◆曹文田 高 彥 劉宗武

（中國(guó)人民解放軍78156部隊(duì) 甘肅 730020）

基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

◆曹文田 高 彥 劉宗武

（中國(guó)人民解放軍78156部隊(duì) 甘肅 730020）

隨著自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及傳感器等先進(jìn)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得集計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、全自動(dòng)控制系統(tǒng)以及現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)于一身的現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化智能控制系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，本文運(yùn)用ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)作為安防物聯(lián)網(wǎng)核心組網(wǎng)技術(shù)，依靠可燃?xì)怏w傳感器對(duì)煤氣、天然氣、沼氣等可燃?xì)怏w進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)紅外傳感器來(lái)完成對(duì)人體等可能出現(xiàn)紅外現(xiàn)象的探測(cè)，利用感溫傳感器則對(duì)火災(zāi)、煙霧進(jìn)行報(bào)警，使用玻璃碎片傳感器針對(duì)破碎的玻璃、窗戶(hù)等尖銳物體進(jìn)行辨別，采用門(mén)磁傳感器對(duì)房屋門(mén)口進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，來(lái)實(shí)現(xiàn)智慧小區(qū)、智慧房屋等設(shè)施的安全功能。

ZigBee；傳感器；智能安防；物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

隨著高科技不停涌現(xiàn)并且隨之應(yīng)用時(shí)，也產(chǎn)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(chǎn)品的使用，都會(huì)招致各種事故的產(chǎn)生；同時(shí)某些違法分人員的存在，就會(huì)導(dǎo)致各式各樣的犯罪違法行為的發(fā)生，在此種背景之下，并且通過(guò)分析大量國(guó)內(nèi)國(guó)外的智能安防系統(tǒng)，本文選用ZigBee技術(shù)此種極其適合現(xiàn)代人無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的最新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。在實(shí)際的量化投產(chǎn)的使用過(guò)程中，往往要減少成本，并且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要盡可能的簡(jiǎn)潔實(shí)用，方便安裝。為此，提出如下設(shè)計(jì)原則：

（1）自組織：所有前端的節(jié)點(diǎn)依靠彼此進(jìn)行組織，組網(wǎng)的同時(shí)無(wú)需主人進(jìn)行預(yù)先設(shè)置。

（2）低成本：在網(wǎng)絡(luò)中，需要安裝的傳感器的數(shù)量龐大，因此應(yīng)選用價(jià)格低廉的傳感器構(gòu)成節(jié)點(diǎn)來(lái)組成網(wǎng)絡(luò)。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化：對(duì)網(wǎng)絡(luò)中全部的傳感器等終端的量化標(biāo)準(zhǔn)實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化。

（4）嵌入式方面的運(yùn)用：節(jié)點(diǎn)依靠集成了嵌入式技術(shù)的設(shè)備，或者其他種類(lèi)的設(shè)備來(lái)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接，通過(guò)這種方法，可以節(jié)約成本。

1 總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由多傳感器組建的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控單元和控制單元組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

智能安防的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成的。節(jié)點(diǎn)傳感器零零散散地布置在環(huán)境當(dāng)中，傳輸方式為多跳路由的形式。在實(shí)際應(yīng)用中，智能安防的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通過(guò)協(xié)作方式來(lái)感知、采集、處理以及傳送網(wǎng)絡(luò)中被網(wǎng)絡(luò)感知對(duì)象的信息。經(jīng)過(guò)處理后把這些信息送至計(jì)算機(jī)控制中心。

以計(jì)算機(jī)為核心進(jìn)行檢測(cè)傳感器的監(jiān)控單元的主要構(gòu)成部分就是計(jì)算機(jī)檢監(jiān)測(cè)心。其可通過(guò) GSM等手機(jī)網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信息直接發(fā)送到手機(jī)客戶(hù)終端，并且用戶(hù)還可通過(guò)PC終端來(lái)查看視頻信息，確定是否存在誤報(bào)警，如果屬于誤報(bào)警，用戶(hù)則可以通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)使用PC終端來(lái)發(fā)送復(fù)位指令取消報(bào)警狀態(tài)；若用戶(hù)確定其屬于正常報(bào)警情況，則可發(fā)送執(zhí)行命令來(lái)進(jìn)行控制揚(yáng)聲器來(lái)向不法分子發(fā)出警告等。

不一樣類(lèi)別的傳感器被放在不同的地方。在房門(mén)的位置上，設(shè)置了門(mén)磁傳感器，天花板上裝有感溫以及可燃?xì)怏w傳感器。而將可燃?xì)怏w傳感器也同時(shí)布置在了廚房等含有燃料的地方，同時(shí)，在房子的大部分區(qū)域都安裝著大量的紅外傳感器。以上數(shù)據(jù)會(huì)依靠路由器的收集后會(huì)進(jìn)行傳輸至云端。

在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)一般要視具體要實(shí)現(xiàn)的功能而定?；谶@點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)不同的功能往往要采用不同的方法。現(xiàn)代智能的安防網(wǎng)絡(luò)中一般包括3個(gè)節(jié)點(diǎn)：傳感器終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，各自作用如下：

(1) 終端節(jié)點(diǎn)可分成收集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)。收集節(jié)點(diǎn)作用是監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的不正常變化，并數(shù)字化后存儲(chǔ)，同時(shí)通過(guò)信道傳給路由器。而控制節(jié)點(diǎn)會(huì)執(zhí)行控制命令。

(2) 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)匯總網(wǎng)絡(luò)中的全部數(shù)據(jù)，是網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的中心點(diǎn)與關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，能夠組建、維持及管控整個(gè)傳感器系統(tǒng)。另外，利用串口來(lái)完成與終端間的信息的傳輸。

(3) 路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)，大量的數(shù)據(jù)信息會(huì)通過(guò)路由器的傳導(dǎo)作用進(jìn)行分發(fā)。此時(shí)，路由表也在實(shí)時(shí)地刷新著，目的是匹配適合的路由，實(shí)現(xiàn)信息的路線尋找和路由保護(hù)，為協(xié)調(diào)器與終端中間進(jìn)行接續(xù)。

1.1 路由節(jié)點(diǎn)

整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，起到中繼功能的就是路由器。一旦中繼面臨癱瘓的時(shí)候，協(xié)調(diào)器就會(huì)完成中繼，即兩者之間可以互補(bǔ)。同時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)可以作為一種中繼器來(lái)建立終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的通信。利用此種方法，網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)會(huì)增強(qiáng)。同時(shí)也基本上杜絕了數(shù)據(jù)丟失以及系統(tǒng)崩潰等問(wèn)題的發(fā)生。

設(shè)計(jì)流程：路由節(jié)點(diǎn)設(shè)置后，就初始化，然后按照?qǐng)D中所示進(jìn)行。當(dāng)條件許可時(shí)，如果有加入到網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)則網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)給其分配地址。一旦出現(xiàn)情況，則會(huì)再一次進(jìn)行步驟。當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)后，就循環(huán)執(zhí)行設(shè)置編碼好的循環(huán)函數(shù)，每個(gè)循環(huán)都會(huì)將所收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去。

1.2 終端節(jié)點(diǎn)

ZigBee的終端節(jié)點(diǎn)主要用于信息采集模塊當(dāng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)，由傳感器構(gòu)成。由于傳感器節(jié)點(diǎn)不需頻繁的發(fā)射大量數(shù)據(jù)，而只是當(dāng)產(chǎn)生報(bào)警信息時(shí)，才與其父節(jié)點(diǎn)通信，因此要選用成本低廉的RFD作為終端節(jié)點(diǎn)。

終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)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(lèi)傳感器的驅(qū)動(dòng)功能，硬件部分就是那些物理實(shí)體，主要是對(duì)于各種傳感器和接口電路的設(shè)計(jì)，比如通過(guò)無(wú)線或者有線的連接方式將傳感器設(shè)備設(shè)計(jì)好的各種電路。

在 RFD節(jié)點(diǎn)上，程序首先初始化，接著打開(kāi)傳感器電源。然后初始化協(xié)議棧，發(fā)送信號(hào)，等待前面路由節(jié)點(diǎn)的回應(yīng)，同時(shí)給自身設(shè)置網(wǎng)絡(luò)號(hào)。最后程序會(huì)執(zhí)行函數(shù) RfdWork()，來(lái)監(jiān)測(cè)有無(wú)傳感器信號(hào)的產(chǎn)生。

1.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

ZigBee協(xié)調(diào)器會(huì)執(zhí)行控制中心的命令，對(duì)應(yīng)的解決問(wèn)題。在這同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器還負(fù)責(zé)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)傳至系統(tǒng)控制中心。

在完成前段初始化等步驟后，程序進(jìn)入應(yīng)用層，進(jìn)入到無(wú)線監(jiān)控狀態(tài)，監(jiān)視空氣中的無(wú)線信號(hào)，掃描有無(wú)報(bào)警的信號(hào)被檢測(cè)到，掃描有無(wú)報(bào)警信號(hào)，如果有 RFD或者路由節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)?zhí)砑拥骄W(wǎng)絡(luò)，則液晶顯示屏和串口都會(huì)輸出并顯示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中有新的RFD或者路由節(jié)點(diǎn)加入，同時(shí)會(huì)顯示新加入的節(jié)點(diǎn)的物理地址，隨后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器也會(huì)給該節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。同樣，節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的報(bào)警信息，也會(huì)在液晶屏上顯示出來(lái)，通過(guò)串口進(jìn)行處理。

2 設(shè)計(jì)組網(wǎng)

唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符在每個(gè)獨(dú)立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中都會(huì)存在，那就是網(wǎng)絡(luò)號(hào)。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，全部設(shè)備都具有各自的64位長(zhǎng)度的地址碼，此地址碼可在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中建立實(shí)時(shí)通信。利用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符，可以將已經(jīng)建立好連接的各個(gè)設(shè)備之間的長(zhǎng)地址碼轉(zhuǎn)化為16位短地址碼來(lái)分配給網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。所以，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行連接時(shí)，使用64位地址碼，而要采用16位短地址碼實(shí)現(xiàn)鏈接，只有連接成功并且系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符進(jìn)行分配后才可實(shí)現(xiàn)。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電激活后，最開(kāi)始先對(duì)物理層預(yù)先的信道能量監(jiān)測(cè)，用以檢測(cè)雜波，同時(shí)對(duì)被檢測(cè)的信道按照能量的多少來(lái)進(jìn)行編排，然后繼續(xù)執(zhí)行主動(dòng)掃描這一步驟用以篩選某個(gè)最好的信道來(lái)當(dāng)做目前的工作信道。

建立協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)后，進(jìn)行廣播信標(biāo)幀，然后接受節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)申請(qǐng)。其它所有節(jié)點(diǎn)都當(dāng)做該網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，并尋找網(wǎng)絡(luò)，一但找到網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)就會(huì)根據(jù)獲取的網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行選擇某個(gè)母節(jié)點(diǎn)來(lái)提出入網(wǎng)申請(qǐng)，并且等候母節(jié)點(diǎn)回送的請(qǐng)求響應(yīng)。當(dāng)母節(jié)點(diǎn)收到入網(wǎng)請(qǐng)求后，將會(huì)依靠申請(qǐng)的信息來(lái)做出是否通過(guò)其添加網(wǎng)絡(luò)的評(píng)判，如果申請(qǐng)通過(guò)，那么母節(jié)點(diǎn)將會(huì)發(fā)出請(qǐng)求響應(yīng)，從而通知子節(jié)點(diǎn)。一旦子節(jié)點(diǎn)收到了請(qǐng)求響應(yīng)之后，將會(huì)得到母節(jié)點(diǎn)分發(fā)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)來(lái)當(dāng)做在網(wǎng)絡(luò)中唯一的識(shí)別，完成此步驟后，節(jié)點(diǎn)就成功加入到網(wǎng)絡(luò)。至此，網(wǎng)絡(luò)通過(guò)一步一步的短地址分配，網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)都將構(gòu)成樹(shù)型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用ZigBee安防技術(shù)，依靠無(wú)線傳感器對(duì)各類(lèi)有效物理信息實(shí)行收集，再依靠每個(gè)功能模塊構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸信息匯總到后臺(tái)軟件，同時(shí)提示相關(guān)人員及時(shí)處理問(wèn)題。運(yùn)用ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)作為安防物聯(lián)網(wǎng)核心組網(wǎng)技術(shù)，依靠可燃?xì)怏w傳感器對(duì)煤氣、天然氣、沼氣等可燃?xì)怏w進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)紅外傳感器來(lái)完成對(duì)人體等可能出現(xiàn)紅外現(xiàn)象的探測(cè)，利用感溫傳感器則對(duì)火災(zāi)、煙霧進(jìn)行報(bào)警，使用玻璃碎片傳感器針對(duì)破碎的玻璃、窗戶(hù)等尖銳物體進(jìn)行辨別，采用門(mén)磁傳感器對(duì)房屋門(mén)口進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，來(lái)實(shí)現(xiàn)智慧小區(qū)、智慧房屋等設(shè)施的安防功能。