基于ZigBee技術(shù)的無線家居安防系統(tǒng)設(shè)計

張佳歡

(上海師范大學，上海200234)

1 引言

一般的非法入侵都是通過門窗進入，通常是撞擊或者利用杠桿原理撬開門鎖。在這類過程中，門窗發(fā)生振動和移位。振動和門窗的移位會產(chǎn)生加速度，因此通過測量門窗的加速度可以監(jiān)控家居環(huán)境的安全，防止非法入侵。另一個方面，由于一個家居環(huán)境的門窗個數(shù)通常在五個以上，傳統(tǒng)的有線方式布線不僅需要大量線材造成資源浪費，還會在施工過程中造成布線錯綜復雜，產(chǎn)生對其他家用電器的電磁干擾，也會導致在今后的維修過程中一旦出現(xiàn)線路故障需要開鑿墻面，破壞裝修等問題。因此使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，不僅減少了線材的使用，簡易了安裝程序還避免了日后在線路方面的維修難度。

綜上所述，研究一種通過檢測門窗加速度并使用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的家居安防系統(tǒng)，將非常適合當今社會的家居安防需求。該家居安防系統(tǒng)中，傳感器模塊和無線網(wǎng)絡(luò)模塊的設(shè)計成為了核心。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

目前主流家居環(huán)境中使用的窗戶通常是推拉窗，在開啟和關(guān)閉過程中，窗戶發(fā)生橫向移動(Y軸方向)，如圖1所示。

圖1 推拉式窗戶示意圖

非法入侵的方式一般是砸開玻璃或者撬開卡索后橫向移動窗戶。在擊打玻璃的情況下，X方向會由于振動產(chǎn)生加速度，在橫向移動窗戶的過程中Y軸方向產(chǎn)生加速度，而在Z 方向上窗戶不能發(fā)生位移。因此，只需要測量X軸和Y軸方向的加速度便可以監(jiān)控窗戶所有可能發(fā)生的動作。設(shè)計選取了雙軸加速度測量傳感器ADXL202。將ADXL202芯片的Ax和Ay方向?qū)趫D1，可以滿足本設(shè)計的要求。

因為無線網(wǎng)絡(luò)的突出優(yōu)勢，本設(shè)計使用無線網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線布線方式。一般住宅環(huán)境從幾十平米到幾百平米不等，所以本設(shè)計中無線網(wǎng)絡(luò)只需要滿足短距離和低功耗傳輸，并且由于只需要傳輸少量的數(shù)據(jù)，所以傳輸速率不需要太快。因此，選擇一種合適的短距離無線通信技術(shù)，在保證功能正常和完整的情況下，還應考慮技術(shù)難度和成本等因素。ZigBee技術(shù)填補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空白，其使用的便捷性是該技術(shù)成功的關(guān)鍵。

本文所涉及的大部分工作都是針對安防監(jiān)控系統(tǒng)中的核心設(shè)備——ZigBee無線傳感器節(jié)點和ZigBee無線匯聚節(jié)點。

圖2為系統(tǒng)框圖。其中，傳感器節(jié)點主要由CC2430和 ADXL202組成，匯聚節(jié)點主要由CC2430、聲光報警設(shè)備和GPRS模塊NW18組成。系統(tǒng)上電后，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點根據(jù)ZigBee協(xié)議組建星型網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)組建完成后，傳感器節(jié)點中的CC2430開始通過內(nèi)置的8051系列單片機利用自身定時/計數(shù)器TMER2的輸入捕捉功能檢測ADXL202所輸出的PMW波信號，得到其占空比，當連續(xù)檢測到2次超過報警閾值的信號后，發(fā)送代表本節(jié)點的代碼給匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點接收到報警信號后，對報警信號進行分析，排除室內(nèi)振動，對需要報警的信號，開啟聲光報警裝置并通過GPRS模塊發(fā)送該匯聚節(jié)點的編號通知遠程管理節(jié)點，管理節(jié)點收到編號后，存儲報警消息并顯示用戶住址、報警時間、是否處理等狀態(tài)，提供人機界面。

圖2 基于ZigBee技術(shù)的無線家居安防系統(tǒng)原理框圖

3 傳感器節(jié)點設(shè)計

3.1 傳感器整體電路設(shè)計

傳感器節(jié)點的主要功能有:測量門窗X軸和Y軸的加速度;對超過報警閾值的信號發(fā)送本節(jié)點的編號給控制節(jié)點;檢測節(jié)點供電電池電壓，低電壓時告警。

傳感器節(jié)點通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構(gòu)成。處理器模塊和無線通信模塊采用CC2430芯片，大大簡化了射頻電路的設(shè)計。傳感器模塊采用ADXL202。電源模塊采用3V電池。傳感器節(jié)點的硬件原理框圖如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點原理圖

由于CC2430定時器/計數(shù)器中只有TIMER1具有捕捉功能，所以ADXL202的信號輸出端X-out和Y-out須通過1個時分電路與CC2430的計數(shù)器相連，使得CC2430能夠?qū)崿F(xiàn)對X-out和Y-out的輪詢。因為傳感器輸出的待測PMW波的周期長度在1MS左右，而一次振動發(fā)生的時間在0.1S以上，所以雖然在微觀上測的不是同一個時間點的波形，而是相鄰兩個開關(guān)周期的波形，但是在宏觀上完全可以表示在一次振動發(fā)生過程中，X軸和Y軸兩個方向上的加速度值。

由于上述電路中所有信號都為數(shù)字量，所以本設(shè)計選擇數(shù)字電路實現(xiàn)上述功能，具體實現(xiàn)過程為:將X-out和Y-out分別接入兩個與門，開關(guān)控制信號分兩路，其中一路接非門后分別與兩個與門連接，最后將兩路信號相加并輸出。

3.2 傳感器模塊軟件設(shè)計

傳感器軟件模塊的設(shè)計分為占空比測量模塊和電源電壓采集模塊(見圖4)。占空比測量模塊用于測量ADXL202上X-out和Y-out輸出PMW波的占空比。電源測量模塊監(jiān)控電源電壓，當電壓低于2.9V時ADXL202將不能正常工作，系統(tǒng)需作出報警提示，提醒用戶更換電池。這里只對占空比測量模塊進行設(shè)計。

CC2430的TIMER1是一個16位的定時/計數(shù)器，具有上升/下降沿捕捉功能。利用捕捉功能實現(xiàn)PMW波占空比的測量。具體步驟是:首先將TIMER1配置成CAPTURE功能，然后TIME2在上升沿時開始計數(shù)，下降沿時停止計數(shù)，將定時器寄存器中的值T1記錄下來，然后從新開始計數(shù)到上升沿時停止計數(shù)，記錄寄存器中的值T2，最后占空比=T1/(T1+T2)。

圖4 傳感器模塊原理圖

經(jīng)過多次測量后，設(shè)定基于ZigBee的分布式多點振動檢測和報警系統(tǒng)的報警閾值為占空比改變超過3%。對連續(xù)2次超過報警閾值的信號，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送本節(jié)點的編號至匯聚節(jié)點。占空比測量的軟件流程圖如圖5所示。

圖5 占空比測量流程圖

4 匯聚節(jié)點的設(shè)計

在基于振動檢測的無線家居安防系統(tǒng)里存在兩種不同類型的設(shè)備:一種是匯聚節(jié)點;一種是簡化功能設(shè)備，即傳感器節(jié)點。匯聚節(jié)點同時和多個傳感器節(jié)點通信，而一個傳感器節(jié)點，它只能和一個匯聚節(jié)點進行通信。

ZigBee協(xié)調(diào)器，也就是本設(shè)計中的匯聚節(jié)點，是網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起者，負責ZigBee網(wǎng)絡(luò)的初始化，確定整個網(wǎng)絡(luò)的個域網(wǎng)標識符和網(wǎng)絡(luò)工作的物理信道，并給其他節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)短地址。ZigBee協(xié)調(diào)器是全功能設(shè)備，基于振動測量的無線家居安防系統(tǒng)中只有一個協(xié)調(diào)器。

ZigBee終端設(shè)備，即傳感器節(jié)點，它只能與匯聚節(jié)點通信，從匯聚節(jié)點處獲得網(wǎng)絡(luò)標識符、短地址等相關(guān)信息。

本設(shè)計中，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相對較少，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境比較簡單，因此選用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，ZigBee協(xié)調(diào)器負責整個網(wǎng)絡(luò)的控制，ZigBee終端設(shè)備直接與ZigBee協(xié)調(diào)器通信。

基于ZIGBEE技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 基于ZIGBEE技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

匯聚節(jié)點由CC2430和GPRS模塊NW18組成，兩者之間使用串口通信。另外，CC2430的I/O口控制報警裝置。硬件原理如圖7所示。

由于星型網(wǎng)絡(luò)拓撲比較簡單，可直接將應用程序建立在MAC層上，而TIMAC.2.0.1只涉及到硬件抽象層、MAC層、操作系統(tǒng)抽象層，內(nèi)容相對較少，協(xié)議相對簡化，雖然有部分ZigBee的功能不被支持，但能夠滿足相對簡單的應用開發(fā)要求，而且能大大提高開發(fā)效率，故基于振動測量的無線家居安防系統(tǒng)使用的是TIMAC.2.0.1協(xié)議棧

圖7 控制節(jié)點原理圖。

傳感器節(jié)點進行加速度測量，對測量結(jié)果進行分析，當檢測到滿足報警閾值的信號時就發(fā)送代表本節(jié)點的信息給控制節(jié)點。TIMAC協(xié)議棧提供了通信相關(guān)的底層函數(shù)，可以直接調(diào)用。匯聚節(jié)點接收數(shù)據(jù)。MAC層執(zhí)行結(jié)果的回饋是通過向上層發(fā)送消息來實現(xiàn)的，應用程序為此構(gòu)造一個存儲消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并鏈接成單鏈表，通過函數(shù)byte*osal_rnsg_receive(byte task_id)來獲取發(fā)給任務(wù)編號為task_id的消息，應用層對這個消息作處理，可從中提取出通信信息或通信數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

針對目前家居安防的實際需要，本文設(shè)計了基于ZigBee的分布式多點振動檢測和報警系統(tǒng)。基本達到了功能設(shè)計目標，并具有低成本、安裝簡便等特點，具有一定的實用價值。

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