基于Zigbee技術(shù)的防溺水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧呈軒

摘 要：針對(duì)近年來溺水事故頻繁發(fā)生的情況，設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee技術(shù)的防溺水系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用Zigbee技術(shù)、GPRS等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用CC2530模擬了防溺水系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信，在各個(gè)易發(fā)生事故的水域提供實(shí)時(shí)監(jiān)控、定位跟蹤、信息實(shí)時(shí)傳送等服務(wù)。初步應(yīng)用結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)可以有效防止溺水事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：Zigbee；防溺水系統(tǒng)；局域網(wǎng)協(xié)議；數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)

中圖分類號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.011

我國(guó)夏季各地市普遍高溫，尤其是暑假期間，一些中、小學(xué)生常前往江、河、湖等天然水域游泳，常發(fā)生溺水事件。近年來，在全國(guó)各地的中、小學(xué)校園安全事故中，主要以溺水和交通事故為主，兩類事故的數(shù)量占全年各類事故總數(shù)的50.89%.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)屬于一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，其特點(diǎn)是通信近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可嵌入各種設(shè)備。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）等。

Zigbee協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)，協(xié)議的每一層為其上一層提供一系列透明的特殊服務(wù)，比如數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)控制服務(wù)等。層與層之間通過服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）連接，每個(gè)SAP都支持一定數(shù)量的服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)所需的功能。在協(xié)議棧中，所有數(shù)據(jù)通信都用幀的格式組織，每一層都有特定的幀結(jié)構(gòu)。比如，當(dāng)應(yīng)用程序需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過APS的數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)送請(qǐng)求到APS子層，然后在以下的每一層都會(huì)為其附加由各層幀頭組成的幀信息。

GPRS是通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service）的簡(jiǎn)稱，它是GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS是GSM的延續(xù)，它與以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包（Packet）的方式來傳輸?shù)?。因此，使用者所?fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料為單位計(jì)算的，并非使用其整個(gè)頻道，從理論上看較為便宜。GPRS的傳輸速率可達(dá)56～114 kBps。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)分為感知層、服務(wù)器層、

網(wǎng)絡(luò)層、用戶層。感知層即為危險(xiǎn)區(qū)域的Zigbee網(wǎng)關(guān)，它將實(shí)時(shí)監(jiān)控得到的數(shù)據(jù)打包通過GPRS發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)在服務(wù)器層經(jīng)過分析后得到反饋指令，再通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸至用戶層。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)

由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)在通信上會(huì)消耗較大的能量，因此，選用了功耗較小的CC2530為通信器件設(shè)計(jì)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)一般由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元，通信單元（射頻模塊）和電源單元組成。CC2530集成了RF、256 kB閃存、8 kB的RAM 和8 051八位MCU核。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)中，CC2530需要實(shí)現(xiàn)的功能及其外圍模塊主要分為3個(gè)部分：①通過A/D口控制傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，控制無線RF模塊完成數(shù)據(jù)收發(fā)；②通過I/O口相應(yīng)的主機(jī)控制，傳感器采集的數(shù)據(jù)也可通過I/O口與微處理器相連；③通過RS-232/485接口可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)的通信。

CC2530電路圖如圖2所示。

該系統(tǒng)按照樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無線傳感器，主要由Zigbee網(wǎng)關(guān)和端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)功能。Zigbee網(wǎng)關(guān)具有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的功能，能與網(wǎng)絡(luò)中的任意設(shè)備通信；端節(jié)點(diǎn)能定時(shí)將實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到ZigBee網(wǎng)關(guān)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)對(duì)接的ZigBee網(wǎng)關(guān)將采集得到的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)層，并通過網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)器層與用戶層通信。此外，系統(tǒng)的各個(gè)端節(jié)點(diǎn)可通過ZigBee協(xié)議通信。

3.2 Zigbee網(wǎng)關(guān)

Zigbee網(wǎng)關(guān)建立于ARM-Linux嵌入式平臺(tái)上，Linux系統(tǒng)具有安全、可靠、穩(wěn)定的特點(diǎn)。ARM嵌入式處理器具有性能強(qiáng)大、成本低廉和功耗小等特點(diǎn)，不僅具有處理數(shù)據(jù)功能，也適用于對(duì)運(yùn)算速度要求較高的場(chǎng)合，且可與Linux完美兼容。

該系統(tǒng)采用S3C2440作為主控制芯片，是三星公司生產(chǎn)的一款基于ARM920T核的16/32位RISC微處理器，其主頻為400 MHz，具有性能強(qiáng)大、功耗小、體積小、接口多的特點(diǎn)。S3C2440的接口如圖3所示。

ARM單片機(jī)、GPRS模塊與Zigbee模塊共同組成了Zigbee網(wǎng)關(guān)。ZigBee模塊負(fù)責(zé)與端節(jié)點(diǎn)的通信，并將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到ARM單片機(jī)上處理，并將ARM單片機(jī)的數(shù)據(jù)指令發(fā)送給所有端節(jié)點(diǎn)或某個(gè)端節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域環(huán)境的監(jiān)測(cè)；GPRS模塊負(fù)責(zé)感知層、服務(wù)器層與移動(dòng)用戶設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。

GPRS模塊采用SIMCOM公司的SIM900A模塊，它能支持GPRS multi-slot class10或class8，編碼格式為CS-1、CS-2、CS-3、CS-4.SIM900A自帶TCP/IP協(xié)議。在數(shù)據(jù)傳輸方面，擴(kuò)展的AT指令操作非常便捷。

GPRS無線傳輸網(wǎng)絡(luò)包塊控制器模塊、GPRS模塊、Zigbee協(xié)調(diào)器和外部設(shè)備，主要負(fù)責(zé)接收、處理數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行危險(xiǎn)報(bào)警判斷，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。主控制器與GPRS模塊之間通過RS232串口連接，并通過判斷實(shí)時(shí)監(jiān)控得到的數(shù)據(jù)執(zhí)行報(bào)警、群發(fā)短信等功能。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件包括節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、ARM-linux嵌入式系統(tǒng)軟件和Zigbee網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳遞。該系統(tǒng)使用的Z-Stack是TI推出的IEEE 802.15.4產(chǎn)品和平臺(tái)兼容的協(xié)議棧，能與Zigbee 2007和Zigbee 2006規(guī)范兼容，支持包括MSP430+CC2520、CC2430和 CC2530等在內(nèi)的多種平臺(tái)。Z-Stack支持智能能源和家庭自動(dòng)化模板，正被世界上成千上萬的開發(fā)者所使用。Z-Stack的開發(fā)環(huán)境為IAR。IAR Embedded WorkBench是IAR System公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，可提供一個(gè)嵌入式開發(fā)的完整的集成環(huán)境，用于編譯、調(diào)試C或C++編寫的應(yīng)用程序、監(jiān)測(cè)片上的Flash數(shù)據(jù)、寄存器等。

其他大規(guī)模、復(fù)雜的程序用C語言編程可提高程序的可讀性。ARM-linux嵌入式系統(tǒng)軟件采用基于Linux系統(tǒng)C++的Socket網(wǎng)絡(luò)編程，程序流程如圖5所示。

5 結(jié)束語

本文基于Zigbee技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種運(yùn)用GPRS等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的防溺水系統(tǒng)。在Zigbee協(xié)議的基礎(chǔ)上，論述了系統(tǒng)組網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)、基本原理、硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)流程等。該系統(tǒng)在事故易發(fā)生水域及其他危險(xiǎn)水域的應(yīng)用具有很好的效果，可從根源上減少乃至防止溺亡事故的發(fā)生。

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〔編輯：張思楠〕