基于ZigBee的楼宇安全监测系统设计

戴 林

（江苏科技大学 江苏 镇江 212003）

无线传感器网络技术是继因特网之后，对21世纪人类生活方式产生重大影响的IT技术之一。无线传感器网络的出现，将逻辑上的信息世界与客观的物理世界融合在一起，改变了人与机器、人与自然的交互方式，未来人们将通过无所不在的传感器网络接触自然、感知客观世界，从而极大地扩展人类认识世界的能力[1]。

ZigBee是一种网络容量大、节点体积小、低功耗、低速率的无线通信技术，主要用来实现信息的采集与处理。由于Zigbee网络节点体积小，组网灵活，部署方便，功耗极低，所以是很用来组建无线传感器网络[1]。由于其优秀的组网能力，使得它和其他无线通信技术在楼宇自动化系统中的应用具有无可比拟的优势。ZigBee网络支持数量众多的节点，这点对于大型的楼宇自动化系统中需要大量的传感器和控制器的场合是非常重要的[2]。本文所设计的ZigBee无线传感器网络楼宇监控系统主要以楼宇内重要设备为主要监控对象，可以实时的获取各个终端设备的状态信息，并可通过移动通信模块对网络进行远程管理。

1 系统的主要功能和整体结构设计

1.1 楼宇安全监测系统主要功能

楼宇安全监测系统主要由管理中心，ZigBee节点（包括协调器节点、路由节点和监控节点）组成[3]。管理中心运行系统管理软件，监控网络拓扑和负责相关网络管理、维护等功能；ZigBee节点负责设备及环境监控[4]。整个监测系统主要功能如下：

1)管理中心配置网络中各个节点的相关参数、维护网络正常运行；

2)管理中心能够定位具体网络节点；

3)监控节点可以完成自身位置移动监测并报警；

4)监控节点未经授权离开监控区域可报警；

5)监控节点自身状态、环境信息上报功能；

6)管理中心可以通过协调器节点的移动通信模块对网络进行远程管理。

1.2 整体结构设计

ZigBee楼宇安全监控系统中，各类监控设备在楼宇内部署模型如图1所示。

图1中假设被监控楼宇为4层，每一层都有两部楼梯与上下相通。楼宇内需要检测的重要设备都被安装上监控节点。由于楼宇内建筑环境复杂，墙壁、铁器、装修材料设施对2.4GHz的ZigBee信号有着较强的衰减、反射、吸收、多径等影响，为了能够保持网络的有效连通性，在每一楼层上都部署有路由节点，且为了保证路由节点彼此能够有效通信，路由节点放置在通信效果较好的部位，而监控节点与被监控设备一起放于各个房间；在楼宇的合适地方设置一个协调节点来对楼宇内网络进行管理。管理中心与被监控楼宇通过带有GPRS模块的协调节点进行通信。

图1 ZigBee网络安全监测系统部署模型Fig. 1 Deployment model of security monitoring system for ZigBee network

2 硬件设计

2.1 监控子节点设计

在实际应用中，由于需要监控子节点长时间运行，要求硬件系统结构必须简单，才能有效降低功耗。因此监控子节点整个硬件系统十分精简，系统结构如图2，只包括以下几个部分：CC2430片上系统[5]、32 MHz系统时钟和32.768 kHz的实时时钟、调试接口、串行接口、天线以及为系统供电的电池。所以总体上看，除了CC2430片上系统是主要能耗者，其余电路部分与CC2430片上系统相比能耗基本可以忽略，CC2430芯片正常工作时的功耗也很低，所以整个系统十分省电，具有极低的功耗，可以满足长时间运行的需要。

图2 监控子节点硬件结构图Fig. 2 Hardware structure of monitoring node

2.2 路由节点设计

楼宇监控系统中为了能够有效降低监控子节点的功耗，延长子节点工作时间，降低用户维护成本，监控子节点自身不具备报文转发能力，它只针对自身监控设计进行信息采集，并完成上报功能，上报数据要通过路由节点完成。为增加网络覆盖范围，实现较远距离的数据传输本文设计大功率的路由节点。该大功率路由节点就是在图2的基础上通过增加一个CC2591射频前端[1]来提高发送功率和接收灵敏度，从而达到增加传输距离的目的。由于增加了一个射频前端系统，供电使用纽扣电池已不能满足要求，因此将电源模块进行改进，采用TI的TPS7303电源模块的输出对整个大功率节点供电。TPS73033在输入电压范围为3.3～6 V时能够输出稳定的3.3 V电压，可通过外接5 V/200 mA的直流电源供电。

3 协调器节点设计

协调器节点是网络部署的中心，是网络管理、控制、命令下达的主节点，直接与管理中心相通信，完成网络的配置及管理协调的功能。协调器节点自身带有GSM/GPRS模块[6]，以便同远距离管理中心联系，以保证数据快速到达。GSM/GPRS模块的使用可以让管理中心摆脱地域限制，同时也可以将重要信息随时发送给临时脱岗的管理员，提高管理的灵活性，保证系统运行可靠。协调器节点收集监控节点的各种信息，发布网络管理的各种命令，它可以通过ZigBee网络和移动通信方式进行数据传送。协调器节点硬件结构如图3。协调器节点除了GSM/GPRS模块，还包括以下外围功能部件：

1)温度传感器芯片。协调器可以通过外接的温度传感器实时监控环境温度，异常情况下可以进行报警。

图3 协调器节点硬件图Fig. 3 Hardware diagram of the coordinator node

2)电源管理部分。包括电源管理芯片和外接的可充电锂电池，电源管理芯片可以进行电平转换，同时也能够对充电电池进行充电，这样一个部件可以保证系统在有外接电源的情况下，利用外接电源进行供电，一旦外接电源不在，则可以利用充电电池为系统供电，以保证系统能够长时间稳定运行，同时利用片内电源监测程序，系统可以实时监控充电电磁电量，提醒用户充电。

3)串行接口和USB接口部分。串行接口主要有电平转换芯片和串口组成，利用还接口协调器可以连接到管理中心，完成数据传送；如果管理中心没有串口，则可以利用USB接口部件同协调器节点相连，简便的完成数据通信。

4)时钟部分。主要包括实时时钟和系统时钟。

5)CC2430部分。也是协调器节点核心部分，利用该处理器完成网络的组建、管理、命令发送、数据上传等功能，在协调器节点中心，CC2430一直处于工作状态，以完成网络中各种事件的相关处理，由于CC2430毕竟是一个单片机系统，能力有限，所以在系统设计时，可以设计将部分工作转移给管理中心完成。

4 组网及路由协议软件设计

软件设计包括网络协调程序以及路由器、监控子节点程序。它们包括初始化程序、协议栈配置、组网方式配置程序、各处理层设置程序以及发射程序和接收程序。初始化程序主要对CC2430、协议栈、UART串口等进行初始化；发射程序将所采集额数据通过CC2430调制并通过DMA直接发送至射频输出；接收程序完成数据的接收、传送及返回信息处理。主程序如图4所示。

主程序包括两部分，网络协调器程序以及路由器、监控子节点程序。

对于网络协调器主程序，首先初始化CC2430，然后初始化协议栈，之后建立新网络，确定网络的ID号和频道号，然后系统进入监测状态。如果有新的设备申请加入网络，则为其分配网络地址，批准其加入网络。同理，协调器接收监控子节点发送来的信息，并通过串口或者USB发送给上位机，或者从上位机得到命令，发送给监控子节点。

图4 系统主程序流程图Fig. 4 Flow diagram of the main program

而路由器、监控子节点程序，首先初始化CC2430，然后初始化协议栈。系统进入搜索网络状态，当附近有网络存在时，则申请入网。若无网络存在，系统进入休眠待机状态，监控子节点有信息发送，或者接收到协调器的命令，则唤醒设备，进行无线发送或接受。当事件处理处理完时，系统重新进入待机休眠状态。

5 系统实现

为了方便对个节点进行控制，开发管理层程序对各个节点进行管理。该程序为运行在导控中心的系统管理软件，负责对全部节点进行可视化管理，包括节点的网络拓扑发现、节点实时监控、节点丢失报警、状态异常报警、节点信息管理、系统用户管理、并实现系统参数设置等功能。本软件基于.NET Framework 2.0,使用Microsoft Visual Studio 2005环境开发，C#为主要开发语言，并使用SQL Sever 2005作为数据库。图5显示基于ZigBee网络的楼宇监测系统图。协调器负责对网络中的节点在位情况监测，当长时间未收到节点发送的位置信息，则认为节点丢失，并向管理系统发送节点丢失报警信息。管理系统可实时查询节点的信息。

图5 基于ZigBee的楼宇监测系统管理中心Fig. 5 Management center of building monitoring system based on ZigBee

6 结 论

文中给出基于ZigBee网络的楼宇安全检测系统设计方案，主要是通过基于CC2430的ZigBee节点组成监控网络，可以通过运行管理软件，监控网络拓扑和负责相关网络管理、维护等功能。即使管理员距离监控楼宇较远，管理中心也可以通过协调器节点的移动通信模块进行远程管理，使住户更加安全、舒适、方便。

[1] 郭渊博,杨奎武,赵俭,等.ZigBee技术与应用：CC2430设计、开发与实践 [M].北京：国防工业出版社,2010.

[2] 白建波,张小松,路诗奎.ZigBee技术及其在楼宇自动化系统中应用的思考 [J].智能建筑与城市信息,2006(1):102-104.BAI Jian-bo, ZHANG Xiao-song, LU Shi-kui. Thoughts on ZigBee technology and its application in the building automation system[J].Intelligent Building and City Information,2006(1):102-104.

[3] 潘伟,黄东.基于ZiBee技术的无线传感器网络研究[J].计算机技术与发展,2008,18(9):244-247.PAN Wei, HUANG Dong. The research of wireless sensor network based on ZigBee technology[J].Computer Technology and Development, 2008,18(9):244-247.

[4] 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,2008.

[5] 耿佳.一种智能家居监控系统的设计[J].微计算机信息,2009(17):49-50.GENG Jia.The design of Smart-home monitoring system[J].Micro Computer Information,2009(17):49-50.

[6] 刘坚,陶正苏,陈德富,等.基于GPRS的环境监测系统的设计[J].自动化仪表,2009,30(2):30-32.LIU Jian,TAO Zheng-su,Chen De-fu,et al.Design of environment monitoring system based on GPRS[J].Process Automation Instrumentation,2009,30(2):30-32.