基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張佳歡

(上海師范大學(xué)，上海200234)

1 引言

一般的非法入侵都是通過(guò)門窗進(jìn)入，通常是撞擊或者利用杠桿原理撬開(kāi)門鎖。在這類過(guò)程中，門窗發(fā)生振動(dòng)和移位。振動(dòng)和門窗的移位會(huì)產(chǎn)生加速度，因此通過(guò)測(cè)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(gè)方面，由于一個(gè)家居環(huán)境的門窗個(gè)數(shù)通常在五個(gè)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(fèi)，還會(huì)在施工過(guò)程中造成布線錯(cuò)綜復(fù)雜，產(chǎn)生對(duì)其他家用電器的電磁干擾，也會(huì)導(dǎo)致在今后的維修過(guò)程中一旦出現(xiàn)線路故障需要開(kāi)鑿墻面，破壞裝修等問(wèn)題。因此使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，不僅減少了線材的使用，簡(jiǎn)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(guò)檢測(cè)門窗加速度并使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的家居安防系統(tǒng)，將非常適合當(dāng)今社會(huì)的家居安防需求。該家居安防系統(tǒng)中，傳感器模塊和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊的設(shè)計(jì)成為了核心。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

目前主流家居環(huán)境中使用的窗戶通常是推拉窗，在開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中，窗戶發(fā)生橫向移動(dòng)(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(kāi)玻璃或者撬開(kāi)卡索后橫向移動(dòng)窗戶。在擊打玻璃的情況下，X方向會(huì)由于振動(dòng)產(chǎn)生加速度，在橫向移動(dòng)窗戶的過(guò)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(cè)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(dòng)作。設(shè)計(jì)選取了雙軸加速度測(cè)量傳感器ADXL202。將ADXL202芯片的Ax和Ay方向?qū)?yīng)于圖1，可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。

因?yàn)闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)的突出優(yōu)勢(shì)，本設(shè)計(jì)使用無(wú)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(jì)中無(wú)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(wú)線通信技術(shù)，在保證功能正常和完整的情況下，還應(yīng)考慮技術(shù)難度和成本等因素。ZigBee技術(shù)填補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無(wú)線通信市場(chǎng)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(duì)安防監(jiān)控系統(tǒng)中的核心設(shè)備——ZigBee無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和ZigBee無(wú)線匯聚節(jié)點(diǎn)。

圖2為系統(tǒng)框圖。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)主要由CC2430和 ADXL202組成，匯聚節(jié)點(diǎn)主要由CC2430、聲光報(bào)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(diǎn)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(diǎn)中的CC2430開(kāi)始通過(guò)內(nèi)置的8051系列單片機(jī)利用自身定時(shí)/計(jì)數(shù)器TMER2的輸入捕捉功能檢測(cè)ADXL202所輸出的PMW波信號(hào)，得到其占空比，當(dāng)連續(xù)檢測(cè)到2次超過(guò)報(bào)警閾值的信號(hào)后，發(fā)送代表本節(jié)點(diǎn)的代碼給匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)接收到報(bào)警信號(hào)后，對(duì)報(bào)警信號(hào)進(jìn)行分析，排除室內(nèi)振動(dòng)，對(duì)需要報(bào)警的信號(hào)，開(kāi)啟聲光報(bào)警裝置并通過(guò)GPRS模塊發(fā)送該匯聚節(jié)點(diǎn)的編號(hào)通知遠(yuǎn)程管理節(jié)點(diǎn)，管理節(jié)點(diǎn)收到編號(hào)后，存儲(chǔ)報(bào)警消息并顯示用戶住址、報(bào)警時(shí)間、是否處理等狀態(tài)，提供人機(jī)界面。

圖2 基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線家居安防系統(tǒng)原理框圖

3 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 傳感器整體電路設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的主要功能有:測(cè)量門窗X軸和Y軸的加速度;對(duì)超過(guò)報(bào)警閾值的信號(hào)發(fā)送本節(jié)點(diǎn)的編號(hào)給控制節(jié)點(diǎn);檢測(cè)節(jié)點(diǎn)供電電池電壓，低電壓時(shí)告警。

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

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)原理圖

由于CC2430定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中只有TIMER1具有捕捉功能，所以ADXL202的信號(hào)輸出端X-out和Y-out須通過(guò)1個(gè)時(shí)分電路與CC2430的計(jì)數(shù)器相連，使得CC2430能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)X-out和Y-out的輪詢。因?yàn)閭鞲衅鬏敵龅拇郎y(cè)PMW波的周期長(zhǎng)度在1MS左右，而一次振動(dòng)發(fā)生的時(shí)間在0.1S以上，所以雖然在微觀上測(cè)的不是同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的波形，而是相鄰兩個(gè)開(kāi)關(guān)周期的波形，但是在宏觀上完全可以表示在一次振動(dòng)發(fā)生過(guò)程中，X軸和Y軸兩個(gè)方向上的加速度值。

由于上述電路中所有信號(hào)都為數(shù)字量，所以本設(shè)計(jì)選擇數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)上述功能，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:將X-out和Y-out分別接入兩個(gè)與門，開(kāi)關(guān)控制信號(hào)分兩路，其中一路接非門后分別與兩個(gè)與門連接，最后將兩路信號(hào)相加并輸出。

3.2 傳感器模塊軟件設(shè)計(jì)

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

CC2430的TIMER1是一個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，具有上升/下降沿捕捉功能。利用捕捉功能實(shí)現(xiàn)PMW波占空比的測(cè)量。具體步驟是:首先將TIMER1配置成CAPTURE功能，然后TIME2在上升沿時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)，下降沿時(shí)停止計(jì)數(shù)，將定時(shí)器寄存器中的值T1記錄下來(lái)，然后從新開(kāi)始計(jì)數(shù)到上升沿時(shí)停止計(jì)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(guò)多次測(cè)量后，設(shè)定基于ZigBee的分布式多點(diǎn)振動(dòng)檢測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警閾值為占空比改變超過(guò)3%。對(duì)連續(xù)2次超過(guò)報(bào)警閾值的信號(hào)，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送本節(jié)點(diǎn)的編號(hào)至匯聚節(jié)點(diǎn)。占空比測(cè)量的軟件流程圖如圖5所示。

圖5 占空比測(cè)量流程圖

4 匯聚節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

在基于振動(dòng)檢測(cè)的無(wú)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(diǎn);一種是簡(jiǎn)化功能設(shè)備，即傳感器節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)同時(shí)和多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通信，而一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，它只能和一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

ZigBee協(xié)調(diào)器，也就是本設(shè)計(jì)中的匯聚節(jié)點(diǎn)，是網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起者，負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的初始化，確定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的個(gè)域網(wǎng)標(biāo)識(shí)符和網(wǎng)絡(luò)工作的物理信道，并給其他節(jié)點(diǎn)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(dòng)測(cè)量的無(wú)線家居安防系統(tǒng)中只有一個(gè)協(xié)調(diào)器。

ZigBee終端設(shè)備，即傳感器節(jié)點(diǎn)，它只能與匯聚節(jié)點(diǎn)通信，從匯聚節(jié)點(diǎn)處獲得網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符、短地址等相關(guān)信息。

本設(shè)計(jì)中，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相對(duì)較少，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境比較簡(jiǎn)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(fù)責(zé)整個(gè)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?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

匯聚節(jié)點(diǎn)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(bào)警裝置。硬件原理如圖7所示。

由于星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔容^簡(jiǎn)單，可直接將應(yīng)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(duì)較少，協(xié)議相對(duì)簡(jiǎn)化，雖然有部分ZigBee的功能不被支持，但能夠滿足相對(duì)簡(jiǎn)單的應(yīng)用開(kāi)發(fā)要求，而且能大大提高開(kāi)發(fā)效率，故基于振動(dòng)測(cè)量的無(wú)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(diǎn)原理圖。

傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加速度測(cè)量，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，當(dāng)檢測(cè)到滿足報(bào)警閾值的信號(hào)時(shí)就發(fā)送代表本節(jié)點(diǎn)的信息給控制節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)接收數(shù)據(jù)。MAC層執(zhí)行結(jié)果的回饋是通過(guò)向上層發(fā)送消息來(lái)實(shí)現(xiàn)的，應(yīng)用程序?yàn)榇藰?gòu)造一個(gè)存儲(chǔ)消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并鏈接成單鏈表，通過(guò)函數(shù)byte*osal_rnsg_receive(byte task_id)來(lái)獲取發(fā)給任務(wù)編號(hào)為task_id的消息，應(yīng)用層對(duì)這個(gè)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(yǔ)

針對(duì)目前家居安防的實(shí)際需要，本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee的分布式多點(diǎn)振動(dòng)檢測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)。基本達(dá)到了功能設(shè)計(jì)目標(biāo)，并具有低成本、安裝簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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