宋岐國，呂希勝，苗 淼

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

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，智能樓宇的概念被更多的人熟悉，安防建設(shè)也變得越來越重要，人們迫切需要將安防系統(tǒng)納入到智能建筑領(lǐng)域，提高現(xiàn)在樓宇的自動(dòng)化水平，通過先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)更多要求、更高標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。為了避免布線的復(fù)雜，容易出現(xiàn)死角，升級(jí)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(shù)的無線樓宇安防報(bào)警系統(tǒng)。

ZigBee是由ZigBee聯(lián)盟基于802.15.4開發(fā)的一種低成本、低功耗、雙向近距離無線數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee具有以下特點(diǎn)：自動(dòng)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)容量大；網(wǎng)絡(luò)時(shí)延短；功耗低，通信速率低；傳輸距離可擴(kuò)展；成本低；可靠性好，安全性高。ZigBee的出現(xiàn)，填補(bǔ)了近距離無線數(shù)據(jù)通信的低成本解決方案空白，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文研究的智能樓宇安防系統(tǒng)是在原來樓宇安防系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入了ZigBee無線通信和GPRS無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能樓宇安防的無線化，進(jìn)一步提高了樓宇自動(dòng)化的水平。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能樓宇安防系統(tǒng)以樓層為單位，在樓宇每層設(shè)置一個(gè)安防單元，每個(gè)安防單元主要包括以下幾個(gè)模塊：傳感器檢測(cè)模塊、ZigBee無線通信模塊、ARM控制單元模塊、GPRS模塊、報(bào)警模塊，其基本工作原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本工作原理圖

在樓宇中的房間內(nèi)安裝具有相應(yīng)功能的傳感器，各個(gè)傳感器檢測(cè)模塊通過ZigBee無線通信和控制中心的ARM控制器相連接。當(dāng)傳感器檢測(cè)到非法進(jìn)入、可燃?xì)怏w、火災(zāi)等時(shí)，將信號(hào)通過ZigBee模塊傳輸給ARM進(jìn)行分析，根據(jù)分析判斷出是哪種傳感器發(fā)送的報(bào)警信號(hào)，并結(jié)合監(jiān)控?cái)z像頭和傳感器編號(hào)確定報(bào)警位置。同時(shí)，通過GPRS模塊發(fā)送短消息通知安保人員，以便進(jìn)行及時(shí)處理。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有設(shè)防鍵和撤防鍵，安保人員可以通過短消息來控制這兩個(gè)按鍵的工作，隨時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)防和撤防，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作性能，提高智能樓宇的自動(dòng)化水平。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路框圖如圖2所示,主要由傳感器檢測(cè)模塊、ZigBee模塊、GPRS模塊、中央控制器ARM模塊、以太網(wǎng)模塊、電源、功能按鍵、報(bào)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?xì)怏w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(wǎng)模塊的核心是DM9000自適應(yīng)以太網(wǎng)芯片。

圖2 系統(tǒng)硬件電路框圖

2.1 ZigBee無線通信模塊

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般有：星形網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和簇狀網(wǎng)絡(luò)三種。在實(shí)際智能樓宇設(shè)備的安裝中，每層樓安裝的檢測(cè)傳感器（網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備）與中央控制器（網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器）之間的距離因樓層而不同。工作過程中，可能會(huì)因?yàn)榫嚯x原因而造成信號(hào)的減弱和傳輸錯(cuò)誤。所以，需要增加路由設(shè)備，作為信號(hào)的中繼中心，進(jìn)而保證信號(hào)的傳輸質(zhì)量和可靠性。本設(shè)計(jì)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置采用簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。

設(shè)計(jì)中使用的ZigBee節(jié)點(diǎn)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(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。CC2530具有領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，結(jié)合TI Z-STACK協(xié)議棧，可以組建具有較高性能的無線通信網(wǎng)絡(luò)。

圖3 簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 中央控制器

在整個(gè)系統(tǒng)工作中，中央控制器的主要作用有以下三點(diǎn)：第一，接收各傳感器檢測(cè)模塊的報(bào)警信號(hào)，并做出相應(yīng)的報(bào)警處理；第二，實(shí)現(xiàn)接收和傳輸數(shù)據(jù)，包括以太網(wǎng)通信和GPRS通信等數(shù)據(jù)；第三，能夠控制電源模塊、鍵盤與顯示模塊等。由于在實(shí)際電路搭建復(fù)雜且需要用到較多的I/O口，所以本設(shè)計(jì)選用S3C2410處理器。

S3C2410處理器擁有以下資源：獨(dú)立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)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(gè)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(gè)USB主機(jī)，1個(gè)USB設(shè)備，SD主機(jī)和MMC接口，2路SPI。所以能夠滿足本設(shè)計(jì)中央控制器的需求。

2.3 GPRS模塊

本設(shè)計(jì)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(diǎn)。

MC39i接收速率可達(dá)86.20kbps，發(fā)送速率可達(dá)21.5kbps。包含有40個(gè)引腳主要用來和核心版進(jìn)行連接，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)串口接口RS232和MC39i模塊通信，使用AT指令直接對(duì)其進(jìn)行控制，通過GSM網(wǎng)絡(luò)短信和安保人員保持實(shí)時(shí)通信。

2.4 以太網(wǎng)模塊

系統(tǒng)采用DM9000自適應(yīng)以太網(wǎng)芯片與以太網(wǎng)進(jìn)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(wǎng)控制芯片，有一個(gè)10/100M自適應(yīng)的PHY和4K DWORD值的SRAM。同時(shí)支持8位，16位和32位接口訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器，以支持不同的處理器。DM9000具有自動(dòng)協(xié)調(diào)功能，可以自動(dòng)完成配置，以最大限度地適合其線路帶寬。在實(shí)際的硬件電路中，需要完成DM9000與S3C2410控制器的地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線的連接，以及DM9000與以太網(wǎng)水晶接頭的連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，需要對(duì)各個(gè)模塊編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

4 結(jié)果與分析

本系統(tǒng)旨在提高智能樓宇的安防水平，進(jìn)而提高樓宇自動(dòng)化的整體水平。為了測(cè)試系統(tǒng)的可實(shí)施性，選擇實(shí)驗(yàn)樓四樓為測(cè)試地點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)開始前，將系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)置為設(shè)防狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)過程中，人為的給予各傳感器檢測(cè)模塊一定的觸發(fā)值。實(shí)時(shí)環(huán)境溫度為23℃，微風(fēng)。系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

由上表記錄結(jié)果可以看出，通過各個(gè)傳感器模塊，可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)到非法進(jìn)入、有無火災(zāi)發(fā)生以及有無可燃?xì)怏w存在，并且該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確及時(shí)的發(fā)出報(bào)警信息，具有很好的可靠性和穩(wěn)定性。將本系統(tǒng)應(yīng)用于智能樓宇中無疑將提高樓宇的自動(dòng)化水平。

5 結(jié)束語

樓宇安防系統(tǒng)是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的組成部分，在現(xiàn)代智能樓宇的建設(shè)中占據(jù)重要地位。傳統(tǒng)的安防系統(tǒng)存在布線復(fù)雜、費(fèi)用高、維護(hù)難等缺點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和信息處理技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的智能樓宇安防系統(tǒng)，利用ARM處理器和嵌入式操作系統(tǒng)作為主控，通過ZigBee無線通信模塊實(shí)現(xiàn)和傳感器檢測(cè)模塊的通信，解決了布線帶來的一系列問題。同時(shí)，采用GPRS通信技術(shù)保證了系統(tǒng)報(bào)警的實(shí)時(shí)性，以及遠(yuǎn)程控制的及時(shí)性。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試表明，該系統(tǒng)具有一定的可靠性和穩(wěn)定性，具備了在實(shí)際環(huán)境中應(yīng)用的可實(shí)施性。安防系統(tǒng)是智能樓宇建設(shè)中不可或缺的部分，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在一定程度上提高了樓宇自動(dòng)化的水平。

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