基于ZigBee的樓宇安全監測系統設計

戴 林

（江蘇科技大學 江蘇 鎮江 212003）

無線傳感器網絡技術是繼因特網之后，對21世紀人類生活方式產生重大影響的IT技術之一。無線傳感器網絡的出現，將邏輯上的信息世界與客觀的物理世界融合在一起，改變了人與機器、人與自然的交互方式，未來人們將通過無所不在的傳感器網絡接觸自然、感知客觀世界，從而極大地擴展人類認識世界的能力[1]。

ZigBee是一種網絡容量大、節點體積小、低功耗、低速率的無線通信技術，主要用來實現信息的采集與處理。由于Zigbee網絡節點體積小，組網靈活，部署方便，功耗極低，所以是很用來組建無線傳感器網絡[1]。由于其優秀的組網能力，使得它和其他無線通信技術在樓宇自動化系統中的應用具有無可比擬的優勢。ZigBee網絡支持數量眾多的節點，這點對于大型的樓宇自動化系統中需要大量的傳感器和控制器的場合是非常重要的[2]。本文所設計的ZigBee無線傳感器網絡樓宇監控系統主要以樓宇內重要設備為主要監控對象，可以實時的獲取各個終端設備的狀態信息，并可通過移動通信模塊對網絡進行遠程管理。

1 系統的主要功能和整體結構設計

1.1 樓宇安全監測系統主要功能

樓宇安全監測系統主要由管理中心，ZigBee節點（包括協調器節點、路由節點和監控節點）組成[3]。管理中心運行系統管理軟件，監控網絡拓撲和負責相關網絡管理、維護等功能；ZigBee節點負責設備及環境監控[4]。整個監測系統主要功能如下：

1)管理中心配置網絡中各個節點的相關參數、維護網絡正常運行；

2)管理中心能夠定位具體網絡節點；

3)監控節點可以完成自身位置移動監測并報警；

4)監控節點未經授權離開監控區域可報警；

5)監控節點自身狀態、環境信息上報功能；

6)管理中心可以通過協調器節點的移動通信模塊對網絡進行遠程管理。

1.2 整體結構設計

ZigBee樓宇安全監控系統中，各類監控設備在樓宇內部署模型如圖1所示。

圖1中假設被監控樓宇為4層，每一層都有兩部樓梯與上下相通。樓宇內需要檢測的重要設備都被安裝上監控節點。由于樓宇內建筑環境復雜，墻壁、鐵器、裝修材料設施對2.4GHz的ZigBee信號有著較強的衰減、反射、吸收、多徑等影響，為了能夠保持網絡的有效連通性，在每一樓層上都部署有路由節點，且為了保證路由節點彼此能夠有效通信，路由節點放置在通信效果較好的部位，而監控節點與被監控設備一起放于各個房間；在樓宇的合適地方設置一個協調節點來對樓宇內網絡進行管理。管理中心與被監控樓宇通過帶有GPRS模塊的協調節點進行通信。

圖1 ZigBee網絡安全監測系統部署模型Fig. 1 Deployment model of security monitoring system for ZigBee network

2 硬件設計

2.1 監控子節點設計

在實際應用中，由于需要監控子節點長時間運行，要求硬件系統結構必須簡單，才能有效降低功耗。因此監控子節點整個硬件系統十分精簡，系統結構如圖2，只包括以下幾個部分：CC2430片上系統[5]、32 MHz系統時鐘和32.768 kHz的實時時鐘、調試接口、串行接口、天線以及為系統供電的電池。所以總體上看，除了CC2430片上系統是主要能耗者，其余電路部分與CC2430片上系統相比能耗基本可以忽略，CC2430芯片正常工作時的功耗也很低，所以整個系統十分省電，具有極低的功耗，可以滿足長時間運行的需要。

圖2 監控子節點硬件結構圖Fig. 2 Hardware structure of monitoring node

2.2 路由節點設計

樓宇監控系統中為了能夠有效降低監控子節點的功耗，延長子節點工作時間，降低用戶維護成本，監控子節點自身不具備報文轉發能力，它只針對自身監控設計進行信息采集，并完成上報功能，上報數據要通過路由節點完成。為增加網絡覆蓋范圍，實現較遠距離的數據傳輸本文設計大功率的路由節點。該大功率路由節點就是在圖2的基礎上通過增加一個CC2591射頻前端[1]來提高發送功率和接收靈敏度，從而達到增加傳輸距離的目的。由于增加了一個射頻前端系統，供電使用紐扣電池已不能滿足要求，因此將電源模塊進行改進，采用TI的TPS7303電源模塊的輸出對整個大功率節點供電。TPS73033在輸入電壓范圍為3.3～6 V時能夠輸出穩定的3.3 V電壓，可通過外接5 V/200 mA的直流電源供電。

3 協調器節點設計

協調器節點是網絡部署的中心，是網絡管理、控制、命令下達的主節點，直接與管理中心相通信，完成網絡的配置及管理協調的功能。協調器節點自身帶有GSM/GPRS模塊[6]，以便同遠距離管理中心聯系，以保證數據快速到達。GSM/GPRS模塊的使用可以讓管理中心擺脫地域限制，同時也可以將重要信息隨時發送給臨時脫崗的管理員，提高管理的靈活性，保證系統運行可靠。協調器節點收集監控節點的各種信息，發布網絡管理的各種命令，它可以通過ZigBee網絡和移動通信方式進行數據傳送。協調器節點硬件結構如圖3。協調器節點除了GSM/GPRS模塊，還包括以下外圍功能部件：

1)溫度傳感器芯片。協調器可以通過外接的溫度傳感器實時監控環境溫度，異常情況下可以進行報警。

圖3 協調器節點硬件圖Fig. 3 Hardware diagram of the coordinator node

2)電源管理部分。包括電源管理芯片和外接的可充電鋰電池，電源管理芯片可以進行電平轉換，同時也能夠對充電電池進行充電，這樣一個部件可以保證系統在有外接電源的情況下，利用外接電源進行供電，一旦外接電源不在，則可以利用充電電池為系統供電，以保證系統能夠長時間穩定運行，同時利用片內電源監測程序，系統可以實時監控充電電磁電量，提醒用戶充電。

3)串行接口和USB接口部分。串行接口主要有電平轉換芯片和串口組成，利用還接口協調器可以連接到管理中心，完成數據傳送；如果管理中心沒有串口，則可以利用USB接口部件同協調器節點相連，簡便的完成數據通信。

4)時鐘部分。主要包括實時時鐘和系統時鐘。

5)CC2430部分。也是協調器節點核心部分，利用該處理器完成網絡的組建、管理、命令發送、數據上傳等功能，在協調器節點中心，CC2430一直處于工作狀態，以完成網絡中各種事件的相關處理，由于CC2430畢竟是一個單片機系統，能力有限，所以在系統設計時，可以設計將部分工作轉移給管理中心完成。

4 組網及路由協議軟件設計

軟件設計包括網絡協調程序以及路由器、監控子節點程序。它們包括初始化程序、協議棧配置、組網方式配置程序、各處理層設置程序以及發射程序和接收程序。初始化程序主要對CC2430、協議棧、UART串口等進行初始化；發射程序將所采集額數據通過CC2430調制并通過DMA直接發送至射頻輸出；接收程序完成數據的接收、傳送及返回信息處理。主程序如圖4所示。

主程序包括兩部分，網絡協調器程序以及路由器、監控子節點程序。

對于網絡協調器主程序，首先初始化CC2430，然后初始化協議棧，之后建立新網絡，確定網絡的ID號和頻道號，然后系統進入監測狀態。如果有新的設備申請加入網絡，則為其分配網絡地址，批準其加入網絡。同理，協調器接收監控子節點發送來的信息，并通過串口或者USB發送給上位機，或者從上位機得到命令，發送給監控子節點。

圖4 系統主程序流程圖Fig. 4 Flow diagram of the main program

而路由器、監控子節點程序，首先初始化CC2430，然后初始化協議棧。系統進入搜索網絡狀態，當附近有網絡存在時，則申請入網。若無網絡存在，系統進入休眠待機狀態，監控子節點有信息發送，或者接收到協調器的命令，則喚醒設備，進行無線發送或接受。當事件處理處理完時，系統重新進入待機休眠狀態。

5 系統實現

為了方便對個節點進行控制，開發管理層程序對各個節點進行管理。該程序為運行在導控中心的系統管理軟件，負責對全部節點進行可視化管理，包括節點的網絡拓撲發現、節點實時監控、節點丟失報警、狀態異常報警、節點信息管理、系統用戶管理、并實現系統參數設置等功能。本軟件基于.NET Framework 2.0,使用Microsoft Visual Studio 2005環境開發，C#為主要開發語言，并使用SQL Sever 2005作為數據庫。圖5顯示基于ZigBee網絡的樓宇監測系統圖。協調器負責對網絡中的節點在位情況監測，當長時間未收到節點發送的位置信息，則認為節點丟失，并向管理系統發送節點丟失報警信息。管理系統可實時查詢節點的信息。

圖5 基于ZigBee的樓宇監測系統管理中心Fig. 5 Management center of building monitoring system based on ZigBee

6 結 論

文中給出基于ZigBee網絡的樓宇安全檢測系統設計方案，主要是通過基于CC2430的ZigBee節點組成監控網絡，可以通過運行管理軟件，監控網絡拓撲和負責相關網絡管理、維護等功能。即使管理員距離監控樓宇較遠，管理中心也可以通過協調器節點的移動通信模塊進行遠程管理，使住戶更加安全、舒適、方便。

[1] 郭淵博,楊奎武,趙儉,等.ZigBee技術與應用：CC2430設計、開發與實踐 [M].北京：國防工業出版社,2010.

[2] 白建波,張小松,路詩奎.ZigBee技術及其在樓宇自動化系統中應用的思考 [J].智能建筑與城市信息,2006(1):102-104.BAI Jian-bo, ZHANG Xiao-song, LU Shi-kui. Thoughts on ZigBee technology and its application in the building automation system[J].Intelligent Building and City Information,2006(1):102-104.

[3] 潘偉,黃東.基于ZiBee技術的無線傳感器網絡研究[J].計算機技術與發展,2008,18(9):244-247.PAN Wei, HUANG Dong. The research of wireless sensor network based on ZigBee technology[J].Computer Technology and Development, 2008,18(9):244-247.

[4] 瞿雷,劉盛德,胡咸斌.ZigBee技術及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[5] 耿佳.一種智能家居監控系統的設計[J].微計算機信息,2009(17):49-50.GENG Jia.The design of Smart-home monitoring system[J].Micro Computer Information,2009(17):49-50.

[6] 劉堅,陶正蘇,陳德富,等.基于GPRS的環境監測系統的設計[J].自動化儀表,2009,30(2):30-32.LIU Jian,TAO Zheng-su,Chen De-fu,et al.Design of environment monitoring system based on GPRS[J].Process Automation Instrumentation,2009,30(2):30-32.