基于ZigBee的物聯網安防系統設計

◆曹文田 高 彥 劉宗武

（中國人民解放軍78156部隊 甘肅 730020）

基于ZigBee的物聯網安防系統設計

◆曹文田 高 彥 劉宗武

（中國人民解放軍78156部隊 甘肅 730020）

隨著自動化技術、計算機技術以及傳感器等先進技術的飛速發展，使得集計算機網絡系統、全自動控制系統以及現代無線通信技術于一身的現代網絡化智能控制系統得到了廣泛應用，本文運用ZigBee自組網技術作為安防物聯網核心組網技術，依靠可燃氣體傳感器對煤氣、天然氣、沼氣等可燃氣體進行監測，通過紅外傳感器來完成對人體等可能出現紅外現象的探測，利用感溫傳感器則對火災、煙霧進行報警，使用玻璃碎片傳感器針對破碎的玻璃、窗戶等尖銳物體進行辨別，采用門磁傳感器對房屋門口進行重點監控，來實現智慧小區、智慧房屋等設施的安全功能。

ZigBee；傳感器；智能安防；物聯網

0 引言

隨著高科技不停涌現并且隨之應用時，也產生了各種不利因素，諸如電熱水器、電熱鍋、天然氣和微波爐等產品的使用，都會招致各種事故的產生；同時某些違法分人員的存在，就會導致各式各樣的犯罪違法行為的發生，在此種背景之下，并且通過分析大量國內國外的智能安防系統，本文選用ZigBee技術此種極其適合現代人無線網絡控制系統的最新的無線網絡通信技術。在實際的量化投產的使用過程中，往往要減少成本，并且網絡結構要盡可能的簡潔實用，方便安裝。為此，提出如下設計原則：

（1）自組織：所有前端的節點依靠彼此進行組織，組網的同時無需主人進行預先設置。

（2）低成本：在網絡中，需要安裝的傳感器的數量龐大，因此應選用價格低廉的傳感器構成節點來組成網絡。

（3）標準化：對網絡中全部的傳感器等終端的量化標準實行標準化。

（4）嵌入式方面的運用：節點依靠集成了嵌入式技術的設備，或者其他種類的設備來完成數據轉接，通過這種方法，可以節約成本。

1 總體結構

系統由多傳感器組建的無線網絡、監控單元和控制單元組成，其總體結構如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

智能安防的無線傳感器網絡是由終端節點、路由器節點以及協調器節點組成的。節點傳感器零零散散地布置在環境當中，傳輸方式為多跳路由的形式。在實際應用中，智能安防的無線傳感網絡通過協作方式來感知、采集、處理以及傳送網絡中被網絡感知對象的信息。經過處理后把這些信息送至計算機控制中心。

以計算機為核心進行檢測傳感器的監控單元的主要構成部分就是計算機檢監測心。其可通過 GSM等手機網絡將報警信息直接發送到手機客戶終端，并且用戶還可通過PC終端來查看視頻信息，確定是否存在誤報警，如果屬于誤報警，用戶則可以通過ZigBee網絡使用PC終端來發送復位指令取消報警狀態；若用戶確定其屬于正常報警情況，則可發送執行命令來進行控制揚聲器來向不法分子發出警告等。

不一樣類別的傳感器被放在不同的地方。在房門的位置上，設置了門磁傳感器，天花板上裝有感溫以及可燃氣體傳感器。而將可燃氣體傳感器也同時布置在了廚房等含有燃料的地方，同時，在房子的大部分區域都安裝著大量的紅外傳感器。以上數據會依靠路由器的收集后會進行傳輸至云端。

在整個網絡的設計中，節點的設計一般要視具體要實現的功能而定。基于這點，要實現不同的功能往往要采用不同的方法。現代智能的安防網絡中一般包括3個節點：傳感器終端節點、路由器節點以及協調器節點，各自作用如下：

(1) 終端節點可分成收集節點和控制節點。收集節點作用是監控數據的不正常變化，并數字化后存儲，同時通過信道傳給路由器。而控制節點會執行控制命令。

(2) 協調器節點：負責匯總網絡中的全部數據，是網絡中各個子節點的中心點與關鍵節點，能夠組建、維持及管控整個傳感器系統。另外，利用串口來完成與終端間的信息的傳輸。

(3) 路由器節點負責轉發，大量的數據信息會通過路由器的傳導作用進行分發。此時，路由表也在實時地刷新著，目的是匹配適合的路由，實現信息的路線尋找和路由保護，為協調器與終端中間進行接續。

1.1 路由節點

整個無線網絡中，起到中繼功能的就是路由器。一旦中繼面臨癱瘓的時候，協調器就會完成中繼，即兩者之間可以互補。同時，在網絡發生故障時，路由節點可以作為一種中繼器來建立終端節點與協調器之間的通信。利用此種方法，網絡容錯會增強。同時也基本上杜絕了數據丟失以及系統崩潰等問題的發生。

設計流程：路由節點設置后，就初始化，然后按照圖中所示進行。當條件許可時，如果有加入到網絡中的信號則網絡會自動給其分配地址。一旦出現情況，則會再一次進行步驟。當路由節點加入到網絡后，就循環執行設置編碼好的循環函數，每個循環都會將所收到的數據轉發出去。

1.2 終端節點

ZigBee的終端節點主要用于信息采集模塊當中的傳感器節點，由傳感器構成。由于傳感器節點不需頻繁的發射大量數據，而只是當產生報警信息時，才與其父節點通信，因此要選用成本低廉的RFD作為終端節點。

終端節點的設計可分成軟件部分和硬件部分：軟件部分的操作主要是完成各類傳感器的驅動功能，硬件部分就是那些物理實體，主要是對于各種傳感器和接口電路的設計，比如通過無線或者有線的連接方式將傳感器設備設計好的各種電路。

在 RFD節點上，程序首先初始化，接著打開傳感器電源。然后初始化協議棧，發送信號，等待前面路由節點的回應，同時給自身設置網絡號。最后程序會執行函數 RfdWork()，來監測有無傳感器信號的產生。

1.3 協調器節點

ZigBee協調器會執行控制中心的命令，對應的解決問題。在這同時，網絡協調器還負責將各個節點收集到的數據傳至系統控制中心。

在完成前段初始化等步驟后，程序進入應用層，進入到無線監控狀態，監視空氣中的無線信號，掃描有無報警的信號被檢測到，掃描有無報警信號，如果有 RFD或者路由節點申請添加到網絡，則液晶顯示屏和串口都會輸出并顯示當前網絡中有新的RFD或者路由節點加入，同時會顯示新加入的節點的物理地址，隨后，網絡協調器也會給該節點分配網絡地址。同樣，節點發來的報警信息，也會在液晶屏上顯示出來，通過串口進行處理。

2 設計組網

唯一的網絡標識符在每個獨立的ZigBee網絡中都會存在，那就是網絡號。在一個網絡當中，全部設備都具有各自的64位長度的地址碼，此地址碼可在網絡當中建立實時通信。利用網絡標識符，可以將已經建立好連接的各個設備之間的長地址碼轉化為16位短地址碼來分配給網絡設備。所以，當網絡協調器進行連接時，使用64位地址碼，而要采用16位短地址碼實現鏈接，只有連接成功并且系統對網絡標識符進行分配后才可實現。

網絡協調器節點進行電激活后，最開始先對物理層預先的信道能量監測，用以檢測雜波，同時對被檢測的信道按照能量的多少來進行編排，然后繼續執行主動掃描這一步驟用以篩選某個最好的信道來當做目前的工作信道。

建立協調器節點的網絡后，進行廣播信標幀，然后接受節點的入網申請。其它所有節點都當做該網絡的子節點進行發送入網請求，并尋找網絡，一但找到網絡，節點就會根據獲取的網絡信息進行選擇某個母節點來提出入網申請，并且等候母節點回送的請求響應。當母節點收到入網請求后，將會依靠申請的信息來做出是否通過其添加網絡的評判，如果申請通過，那么母節點將會發出請求響應，從而通知子節點。一旦子節點收到了請求響應之后，將會得到母節點分發的一個網絡號來當做在網絡中唯一的識別，完成此步驟后，節點就成功加入到網絡。至此，網絡通過一步一步的短地址分配，網絡中所有的節點都將構成樹型的網絡拓撲結構。

3 結語

本文運用ZigBee安防技術，依靠無線傳感器對各類有效物理信息實行收集，再依靠每個功能模塊構成的無線網絡進行傳輸信息匯總到后臺軟件，同時提示相關人員及時處理問題。運用ZigBee自組網技術作為安防物聯網核心組網技術，依靠可燃氣體傳感器對煤氣、天然氣、沼氣等可燃氣體進行監測，通過紅外傳感器來完成對人體等可能出現紅外現象的探測，利用感溫傳感器則對火災、煙霧進行報警，使用玻璃碎片傳感器針對破碎的玻璃、窗戶等尖銳物體進行辨別，采用門磁傳感器對房屋門口進行重點監控，來實現智慧小區、智慧房屋等設施的安防功能。