基于ZigBee的樓宇自動化安防系統設計

宋岐國，呂希勝，苗 淼

（1.紅塔遼寧煙草有限責任公司，遼寧 沈陽 110001；2.中國科學院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016；3.東軟集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110179）

0 引言

隨著物聯網時代的到來，智能樓宇的概念被更多的人熟悉，安防建設也變得越來越重要，人們迫切需要將安防系統納入到智能建筑領域，提高現在樓宇的自動化水平，通過先進的網絡控制技術實現更多要求、更高標準的應用。為了避免布線的復雜，容易出現死角，升級改造麻煩，以及需要采用交流電源等問題，本文提出了一種基于ZigBee技術的無線樓宇安防報警系統。

ZigBee是由ZigBee聯盟基于802.15.4開發的一種低成本、低功耗、雙向近距離無線數據通訊網絡協議。ZigBee具有以下特點：自動組網，網絡容量大；網絡時延短；功耗低，通信速率低；傳輸距離可擴展；成本低；可靠性好，安全性高。ZigBee的出現，填補了近距離無線數據通信的低成本解決方案空白，具有廣闊的應用前景。

1 系統設計方案

本文研究的智能樓宇安防系統是在原來樓宇安防系統的基礎上，引入了ZigBee無線通信和GPRS無線通信技術，實現了智能樓宇安防的無線化，進一步提高了樓宇自動化的水平。本系統設計的智能樓宇安防系統以樓層為單位，在樓宇每層設置一個安防單元，每個安防單元主要包括以下幾個模塊：傳感器檢測模塊、ZigBee無線通信模塊、ARM控制單元模塊、GPRS模塊、報警模塊，其基本工作原理框圖如圖1所示。

圖1 系統基本工作原理圖

在樓宇中的房間內安裝具有相應功能的傳感器，各個傳感器檢測模塊通過ZigBee無線通信和控制中心的ARM控制器相連接。當傳感器檢測到非法進入、可燃氣體、火災等時，將信號通過ZigBee模塊傳輸給ARM進行分析，根據分析判斷出是哪種傳感器發送的報警信號，并結合監控攝像頭和傳感器編號確定報警位置。同時，通過GPRS模塊發送短消息通知安保人員，以便進行及時處理。本系統設計有設防鍵和撤防鍵，安保人員可以通過短消息來控制這兩個按鍵的工作，隨時實現對系統的設防和撤防，實現系統的遠程操作性能，提高智能樓宇的自動化水平。

2 系統硬件電路設計

本系統的硬件電路框圖如圖2所示,主要由傳感器檢測模塊、ZigBee模塊、GPRS模塊、中央控制器ARM模塊、以太網模塊、電源、功能按鍵、報警模塊等組成。其中，傳感器模塊主要包括門磁、紅外、煙霧、溫度、可燃氣體傳感器；ZigBee無線模塊的核心芯片為德州儀器的CC2530；GPRS模塊為MC39i模塊；以太網模塊的核心是DM9000自適應以太網芯片。

圖2 系統硬件電路框圖

2.1 ZigBee無線通信模塊

ZigBee無線網絡的拓撲結構一般有：星形網絡、網狀網絡和簇狀網絡三種。在實際智能樓宇設備的安裝中，每層樓安裝的檢測傳感器（網絡終端設備）與中央控制器（網絡協調器）之間的距離因樓層而不同。工作過程中，可能會因為距離原因而造成信號的減弱和傳輸錯誤。所以，需要增加路由設備，作為信號的中繼中心，進而保證信號的傳輸質量和可靠性。本設計中ZigBee網絡配置采用簇狀網絡拓撲結構，如圖3所示。

設計中使用的ZigBee節點硬件電路以CC2530為核心芯片。CC2530適用于2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案。CC2530具有領先的RF收發器的優良性能，標準的增強型8051CPU，結合TI Z-STACK協議棧，可以組建具有較高性能的無線通信網絡。

圖3 簇狀網絡拓撲結構

2.2 中央控制器

在整個系統工作中，中央控制器的主要作用有以下三點：第一，接收各傳感器檢測模塊的報警信號，并做出相應的報警處理；第二，實現接收和傳輸數據，包括以太網通信和GPRS通信等數據；第三，能夠控制電源模塊、鍵盤與顯示模塊等。由于在實際電路搭建復雜且需要用到較多的I/O口，所以本設計選用S3C2410處理器。

S3C2410處理器擁有以下資源：獨立的16KB指令Cache和16KB數據Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器NAND閃存控制器，3路UART，4路DMA，4路帶PWM的Timer，117個通用I/O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，2個USB主機，1個USB設備，SD主機和MMC接口，2路SPI。所以能夠滿足本設計中央控制器的需求。

2.3 GPRS模塊

本設計選用GPRS模塊 MC39i，它是新一代GSM/GPRS雙模模塊，具有體積小、易于集成、功耗低等特點。

MC39i接收速率可達86.20kbps，發送速率可達21.5kbps。包含有40個引腳主要用來和核心版進行連接，對數據進行傳輸。工作頻率為GSM900和GSM1800雙頻，并支持GPRS里的四種編碼方式：CS-1、CS-2、CS-3、CS-4。中央控制器通過標準串口接口RS232和MC39i模塊通信，使用AT指令直接對其進行控制，通過GSM網絡短信和安保人員保持實時通信。

2.4 以太網模塊

系統采用DM9000自適應以太網芯片與以太網進行連接。該芯片是一款完全集成的、低成本的單一快速以太網控制芯片，有一個10/100M自適應的PHY和4K DWORD值的SRAM。同時支持8位，16位和32位接口訪問內部存儲器，以支持不同的處理器。DM9000具有自動協調功能，可以自動完成配置，以最大限度地適合其線路帶寬。在實際的硬件電路中，需要完成DM9000與S3C2410控制器的地址總線、數據總線、控制總線的連接，以及DM9000與以太網水晶接頭的連接。

3 系統軟件設計

為了實現設計系統的各項功能，需要對各個模塊編寫相應的驅動和應用程序。系統主程序流程如圖4所示。

4 結果與分析

本系統旨在提高智能樓宇的安防水平，進而提高樓宇自動化的整體水平。為了測試系統的可實施性，選擇實驗樓四樓為測試地點。實驗開始前，將系統狀態設置為設防狀態。實驗過程中，人為的給予各傳感器檢測模塊一定的觸發值。實時環境溫度為23℃，微風。系統的測試結果如表1所示。

表1 系統測試結果

由上表記錄結果可以看出，通過各個傳感器模塊，可以實時準確的檢測到非法進入、有無火災發生以及有無可燃氣體存在，并且該系統能夠準確及時的發出報警信息，具有很好的可靠性和穩定性。將本系統應用于智能樓宇中無疑將提高樓宇的自動化水平。

5 結束語

樓宇安防系統是樓宇自動化系統的組成部分，在現代智能樓宇的建設中占據重要地位。傳統的安防系統存在布線復雜、費用高、維護難等缺點。隨著網絡通信技術、傳感器技術和信息處理技術的發展，無線傳感器網絡得到了廣泛的應用。本文設計的智能樓宇安防系統，利用ARM處理器和嵌入式操作系統作為主控，通過ZigBee無線通信模塊實現和傳感器檢測模塊的通信，解決了布線帶來的一系列問題。同時，采用GPRS通信技術保證了系統報警的實時性，以及遠程控制的及時性。經過實際測試表明，該系統具有一定的可靠性和穩定性，具備了在實際環境中應用的可實施性。安防系統是智能樓宇建設中不可或缺的部分，該系統的設計在一定程度上提高了樓宇自動化的水平。

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