基于ZigBee的振动报警系统的设计与实现

管超+邵小桃

摘要：随着无线通信技术的进步，利用无线技术对目标进行监控、跟踪、定位成为现实。传统的无线防盗技术存在着诸多不可逾越的障碍，而ZigBee技术具有功耗低、通信可靠、网络容量大等优点，它为无线防盗技术提供了比较完美的解决方案。本次设计的振动报警系统是利用集成了8051内核的CC2530芯片为核心的ZigBee开发套件实现的。连接有振动传感器的下位机不断检测外部振动，将检测到的信号通过无线方式传给上位机，上位机根据下位机发送的信息，发出控制指令控制相应的执行机构。

关键词：通信与信息系统；振动报警系统；ZigBee技术；CC2530；振动传感器

中图分类号：TN92

文献标识码：A

DOI：10.3969/i.issn.1003-6970.2015.06.027

本文著录格式：管超，邵小桃，基于ZigBee的振动报警系统的设计与实现[J].软件，2015，36（6）：146-151

DesignandImplementationoftheVibrationAlarmSystemBasedonZigBee

GUANChao，SHAOXiao-tao

[Abstract]：Withthedevelopmentofwirelesscommunicationtechnology，monitoring，trackingandpositioningobjectbywirelesstechnologyhasbeenachieved.Traditionalwirelessanti-theftsystemhasmanytroublesomeobstacles.Withlowpowerconsumption，reliabledatacommunications，considerablenetworkcapacityandotheradvantages，ZigBeetechnologymakesaperfectsolutiontothewirelessanti-theftsystem.ThealarmsystemforvibrationisachievedbytheZigBeedevelopmentkitwhichusestheCC2530chip，integrating8051kernel，asitscore.Connectingwithvibrationsensor，theMCUcontinuouslydetectstheexternalvibration，andthedetectedsignalwillbesenttothehostcomputerviawirelessnetwork.AccordingtotheinformationsentbytheMCU，thehostcomputerissuescontrolinstructionstorelatedpartofsystem.

[Keywords]：Communicationandinformationsystem；Vibrationalarmsystem；ZigBeetechnology；CC2530；Vibrationsensor

0引言

随着生活水平的提高，人们越来越着重人身财产的安全，如发生了险情，若能及时发现，就能及早制止，避免酿成重大事件。及时发现险情，一方面依靠人的警惕，另一方面还要借助于一定的设备。本设计就是为了满足现代住宅防盗的需要而设计的基于ZigBee的振动报警系统。目前报警系统的信号传输方式主要是有线和无线两种。有线方式具有通讯可靠、抗干扰能力强、器件成本低等优点，但是其机动性差、不能较好地适应用户及产品的多变要求；无线方式具有灵活、简洁的优点，需求日益扩大，越来越得到用户的认可，但是其容易受到干扰，传输稳定性和抗干扰性也存在不足，价格较高[1]。

作为一种新兴的无线网络技术，ZigBee的基础是IEEE无线个人区域网工作组的一项标准，被成为IEEE802.15.4技术标准。IEEE802.15.4协议主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用[2]。ZigBee无线网络的实现，是建立在ZigBee协议栈的基础上的。ZigBee协议栈是建立在OSI（OpenSystemInterconnect，开放系统互联）基本参考模型的基础上的，是OSI七层模型的精简网络模型。ZigBee标准使用IEEE802.15.4的物理层和MAC层协议作为ZigBee协议栈的一部分，并自己定义了网络层、应用层和安全协议，因此任何ZigBee设备和IEEE标准都是兼容的[3-4]。

ZigBee具有白组织网络的特点，新的节点经上电之后，就能收听邻近节点，只要满足接入标准，就可以加入网络[5]。通过使用低功耗、低成本、低速率的短距离无线通信新标准ZigBee来组建防盗报警网络，不仅解决了传统有线网络系统布线难、成本高以及不易扩展等问题，还能基本解决现有无线报警系统存在误报警等问题。

1系统的整体设计思路

本设计分为节点部分和主机部分。节点部分的各路传感器不断检测外部环境，并将检测结果通过串口发送给ZigBee套件1，ZigBee套件1通过无线方式将信号传给ZigBee套件2，ZigBee套件2通过串口方式再将信号传给上位机。

上位机无线接收到下位机发送过来的信号，对信号进行分析处理，并且通过串口发迭信号给ZigBee套件3，从而控制蜂鸣器，发出报警信号。

2系统的硬件设计

在本次设计中，我们主要用到的硬件包括三套ZigBee套件（ZigBee套件1、ZigBee套件2、ZigBee套件3）、振动传感器、三极管开关电路和蜂鸣器。

ZigBee套件包括功能底板和CC2530核心板。功能底板白带USB转串口功能（PL-2303），方便笔记本用户，同时具有Debug接口，兼容TI标准仿真T具。它还包括常用的串口引脚、SV/3.3V引脚、电源指示灯、组网指示灯和普通LED。CC2530核心板使用2.4G全向天线，可靠传输距离达250米，白动重连的距离高达110米。CC2530芯片是一个真正的用于IEEE802.15.4，ZigBee和RF4CE应用的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。CC2530集成了业界领先的RF收发器、增强工业标准的8051MCU，在系统可编程Flash存储器，8KBRAM和许多其它强大的功能。

振动传感器采用MEC原装振动开关SW-18015P，灵敏度高，对环境振动敏感，一般用来检测周围环境的振动强度；模块在无振动或者振动强度达不到设定阈值时，DO口输出高电平，当外界振动强度超过设定阈值时，模块DO输出低电平；小板数字量输出DO可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测环境的振动；小板数字量输出DO可以直接驱动继电器模块，由此可以组成一个振动开关。

首先我们需要将振动传感器连接到ZigBee套件1上，首先要在ZigBee套件1的P2.0，3.3V.GND三个串口上焊接上三个排针，然后将这三个串口用杜邦线分别连接到振动传感器的DO，VCC，GND三个引脚上。

接下来，只需要将ZigBee套件2通过USB线和电脑的COM5口连接起来即可。最后需要将ZigBee套件3通过USB线和电脑的COM4口连接起来，然后在PI.O口上焊接上排针，因为用的3.3V蜂鸣器是需要电流驱动的，而Pl.0口输出的只是高低电平（其中高电平为3.3V，低电平为0.3V），所以此处需要将Pl.0口连接一个三极管的开关电路，从而驱动蜂鸣器。因为单片机的10口驱动能力不够让蜂鸣器发出声音，所以我们通过三极管放大驱动电流，可以让蜂鸣器发出声音，你要是输出高电平，三极管导通，集电极电流通过蜂鸣器让蜂鸣器发m声音，当输出低电平时，三极管截止，没有电流流过蜂鸣器，所以就不会发出声音。

如上图所示，三极管开关电路的设计很简单，只需要一个三极管S9012（PNP）和一个1K的电阻。首先将电阻一端连接到三极管的基极，另一端与Pl.0口相连，然后分别将ZigBee套件3上P7模块的3.3V引脚连接到三极管的发射极，再将蜂鸣器的一端连接到三极管的集电极，另一端连接到ZigBee套件3上P7模块的GND引脚。

3系统的软件设计

3.1无线传输程序

无线传输程序是基于ZigBee协议栈的程序，我们需要将程序添加到协议栈中，并通过仿真器分别以终端和协调器的方式将程序下载到ZigBee套件1和ZigBee套件2中去。连接振动传感器的终端（ZigBee套件1）将检测到的信息通过无线传输的方式发送给协调器（ZigBee套件2），协调器通过串口方式与上位机（笔记本）连接，通过串口将信息发送给上位机。

（1）首先需要初始化P2.0引脚，设置为输入模式。

（2）利用周期性点播的定时器作为振动信息采集时间，将采集到的信息发送给协调器。协调器只做串口打印，0.5秒采集一次。

#defineSAMPLEAPP—SEND—PERIODIC—MSG—TIMEOUT500//Every0.5seconds

（3）终端每0.5秒执行点播函数一次，我们在点播函数里判断IO口。

（4）我们利用协调器接收函数将数据读出来然后判断。通过串口打印传感器信息m来。

Z-stack系统运行流程图如下：

3.2上位机程序

上位机程序是将协调器发送上来的信息显示在电脑屏幕上，并且发送命令给相关的器件做出相应的反应。

上位机程序需要用到MSComm控件，MSComm拄件是Microsoft公司提供的简化Windows下串行通信编程的ActiveX控件，它既可以用来提供简单的串行端口通信功能，也可以用来创建功能完备的、事件驱动的高级通信T具。

通常我们以下面的步骤来使用VC++.NET的MSComm控件进行通信控制：

（1）加入通信部件，也就是MSComm对象；

（2）设置通信端口号码，即CommPort属性；

（3）设置通信协议，即HandShaking属性；

（4）设置传输速度等参数，即Settings属性；

（5）设置其它参数，若必要时再加上其他的属性设置；

（6）打开通信端口，即PortOpen属性设成True；

（7）送出字符串或读人字符串，使用Input及Output属性；

（8）使用完MSComm通信对象后，将通信端口关闭。即PortOpen属性设成False。

3.3串口下传程序

串口下传程序为裸机程序，不需要使用协议栈。同样需要将裸机程序通过仿真器下载到ZigBee套件3。通过定义串口Pl.0和Pl.l来控制LED1（红）和LED2（绿）的亮与灭。当没有振动时，LEDl=1，LED2=0，即红灯灭，绿灯亮，显示没有险情；当有振动时，LEDl=0，LED2=1，即红灯亮，绿灯灭，显示有险情。

4报警系统功能演示

本系统完成了基于ZigBee的振动报警系统的总体框架设计和基本功能。

1.没有振动时：

（1）振动传感器只是电源灯（红灯）亮，开关灯（绿灯）不亮；

（2）上位机可视化界面显示NoVibration（无振动）；

（3）ZigBee套件3绿灯亮，蜂鸣器不响，表明无险情。

2.发生振动时：

（1）传感器的电源灯（红灯）亮，开关灯（绿灯）也亮；

（2）上位机可视化界面显示GotVibration（有振动）；

（3）ZigBee套件3的红灯亮，蜂鸣器发出响声，从而实现报警功能。

下图为发生振动时的实物图：

5结论

基于ZigBee的物联网系统，具有通信功能强、功耗低等优点，在物联网应用中，有效距离适中，具有良好的应用前景。文中将ZigBee技术应用于振动报警报警系统，采用无线组网技术，利用高性价比的CC2530芯片实现了无线系统中的节点之间的相互通信。使用IAR开发平台作为系统软件开发平台，分别完成数据采集节点和中心协调器节点的程序设计。

本系统完成了基于ZigBee的基于ZigBee的振动报警系统的总体框架设计和基本功能，还需进一步的完善和改进才能实现系统的实用性。相信通过改进后的系统应用在物联网中，不仅可以减少在监管方面的投入，还可以在最短的时间内报告险情，将损失降到最低。

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