振動(dòng)時(shí)，LEDl=0，LED2=1，即紅燈亮，綠燈滅，顯示有險(xiǎn)情。

4報(bào)警系統(tǒng)功能演示

本系統(tǒng)完成了基于ZigBee的振動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)和基本功能。

1.沒(méi)有振動(dòng)時(shí)：

（1）振動(dòng)傳感器只是電源燈（紅燈）亮，開(kāi)關(guān)燈（綠燈）不亮；

（2）上位機(jī)可視化界面顯示NoVibration（無(wú)振動(dòng)）；

（3）ZigBee套件3綠燈亮，蜂鳴器不響，表明無(wú)險(xiǎn)情。

2.發(fā)生振動(dòng)時(shí)：

（1）傳感器的電源燈（紅燈）亮，開(kāi)關(guān)燈（綠燈）也亮；

（2）上位機(jī)可視化界面顯示GotVibration（有振動(dòng)）；

（3）ZigBee套件3的紅燈亮，蜂鳴器發(fā)出響聲，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

下圖為發(fā)生振動(dòng)時(shí)的實(shí)物圖：

5結(jié)論

基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，具有通信功能強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，有效距離適中，具有良好的應(yīng)用前景。文中將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于振動(dòng)報(bào)警報(bào)警系統(tǒng)，采用無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，利用高性價(jià)比的CC2530芯片實(shí)現(xiàn)了無(wú)線系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)之間的相互通信。使用IAR開(kāi)發(fā)平臺(tái)作為系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，分別完成數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和中心協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)完成了基于ZigBee的基于ZigBee的振動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)和基本功能，還需進(jìn)一步的完善和改進(jìn)才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)用性。相信通過(guò)改進(jìn)后的系統(tǒng)應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)中，不僅可以減少在監(jiān)管方面的投入，還可以在最短的時(shí)間內(nèi)報(bào)告險(xiǎn)情，將損失降到最低。

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