張海生　涂婧璐　郭毅　曾祥燕

摘要：針對(duì)目前安防系統(tǒng)在施工成本、施工難度、維修維護(hù)難度等存在的局限性，該文提出了將ZigBee無線技術(shù)與安防監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)個(gè)人家庭的盜竊、火警、煤氣泄漏等安全事故的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：安防系統(tǒng)；ZigBee；CC2530

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2012）34-8329-03

伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，人們的生活水平和生活質(zhì)量在逐步提高，人們對(duì)生活品質(zhì)特別是家庭人身和財(cái)產(chǎn)安全有了更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和追求，安防系統(tǒng)越來越受到人們的重視。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2010年全國(guó)安防行業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到了2300億元，“十一五”期間年均增長(zhǎng)超過20%；據(jù)安防行業(yè)“十二五”規(guī)劃消息，2015年安防行業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模將翻一番總產(chǎn)值達(dá)5000億，整個(gè)安防市場(chǎng)趨于高增長(zhǎng)狀態(tài)。

在安防產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的背景下，減小安防系統(tǒng)工程的施工難度、維修維護(hù)難度和降低工程的經(jīng)濟(jì)成本，成為安防行業(yè)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一，并且大部分家庭住所并不都有安保人員和高質(zhì)量的小區(qū)安保系統(tǒng)。現(xiàn)有的安防系統(tǒng)大部分采用有線方式敷設(shè)，工程施工繁瑣、可擴(kuò)展性差、不易維護(hù)。因此，將安防系統(tǒng)從中高檔小區(qū)向中低端的個(gè)人家庭延伸；從有線安防向無線安防延伸，成為本文研究的內(nèi)容。

1ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee技術(shù)是一種新興的近距離、低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)率、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee工作在2.4GHz、868MHz和915MHz3個(gè)頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi)，也可以根據(jù)需要繼續(xù)增加。ZigBee具有如下特點(diǎn)：

低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，而且采用了休眠模式，ZigBee設(shè)備可以確保兩節(jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間。

成本低：ZigBee工作在2.4GHz、868MHz和915MHz3個(gè)頻段上，而且這三個(gè)頻段均為免費(fèi)開放頻段，加之ZigBee模塊價(jià)格在市場(chǎng)中也非常低廉。

網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活如網(wǎng)狀網(wǎng)、樹形網(wǎng)、星形網(wǎng)等。

可靠：ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能自動(dòng)搜索并組網(wǎng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化或者故障，網(wǎng)絡(luò)可以自我調(diào)整和修復(fù)。

安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了AES-128的加密算法，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于ZigBee技術(shù)的家用安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要面向個(gè)人家庭，應(yīng)盡量降低系統(tǒng)成本，一般個(gè)人家庭大小的半徑在30米以內(nèi)，基于ZigBee技術(shù)的無線系統(tǒng)完全能滿足需求，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該方案的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是將ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與GSM網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成，其中傳感器節(jié)點(diǎn)的功能主要是對(duì)信息進(jìn)行采集處理和無線傳輸，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心其功能主要包括組建網(wǎng)絡(luò)、管理和監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)并與GSM網(wǎng)絡(luò)相連，一旦檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生警情便立即發(fā)送警情報(bào)告。

2.1系統(tǒng)組網(wǎng)方式

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持網(wǎng)狀型、星型和簇狀型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了，組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的物理設(shè)備有兩大類型，一種是全功能設(shè)備簡(jiǎn)稱FFD設(shè)備（FullFunctionDevice），另一種是精簡(jiǎn)功能設(shè)備簡(jiǎn)稱RFD設(shè)備（Reduced）。其中，F(xiàn)FD設(shè)備可提供全部的IEEE802.15.4MAC服務(wù)，可充當(dāng)任何ZigBee設(shè)備，因此FFD設(shè)備不僅可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，還具備路由功能；而RFD設(shè)備只提供部分的IEEE802.15.4MAC服務(wù)，只能充當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)，它只負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給FFD設(shè)備，并不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)等功能。

另外ZigBee標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中有三種擔(dān)負(fù)不同功能任務(wù)的設(shè)備：協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)。通常協(xié)調(diào)器和路由器是FFD設(shè)備，終端節(jié)點(diǎn)是RFD設(shè)備。在一個(gè)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中（即PANID相同的各節(jié)點(diǎn)）只有唯一一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、多個(gè)路由器和多個(gè)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成。當(dāng)一個(gè)FFD節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)先要檢測(cè)有沒有網(wǎng)絡(luò)存在，如果已經(jīng)存在網(wǎng)絡(luò)，它將作為子設(shè)備加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，如果不存在，作為網(wǎng)絡(luò)上的第一個(gè)設(shè)備將充當(dāng)協(xié)調(diào)器的功能并選擇一個(gè)信道和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)（PANID）組建并配置網(wǎng)絡(luò)，一旦網(wǎng)絡(luò)建立完成（沒有新節(jié)點(diǎn)的加入）則網(wǎng)絡(luò)不依賴這個(gè)協(xié)調(diào)器的存在，它只充當(dāng)路由器的功能。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)里，協(xié)調(diào)器和路由器都是FFD設(shè)備，硬件結(jié)構(gòu)幾乎完全一樣，只不過實(shí)現(xiàn)的功能不同。

本系統(tǒng)主要面向個(gè)人家庭用戶，因此宜采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌梢粋€(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)終端傳感器節(jié)點(diǎn)組成。其它的傳感器節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)采集與并將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器將根據(jù)終端傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的判斷。

2.2主要芯片

無線收發(fā)芯片選用TI公司最新推出的CC2530芯片。CC2530是用于2.4GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE上的一個(gè)片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了RF收發(fā)器，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KBRAM和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。

2.3傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要功能是實(shí)現(xiàn)信息的采集與無線傳輸，其系統(tǒng)主要由帶門磁、玻璃破碎、被動(dòng)紅外、煙感、煤氣泄漏等傳感器的傳感器模塊，控制器模塊，無線收發(fā)模塊和電源模塊組成。當(dāng)盜竊、火災(zāi)、煤氣泄漏等安全事故發(fā)生時(shí)，將觸發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)，從而激活芯片的報(bào)警程序，將報(bào)警數(shù)據(jù)包與對(duì)應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)地址一并發(fā)送到協(xié)調(diào)器。傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.4協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，其功能主要有組建網(wǎng)絡(luò)、管理和監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)并與GSM網(wǎng)絡(luò)相連，一旦檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生警情便立即發(fā)送警情報(bào)告。在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器的作用是組建網(wǎng)絡(luò)并配置網(wǎng)絡(luò)，例如為加入該網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分配PANID和用于在本地網(wǎng)絡(luò)中標(biāo)識(shí)設(shè)備的16位短地址。GSM模塊選用SIMCom推出一款新型無線模塊—SIM900B，SIM900B屬于B2B類型的四頻GSM/GPRS模塊，采用非常強(qiáng)大的AMR926EJ-S單芯片處理器，可完全兼容于SIM300/340和SIM340E。SIM900B采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)口，工作頻率為GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3小結(jié)

ZigBee技術(shù)作為一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。特別適合在工業(yè)控制、智能家居、安防系統(tǒng)以及各類消費(fèi)電子設(shè)備等要求周期性數(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)用場(chǎng)合?；赯igBee技術(shù)的家用安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正是很好地應(yīng)用了ZigBee技術(shù)的這些優(yōu)點(diǎn)，使得該系統(tǒng)具備了實(shí)時(shí)性好、成本低廉及良好的可擴(kuò)展性和實(shí)用價(jià)值。系統(tǒng)還可以廣泛的應(yīng)用到智能小區(qū)，辦公大樓等場(chǎng)所，具有廣闊的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。

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