基于ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的無線安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的無線安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬曉艷1,徐貴2,馬曉娟1

(1.興天通訊技術(shù)有限公司 系統(tǒng)設(shè)計(jì)部,天津301700;2.天津天盛鼎和通信工程有限公司 系統(tǒng)設(shè)計(jì)部,天津301700)

摘要基于傳統(tǒng)安防系統(tǒng)在終端采集相應(yīng)信息、以有線通信方式上傳至監(jiān)控中心模式易導(dǎo)致如布線繁瑣、無法實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備全覆蓋及無法進(jìn)行信息共享等局限性。文中設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)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(gè)性能穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò),使各子系統(tǒng)能夠在該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息,并通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)控中心,在實(shí)現(xiàn)信息共享的同時(shí)達(dá)到智能化和高效能的目的。

關(guān)鍵詞無線安防系統(tǒng);ZigBee技術(shù);CC2530;MSP430

收稿日期:2015-05-11

作者簡介:馬曉艷(1981—),女,工程師。研究方向:通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail:ma.xiaoyan5@zte.com.cn。徐貴(1984—),男,工程師。研究方向:通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.12.032

中圖分類號TP277文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

Research on and Design of ZigBee Wireless Communication Network Based Security System

MA Xiaoyan1,XU Gui2,MA Xiaojuan1

(1.Department of System Design,Xingtian Communication Technology Co.,Tianjin 301700,China;2.Department of

System Design,Tianjin Tiansheng Dinghe and Communication System Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 301700,China)

AbstractThe model that capture the key information captured at termination and wired communications with the surveillance center based on traditional security systems easily leads to complex wire,high cost,poor flexibility and blind spots due to the terminal equipment limited monitoring ability and lacking information shared.A security platform is proposed and designed using ZigBee wireless communication network to solve the problem.A communications network with stable performance is built via ZigBee in the monitoring area,enabling various subsystems to collect appropriate data and information under the network environment and upload to the monitoring center through ZigBee wireless communications network,thus intelligent and efficient information sharing.

Keywordswireless security system;ZigBee technology;CC2530;MSP430

隨著科技的進(jìn)步,人們對安防系統(tǒng)提出了新的要求,如智能化、高性價(jià)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(qiáng)的特點(diǎn)[1-2],但這一現(xiàn)狀導(dǎo)致系統(tǒng)之間無法進(jìn)行信息共享,不能達(dá)到效能最大化[3-4]。基于這種現(xiàn)狀,文中提出在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)建立一個(gè)基于ZigBee功能強(qiáng)大的無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[5-7]。該系統(tǒng)集成了多種安防手段,從而實(shí)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。

1ZigBee技術(shù)概述

有線網(wǎng)絡(luò)在通信過程中的局限性催生了無線網(wǎng)絡(luò)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(luò)通信技術(shù)已相對完善。無線網(wǎng)絡(luò)主要分為WWAN(無線廣域網(wǎng))、WLAN(無線局域網(wǎng))和WPAN(無線個(gè)域網(wǎng))[7-8]。ZigBee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)、工業(yè)控制、醫(yī)療場所及農(nóng)業(yè)自動(dòng)化等涉及自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,屬于低速無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(Low-Rate Wireless Personal Area Network,LR-WPAN)[9]。

2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本文所研究和設(shè)計(jì)的無線安防系統(tǒng),集合多種先進(jìn)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(gè)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺。本文以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)中3個(gè)子系統(tǒng)的功能為例,即實(shí)現(xiàn)人員定位、物品管理、車輛跟蹤3個(gè)目標(biāo)。

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(shè)備采集的信息,通過無線通信模塊,即ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò),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(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后存入數(shù)據(jù)庫;用戶終端可登錄位置服務(wù)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(jìn)行監(jiān)測,并處理突發(fā)情況。

圖1　系統(tǒng)組成原理框圖

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通過對上述系統(tǒng)組成框架的研究與分析,文中設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的底層硬件平臺。由上述分析可知,終端設(shè)備負(fù)責(zé)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(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)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(luò)的高性能組網(wǎng)與通信是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)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。

圖2　ZigBee通信模塊原理框圖

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(jī),考慮到通信模塊必須安裝ZigBee協(xié)議棧,微處理器應(yīng)自帶一定容量的可編程Flash存儲(chǔ)器,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)器兩部分。目前,主流的無線通信網(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(luò),如智能家居系統(tǒng)、樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)等;而MCl319x和GT60組合是由Freescale公司推出的一款工作于2.4 GHz頻段包含IEEE 802.15.4協(xié)議的無線組網(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MCl321x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(biāo)準(zhǔn)8051處理器,經(jīng)過特別設(shè)計(jì)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(huì)因8051內(nèi)核的高速運(yùn)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,為用戶節(jié)省成本并縮短開發(fā)周期;最為關(guān)鍵之處在于CC2530還可通過外掛一個(gè)功率放大芯片CC2591加大數(shù)據(jù)的傳輸強(qiáng)度和距離,這對于一些障礙物多、通信環(huán)境復(fù)雜的場合較為適用[10]。

圖3　硬件設(shè)計(jì)原理圖

2.2軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的傳輸均是通過ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的,因此組建一個(gè)性能穩(wěn)定可靠的ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要工作?？紤]到部分軟件設(shè)計(jì)的復(fù)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)議棧可認(rèn)為是一個(gè)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(gè)開放版本,開發(fā)者可根據(jù)實(shí)際需求來修改對應(yīng)的功能包。這樣做不僅可節(jié)省開發(fā)者的時(shí)間、減少開發(fā)難度及強(qiáng)度,且還具有高效的ZigBee自組網(wǎng)能力,實(shí)現(xiàn)路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)自動(dòng)完成,使得高質(zhì)量的ZigBee通信得到保證[1-2]。ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的組建是由一個(gè)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(gè)全功能節(jié)點(diǎn)均可擔(dān)當(dāng)協(xié)調(diào)器的角色,因此在各節(jié)點(diǎn)上電后,其會(huì)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(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(jī)性,尤其是協(xié)調(diào)器的選擇會(huì)有不確定性。在實(shí)際應(yīng)用中,協(xié)調(diào)器可能還會(huì)具有一些特殊的功能,例如在本設(shè)計(jì)中,協(xié)調(diào)器除了負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)外,還負(fù)責(zé)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(wù)器下達(dá)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(diǎn),所以協(xié)調(diào)器的硬件設(shè)計(jì)會(huì)有區(qū)別于其他的路由節(jié)點(diǎn)。因此在本設(shè)計(jì)中,人為指定協(xié)調(diào)器,并給其分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID,該協(xié)調(diào)器就以此網(wǎng)絡(luò)ID組建一個(gè)ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),組建過程如圖4所示。

圖4　軟件設(shè)計(jì)流程圖

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(shí)現(xiàn)手段以及底層電路與軟件的設(shè)計(jì)。文中從應(yīng)用層的角度,結(jié)合無線安防系統(tǒng)的實(shí)例,主要從物品管理方面測試本系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。

物品管理主要是針對一些貴重或危險(xiǎn)物品的管理。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給這些物品劃定一個(gè)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(huì)接到報(bào)警。在測試過程中,當(dāng)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ZigBee網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行通信,同時(shí)與設(shè)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(nèi),則不發(fā)出報(bào)警信號,該比對過程將持續(xù)進(jìn)行;當(dāng)檢測到物品移動(dòng)的距離超出預(yù)先設(shè)置的安全位移時(shí),便通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸報(bào)警信號到數(shù)據(jù)處理中心,監(jiān)控人員會(huì)根據(jù)用戶終端管理系統(tǒng)顯示的相關(guān)報(bào)警信息進(jìn)行應(yīng)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(gè)貴重物品被非法移動(dòng)時(shí)的報(bào)警信息。點(diǎn)擊“物品管理”按鈕便進(jìn)入子系統(tǒng)界面。

圖5　系統(tǒng)的測試結(jié)果

4結(jié)束語

通過對當(dāng)前安防領(lǐng)域現(xiàn)狀分析,本文確定了將無線通信技術(shù)應(yīng)用于安防領(lǐng)域的方案。無線通信技術(shù)的應(yīng)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(shí),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(hù)。由于安防系統(tǒng)的服務(wù)對象通常是一個(gè)特定的集體,可根據(jù)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(tǒng),這將有利于無線安防系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。

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