物聯網智能家居防盜安防系統設計

陳暉

摘要：現代智能家居體現了對住宅的新要求，其研究得到了廣泛關注。本文從智能家居安防系統具有所需通信距離短、節點連接簡單和傳輸數據量少的特點，分析了ZigBee協議的擴展特性和拓撲結構，并依據星型拓撲結構和網狀拓撲結構，最后設計了基于星型的雙向網絡拓撲結構。智能家居安防系統設計選用CC2530芯片系統設計，詳細的分析了外圍電路的工作原理，并對CC2530與PC機的連接做了詳細的描述。

Abstract： The modern smart home reflects the new requirements of the housing， and its research has been widely concerned. This paper from its characteristics of short communication distance， simple connections between joints and less data transmission， analyzes the extended characteristics and topological structure of ZigBee protocol， and based on the star topology structure and network topology， designs two-way network topology based on the star. Smart home security system design uses CC2530 chip system design. This paper analyzes the working principle of the peripheral circuit in some detail， and describes the connection of CC2530 and PC in detail.

關鍵詞：智能家居；ZigBee；安防系統；網絡

Key words： smart home；ZigBee；security system；network

中圖分類號：TP302.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）08-0067-03

0 引言

當前智能家居安防系統的網絡傳輸方式以無線網絡傳輸為主，其傳輸模式存在功耗大、設備使用壽命低、電磁輻射、同頻率干擾等問題。為了提高安防產品的安全性和可靠性，達到系統集成化和網絡化的要求，本文選擇ZigBee技術為支撐，對智能家居安防系統的總體架構進行了設計。結合智能家居安防需求，使用ZigBee網絡的拓撲結構特征，建立了基于星形網絡拓撲特點的智能家居新型拓撲安全網絡。

1 基于ZigBee無線通信技術智能家居安防系統的組網方法

1.1 無線通信方式的選擇

ZigBee無線通信技術采用的是類似于無線基站的通信模塊設置，所以任何兩個節點在網絡平臺中都可以相互之間進行通信。所以通信距離不受限制，可無限擴展節點。每個節點不僅能傳輸數據，還可以采集數據。

1.2 ZigBee網絡的拓撲結構與選擇應用

1.2.1 ZigBee網絡的拓撲結構，一般分為三種

①星型拓撲結構。

星型拓撲結構包括：一個ZigBee協調器和多個終端設備。

星型拓撲結構由于所有設備傳輸信息都需要由協調器來完成，所以拓撲結構很容易建立。同時，缺點也很明顯，由于所有節點都需要通過協調器與其他節點進行通信，導致協調器節點數據包過長，容易形成信息擁塞，造成網絡不穩定。一個ZigBee協調器在使用時，所有節點都要與它保持相同的距離，這就限制了在網絡上的節點數量。

②樹型拓撲結構。

樹型拓撲結構包括：一個ZigBee協調器、幾個ZigBee路由器和許多終端節點。該網絡的主要特點是與星型拓撲結構相比，有多個ZigBee路由器同時擔當數據的接受和發送功能。樹型拓撲結構由于加入ZigBee路由器，使得網絡通信范圍可以擴大，最終信息數據由ZigBee路由器傳輸到ZigBee協調器。

③網狀拓撲結構。

網狀拓撲結構包括：一個ZigBee協調器、幾個ZigBee路由器和許多終端節點。雖然其拓撲結構和樹形拓撲結構相似，但在網絡節點的路徑上與樹形拓撲結構信息的傳輸有所不同，其除協調器節點以外任意兩節點之間都可以進行信息傳輸，信息傳輸過程是不固定的路徑，比其他拓撲結構更穩定，這使得其通信規則更加靈活，通信效率也更高。但是，構建網絡拓撲結構的復雜程度也是極高的。

1.2.2 拓撲結構選擇

綜合以上分析，結合三種網絡結構的特點，構建一種新型的網絡構架，它是基于星形結構的主體，把原有終端節點替換成路由器節點，組成一個接收發射組的裝置，其特點是內部的路由器節點之間可以進行信息通信，從而防止協調器的信息擁塞。而對于分布在家庭各個角落的終端節點來說，其終端節點之間雖不能相互通信，但可以通過接收發射組來傳遞之間的信息，避免了因單一路由節點的故障，所造成的區域內的終端節點不能使用的問題。最后因其構建過程對于普通家庭來說比較簡單，容易操作，故選用這種新型的拓撲結構。如圖1所示。

1.3 ZigBee協議的配置

1.3.1 ZigBee配置文件

ZigBee配置文件用于協調路由器和終端節點之間協議信息的處理。讓應用程序通過命令創建可交互操作的分布式應用程序。所有的節點如果使用相同的標準配置文件，則它們都可以進行交互性操作。配置文件是由ZigBee聯盟批準通過并提供標識符給用戶的，之后，用戶可以自行定義內容：

①類別ID標識。

每一個可以直接通信狀態的值或屬性的物理量，都對應唯一的一個ID值，而多個設備的ID值可以組成一個組標識，例如，上述所說的接收發射裝置組。組標識用來記錄輸出與輸入設備的相關數據，每個組都有自己獨特的組標識用以區分其他組別，在配置文件中，輸出組與輸入組標識應相互匹配，實現綁定功能。

②設備描述與服務類型。

設備描述用來說明是輸出或輸入組的功能。服務類型一般可分為MSG服務和KVP服務。MSG服務主要適用于傳輸數據流或大數據量文件，KVP服務一般用于小型變量值的傳輸。

1.3.2 ZigBee協議綁定

ZigBee綁定是一個非常重要的概念，兩個節點之間采用無線通信，那么就需要創建一個由綁定所建立的邏輯鏈接。因為節點發送的數據包可以包括多種類型，那么就必須將多種服務類型綁定在這個節點上，從而根據選擇不同的服務類型，對不同的數據包進行有針對的發送。

在創建綁定服務過程中，目標設備應首先進入一個固定的允許綁定的狀態，然后通過d_AllowBindResponse（）函數響應綁定請求，之后再通過d_BindDeviceRequest（）函數來指定綁定地址，完成與目標節點的綁定。通常綁定表的格式為：

（as，es，cs）={（ad1|，ed1|），（ad2|，ed2|），（and|，endn|）}

as——源設備地址；

es——源設備標識符；

cs——連接的串標識符；

ad——目的設備地址；

ed——目的設備標識符。

1.4 ZigBee網絡構建

1.4.1 ZigBee網絡協調器的構建

在智能家居安防系統中，ZigBee協調器的功能是比較復雜的，首先，它負責創建一個網絡平臺中心；同時，新的網絡設備也需要ZigBee協調器的允許才能加入；最后，ZigBee協調器還要負責網絡數據的更新。其創建方法如下：

第一步，ZigBee協調器創建一個初始化網絡后， ZigBee協調器應用層通過發送NLME-NETWORK-FORMATION. Request來觸發網絡層進行網絡建立。

第二步，網絡層通過發送MLME-SCAN. Request給MAC層使其進行能量掃描和主動掃描，確認找到一個能滿足要求的信道時，MAC層會發送MLME-SCAN. confirm返回網絡層使其創建一個新的網絡標識。如果該標識與現有的網絡標識相同，則會重新發送MLME-SET. request到MAC層修改網絡標識，再通過MLME-SET. confirm返回網絡層確認實現。

第三步，在確認網絡標識后，網絡層通過發送NLME-START. request 給MAC層確認是否啟動協調器，經MAC層回復NLME-START. confirm到網絡層后，網絡層最終發送NLME-METWORK-FORMATION. confirm回應用層，應用層確認網絡建立完成。見圖2。

1.4.2 終端設備的網絡構建

在ZigBee協調器成功地創建網絡之后，其終端設備需要連接到網絡。終端設備加入網絡，一般經過兩個步驟：第一步是網絡終端設備向ZigBee協調器請求加入網絡或ZigBee協調器主動掃描添加到網絡的終端設備的要求。第二步，ZigBee協調器來決定是否允許一個終端設備加入到網絡，如果允許入網，發送答應請求信號，如果不允許入網，發送拒絕請求信號。

1.4.3 ZigBee網絡地址的分配

ZigBee使用的地址分為兩種，一是MAC地址，一個是網絡地址。前者為64位，為生產設備固定地址，后者為16位，地址是由網絡分布的唯一入網地址。ZigBee協調器在進行地址分配時，其配置工作需要一些重要的公式。例如，用下列公式計算地址的次數。

Cskip（d）=1+Cm（Lm-d-1） Rm=1■ 其他

Cskip（d）用于表示該節點深度為d時的地址數目

Cm用于表示最大深度網絡；

Lm用于表示最大節點訪問數量；

Rm用于表示最大路由節點訪問數量。

2 基于CC2530芯片的智能家居安防系統的硬件設計

硬件設計是搭建智能家居安防系統的基礎，其主要目的是構建一個可行的、高效的無線互聯傳感器網絡，包括協調器設計和終端傳感器節點設計。PC機作為上位機起著家居網絡的網關的作用，通過RS-232串口與單片機之間進行通信。

2.1 基于CC2530芯片的節點設計

CC2530芯片是標準8051CPU芯片，有著低成本和優良的網絡性能，其射頻收發信號性能優良，與ZigBee進行組網是理想的網絡解決方案。

2.2 ZigBee節點的硬件設計

在房間里ZigBee節點的分布起著監測現場，負責數據的采集和處理等功能，處理器負責協調整個網絡節點和數據處理，每個傳感器將負責數據的采集和數據轉換，ZigBee射頻模塊負責的無線通信，RS-232接口負責與PC機通信。

2.3 協調器的硬件設計

CC2530和PC機連接：ZigBee協調器通過串口與PC機相連，負責傳感器網絡搭建、網絡融合的建立，管理每個節點的數據。ZigBee協調器當使用串口進行數據交換時，需要和PC機進行電平轉換，使用的是RS232收發器芯片，當發送數據時，通過RS232收發器芯片把PC串口電平轉換為標準的TTL電平，然后通過CC2530進行發送，在接收數據時，CC2530在接收到數據信號之后，將TTL電平通過RS232轉換為串口電平，然后發送給PC機。

總之，隨著嵌入式系統的飛速發展，小型化和智能化的家居網關是一種趨勢，未來的系統功能將會更加完善。

參考文獻：

[1]周濤.基于無線傳感器網絡的智能家居安防系統[D].太原：太原理工大學，2011.

[2]李明，王餐，石磊.一種ZigBee無線傳感器網絡節點的設汁[J].自動化技術與應用，2008（1）：91-94.

[3]張文海.基于物聯網的智能家居安防系統設計[D].西安電子科技大學，2015.