基于ZigBee技术的家用安防系统的设计

张海生　涂婧璐　郭毅　曾祥燕

摘要：针对目前安防系统在施工成本、施工难度、维修维护难度等存在的局限性，该文提出了将ZigBee无线技术与安防监控系统相结合，实现了对个人家庭的盗窃、火警、煤气泄漏等安全事故的实时监控。

关键词：安防系统；ZigBee；CC2530

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）34-8329-03

伴随着国民经济的持续快速发展，人们的生活水平和生活质量在逐步提高，人们对生活品质特别是家庭人身和财产安全有了更进一步认识和追求，安防系统越来越受到人们的重视。据相关数据显示，2010年全国安防行业总产值达到了2300亿元，“十一五”期间年均增长超过20%；据安防行业“十二五”规划消息，2015年安防行业产业规模将翻一番总产值达5000亿，整个安防市场趋于高增长状态。

在安防产业高速发展的背景下，减小安防系统工程的施工难度、维修维护难度和降低工程的经济成本，成为安防行业研究的重点内容之一，并且大部分家庭住所并不都有安保人员和高质量的小区安保系统。现有的安防系统大部分采用有线方式敷设，工程施工繁琐、可扩展性差、不易维护。因此，将安防系统从中高档小区向中低端的个人家庭延伸；从有线安防向无线安防延伸，成为本文研究的内容。

1ZigBee技术简介

ZigBee技术是一种新兴的近距离、低功耗、低成本、低数据率、低复杂度的无线网络技术。ZigBee工作在2.4GHz、868MHz和915MHz3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，也可以根据需要继续增加。ZigBee具有如下特点：

低功耗：由于ZigBee的传输速率低，而且采用了休眠模式，ZigBee设备可以确保两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间。

成本低：ZigBee工作在2.4GHz、868MHz和915MHz3个频段上，而且这三个频段均为免费开放频段，加之ZigBee模块价格在市场中也非常低廉。

网络容量大：一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，而且网络组成灵活如网状网、树形网、星形网等。

可靠：ZigBee网络的无需人工干预，网络节点能自动搜索并组网，当网络的拓扑结构发生变化或者故障，网络可以自我调整和修复。

安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

2系统方案设计

基于ZigBee技术的家用安防系统的设计主要面向个人家庭，应尽量降低系统成本，一般个人家庭大小的半径在30米以内，基于ZigBee技术的无线系统完全能满足需求，系统总体结构图如图1所示。该方案的设计特点是将ZigBee无线网络与GSM网络相结合，ZigBee无线网络由若干个传感器节点和一个协调器节点组成，其中传感器节点的功能主要是对信息进行采集处理和无线传输，协调器节点作为整个系统的核心其功能主要包括组建网络、管理和监测网络并与GSM网络相连，一旦检测到网络中发生警情便立即发送警情报告。

2.1系统组网方式

ZigBee无线网络具有强大的组网能力，网络拓扑结构支持网状型、星型和簇状型拓扑结构。IEEE802.15.4标准定义了，组成ZigBee网络节点的物理设备有两大类型，一种是全功能设备简称FFD设备（FullFunctionDevice），另一种是精简功能设备简称RFD设备（Reduced）。其中，FFD设备可提供全部的IEEE802.15.4MAC服务，可充当任何ZigBee设备，因此FFD设备不仅可以发送和接收数据，还具备路由功能；而RFD设备只提供部分的IEEE802.15.4MAC服务，只能充当终端节点，它只负责将采集的数据信息发送给FFD设备，并不具备数据转发、路由发现和路由维护等功能。

另外ZigBee标准也规定，ZigBee无线网络中有三种担负不同功能任务的设备：协调器、路由器和终端节点。通常协调器和路由器是FFD设备，终端节点是RFD设备。在一个ZigBee无线网络中（即PANID相同的各节点）只有唯一一个协调器节点、多个路由器和多个终端设备节点组成。当一个FFD节点启动时先要检测有没有网络存在，如果已经存在网络，它将作为子设备加入这个网络，如果不存在，作为网络上的第一个设备将充当协调器的功能并选择一个信道和网络标识（PANID）组建并配置网络，一旦网络建立完成（没有新节点的加入）则网络不依赖这个协调器的存在，它只充当路由器的功能。在ZigBee网络里，协调器和路由器都是FFD设备，硬件结构几乎完全一样，只不过实现的功能不同。

本系统主要面向个人家庭用户，因此宜采用星型网络拓扑，由一个协调器节点和若干个终端传感器节点组成。其它的传感器节点只负责采集与并将数据发送到协调器节点，协调器将根据终端传感器节点发送的数据做出相应的判断。

2.2主要芯片

无线收发芯片选用TI公司最新推出的CC2530芯片。CC2530是用于2.4GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE上的一个片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了RF收发器，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8KBRAM和许多其他强大的功能。CC2530有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。

2.3传感器节点

传感器节点主要功能是实现信息的采集与无线传输，其系统主要由带门磁、玻璃破碎、被动红外、烟感、煤气泄漏等传感器的传感器模块，控制器模块，无线收发模块和电源模块组成。当盗窃、火灾、煤气泄漏等安全事故发生时，将触发传感器节点，从而激活芯片的报警程序，将报警数据包与对应的传感器节点地址一并发送到协调器。传感器节点结构图如图2所示。

2.4协调器节点

协调器节点是整个网络的核心，其功能主要有组建网络、管理和监测网络并与GSM网络相连，一旦检测到网络中发生警情便立即发送警情报告。在Zigbee网络中，协调器的作用是组建网络并配置网络，例如为加入该网络的节点分配PANID和用于在本地网络中标识设备的16位短地址。GSM模块选用SIMCom推出一款新型无线模块—SIM900B，SIM900B属于B2B类型的四频GSM/GPRS模块，采用非常强大的AMR926EJ-S单芯片处理器，可完全兼容于SIM300/340和SIM340E。SIM900B采用工业标准口，工作频率为GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。协调器节点结构图如图3所示。

3小结

ZigBee技术作为一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。特别适合在工业控制、智能家居、安防系统以及各类消费电子设备等要求周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用场合。基于ZigBee技术的家用安防系统的设计正是很好地应用了ZigBee技术的这些优点，使得该系统具备了实时性好、成本低廉及良好的可扩展性和实用价值。系统还可以广泛的应用到智能小区，办公大楼等场所，具有广阔的市场和应用前景。

参考文献：

[1]瞿雷，刘盛德，胡咸斌.ZigBee技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2]李文伸，段朝玉等.ZigBee2006无线网络与无线定位实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[3]何为民，潘仕彬.计算机组成与嵌入式系统[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[4]李正，关永，王亮，等.嵌入式ZigBee串口模块的设计[J].微计算机信息，2009，25（20）：40-41.