基于ZigBee的庫(kù)房安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王麗琴，劉九澤

（1.渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105；2.北方聯(lián)合廣播電視網(wǎng)絡(luò)股份有限公司葫蘆島分公司，遼寧葫蘆島 125000）

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于庫(kù)房的安全性要求越來(lái)越高，同時(shí)隨著無(wú)線通信技術(shù)和智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，庫(kù)房智能安防系統(tǒng)也得到迅速發(fā)展。庫(kù)房安防平臺(tái)以庫(kù)房的環(huán)境控制和環(huán)境檢測(cè)以及安全防范等為主要目標(biāo)，結(jié)合計(jì)算機(jī)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以及傳感器等技術(shù)，利用互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)庫(kù)房安防系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化。

在對(duì)國(guó)內(nèi)的安防系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行深入和細(xì)致調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合庫(kù)房安防系統(tǒng)的需求，提出了一種基于ZigBee通信技術(shù)的庫(kù)房安防系統(tǒng)方案，完成了整個(gè)系統(tǒng)硬件和軟件的平臺(tái)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用ARM控制器作為核心處理器，利用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)庫(kù)房可燃?xì)怏w、火焰、煙霧、溫濕度等方面的實(shí)時(shí)檢測(cè)，有異常情況時(shí)進(jìn)行報(bào)警處理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為智能庫(kù)房安防系統(tǒng)的組網(wǎng)技術(shù)，選取常用的溫濕度傳感器、人體紅外探測(cè)器、煙霧報(bào)警器及門(mén)禁等做為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。通過(guò)ZigBee終端設(shè)備采集數(shù)據(jù)，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器。選取ARM11開(kāi)發(fā)平臺(tái)作為主控器，搭載嵌入式Linux操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的多線程操作，對(duì)串口發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理，判斷分析報(bào)警信息，將數(shù)據(jù)通過(guò)socket通信傳送給PC上位機(jī)，并發(fā)出AT報(bào)警指令。采用GSM/GPRS短信收發(fā)模塊作為系統(tǒng)報(bào)警的輸出，完成對(duì)異常情況的報(bào)警。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

庫(kù)房安防系統(tǒng)硬件主要由3部分組成：ARM開(kāi)發(fā)板作為主控器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、解析、處理等；ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集終端，主要實(shí)現(xiàn)探測(cè)器數(shù)據(jù)的采集及ZigBee協(xié)議；GSM/GPRS短信收發(fā)硬件模塊，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)異常信號(hào)的遠(yuǎn)程報(bào)警。

3個(gè)部分中以ARM開(kāi)發(fā)板主控制器為核心，ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集端為輔，結(jié)合GSM/GPRS短信收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警。此外，可在PC機(jī)上增加用戶的友好界面顯示功能。整個(gè)系

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

傳感器通過(guò)I/O與ZigBee設(shè)備終端相連，ZigBee實(shí)時(shí)的采集傳感器數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)RF射頻天線發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。ZigBee協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)信息后進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，通過(guò)串口發(fā)送給ARM開(kāi)發(fā)平臺(tái)。ARM處理器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、判斷。如果數(shù)據(jù)異常時(shí)，系統(tǒng)判斷屬于哪一種異常，是煙霧還是人體紅外或是溫濕度等。系統(tǒng)首先發(fā)出聲光報(bào)警，再通過(guò)串口發(fā)送相應(yīng)的AT指令，通過(guò)GSM/GPRS模塊將報(bào)警信息發(fā)送給用戶，同時(shí)將異常數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到PC端進(jìn)行顯示存儲(chǔ)。

本系統(tǒng)中ARM處理器選擇三星公司的ARM11內(nèi)核的S3C6410，支持多種視頻編碼格式，具有圖形的硬件加速功能。飛凌公司的OK6410系列開(kāi)發(fā)板，支持4個(gè)串口、2個(gè)USB接口、1個(gè)網(wǎng)口、3路音頻接口及1路的Camera輸入接口，另外還支持SD卡、U盤(pán)等外部設(shè)備，同時(shí)具有JTAG接口方便在線調(diào)試，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)目前市面上ZigBee的解決方案，本系統(tǒng)最終選擇以CC2530為核心的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊。CC2530芯片內(nèi)部集成了射頻模塊收發(fā)器及8051單片機(jī)，并且配備了一個(gè)flash存儲(chǔ)設(shè)備以及8K的RAM。ZigBee設(shè)備終端，主要負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的采集，具有小巧、便捷的特點(diǎn)，同時(shí)具有低功耗特性，本系統(tǒng)中對(duì)設(shè)備終端采用干電池供電。ZigBee協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)從ZigBee終端設(shè)備中接收數(shù)據(jù)，通過(guò)串口發(fā)送給核心處理器。ZigBee協(xié)調(diào)器的硬件電路與ZigBee設(shè)備終端類(lèi)似，同時(shí)增加CC2591提高設(shè)備數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送距離。

系統(tǒng)采用GSM/GPRS短信收發(fā)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警，GSM/GPRS模塊選取SIMCOM公司的SIM300。SIM300與ARM開(kāi)發(fā)板之間通過(guò)串口相連。在數(shù)據(jù)異常時(shí)，ARM處理器處理完成后通過(guò)串口發(fā)出AT指令，GSM/GPRS模塊解析AT指令，并給用戶發(fā)送報(bào)警短消息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，系統(tǒng)軟件主要包括4個(gè)部分：

ARM控制器軟件。接收Z(yǔ)igBee協(xié)調(diào)器通過(guò)串口發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和判斷；通過(guò)串口發(fā)送AT指令；通過(guò)網(wǎng)口向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

ZigBee模塊軟件。包括終端設(shè)備軟件和協(xié)調(diào)器軟件，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸。

GSM/GPRS模塊軟件。接收控制器的指令，完成解析，向用戶發(fā)送報(bào)警信息。

PC機(jī)軟件。主要實(shí)現(xiàn)處理器數(shù)據(jù)的接收及數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)。

3.1 ARM控制器軟件設(shè)計(jì)

ARM控制器搭載Linux嵌入式操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)選擇Ubuntu13.10版本，通過(guò)與PC端建立交叉編譯環(huán)境實(shí)現(xiàn)代碼的編譯。

ARM控制器軟件主要實(shí)現(xiàn)：通過(guò)串口接收Z(yǔ)igBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)；對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和判斷；數(shù)據(jù)異常時(shí)，通過(guò)串口向GSM/GPRS發(fā)送報(bào)警指令；通過(guò)TCP/IP協(xié)議用socket網(wǎng)絡(luò)通信向PC發(fā)送數(shù)據(jù)。ARM控制器的軟件流程圖如圖3所示。

圖3 ARM控制器軟件流程圖

3.2 ZigBee模塊軟件設(shè)計(jì)

ZigBee模塊軟件包括設(shè)備終端軟件和協(xié)調(diào)器端的軟件。采用TI公司的Zstack協(xié)議棧進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，Zstack協(xié)議棧考慮到了底層和網(wǎng)絡(luò)層的內(nèi)容，用戶通過(guò)API函數(shù)可以輕易地使用Zig原Bee。設(shè)備終端軟件主要實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集，將數(shù)據(jù)通過(guò)RF射頻天線發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。設(shè)備終端軟件的流程如圖4所示。

圖4 ZigBee設(shè)備終端軟件流程圖

ZigBee協(xié)調(diào)器接收設(shè)備終端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，判斷是哪一個(gè)終端，進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理。主要實(shí)現(xiàn)接收并解析ZigBee設(shè)備終端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控器。軟件流程如圖5所示。

圖5 ZigBee協(xié)調(diào)器軟件流程圖

3.3 GSM/GPRS模塊軟件設(shè)計(jì)

GSM/GPRS模塊接收ARM處理器發(fā)送來(lái)的AT指令，解析指令然后發(fā)送對(duì)應(yīng)的報(bào)警短消息給用戶。AT指令采用PDU的編碼方式，該部分的軟件流程圖如圖6所示。

圖6 GSM/GPRS模塊軟件流程圖

ARM處理器將異常的數(shù)據(jù)信息通過(guò)socket通信發(fā)送給PC機(jī)，PC機(jī)接收后通過(guò)界面顯示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

將人體紅外傳感器和煙霧傳感器連接到ZigBee終端，將控制器、ZigBee無(wú)線模塊、GSM/GPRS模塊連接好。靠近煙霧傳感器的位置點(diǎn)燃香煙，讓煙霧報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，手機(jī)接收到報(bào)警信息。當(dāng)有人在人體紅外傳感器前走動(dòng)時(shí)，同樣收到報(bào)警信息。報(bào)警信息圖如圖7所示。

圖7 手機(jī)收到的報(bào)警信息

5 結(jié)論

基于ZigBee的庫(kù)房安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)ZigBee無(wú)線模塊、GSM/GPRS及ARM核心控制器組成硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)庫(kù)房溫濕度、易燃易爆氣體、火焰和煙霧等不安全因素的方面進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、處理，進(jìn)行智能分析，實(shí)現(xiàn)了庫(kù)房安防的智能化。通過(guò)測(cè)試，基于Zigee的庫(kù)房安防系統(tǒng)功能正常，同時(shí)具有穩(wěn)定性、及時(shí)性和可靠性等方面的特點(diǎn)，達(dá)到了系統(tǒng)預(yù)期的要求。

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