基于ZigBee通信网络的无线安防系统设计

摘要 基于传统安防系统在终端采集相应信息、以有线通信方式上传至监控中心模式易导致如布线繁琐、无法实现终端设备全覆盖及无法进行信息共享等局限性。文中设计 了一种基于ZigBee通信网络的无线安防平台。该平台通过ZigBee在监控区域内搭建一个性能稳定的通信网络，使各子系统能够在该网络环境下采集相应 的数据信息，并通过ZigBee无线通信网络上传至监控中心，在实现信息共享的同时达到智能化和高效能的目的。

关键词 无线安防系统;ZigBee技术;CC2530;MSP430

随着科技的进步，人们对安防系统提出了新的要求，如智能化、高性价比和信息可共享等。目前使用的安防系统通常表现为针对性强的特点，但这一现状导致 系统之间无法进行信息共享，不能达到效能最大化。基于这种现状，文中提出在监控区域内建立一个基于ZigBee功能强大的无线通信网络系统。该系统集成了 多种安防手段，从而实现了系统之间信息共享，满足人们对安防系统的特定要求。

1 ZigBee技术概述

有线网络在通信过程中的局限性催生了无线网络通信系统建立的思想。经过几十年的发展，无线网络通信技术已相对完善。无线网络主要分为WWAN(无线广域网)、WLAN(无线局域网)和WPAN(无线个域网)。ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的，其具有低功耗、低成本和近距离等优点，主要适用于智能家居系统、工业控制、医疗场所及农业自动化等涉及自动控制和远程控制领域，属于低速无线个人区域网络(Low-Rate Wireless Perosonal Area Network，LR—WPAN)。

2 系统整体设计方案

本文所研究和设计的无线安防系统，集合多种先进的无线技术，不仅包括ZigBee无线技术，还涉及GPS定位技术和ANT无线技术等，使之形成一个无线网络系统平台。本文以实现该系统中3个子系统的功能为例，即实现人员定位、物品管理、车辆跟踪3个目标。

如图1所示，该系统主要包括终端信息采集、数据处理模块、无线通信模块和用户终端等。终端设备采集的信息，通过无线通信模块，即ZigBee无线通 信网络，上传至数据处理模块;数据处理模块对来自ZigBee无线网络的数据进行分析处理后存入数据库;用户终端可登录位置服务器请求感兴趣的数据，数据 处理模块提供查询软件显示用户终端请求的数据。操作人员根据监控软件显示数据对各终端进行监测，并处理突发情况。

2.1 系统硬件设计

通过对上述系统组成框架的研究与分析，文中设计了该系统的底层硬件平台。由上述分析可知，终端设备负责将采集到的相关信息上传至ZigBee通信网 络中最近的路由节点，该节点负责把数据经过通信网络发送给ZigBee协调器，协调器再将这些数据上传至数据处理模块。因此，ZigBee无线网络的高性 能组网与通信是本系统设计的关键，考虑到系统各部分基本都用到了ZigBee通信部分，所以将ZigBee通信部分模块化，有利于简化子系统平台的搭建流 程。如图2所示为ZigBee通信模块的原理框图。

由图2可知，ZigBee通信模块主要包括6个子模块。微处理器采用16位高性能单片机，考虑到通信模块必须安装ZigBee协议栈，微处理器应自 带一定容量的可编程Flash存储器，在系统设计过程中，选用TI公司的MSP430F2112作为核心MCU，其他模块均为常见器件。ZigBee通信 模块主要包括ZigBee路由节点和ZigBee协调器两部分。目前，主流的无线通信网络解决方案通常有RF+MCU和单芯片集成SOC两种方式。 RF+MCU 模式主要包括CC2420和MSP430，其是由TI公司推出的首款满足2.4 GHz ZigBee产品使用要求的射频IC，主要用于开发低功耗无线网络，如智能家居系统、楼宇自动化系统、工业监控系统和无线传感网络等;而MC1319x和 GT60组合是由Freescale公司推出的一款工作于2.4 GHz频段包含IEEE802.15.4协议的无线组网模块，其优点是短距离、低功耗;单片集成的SOC方案主要包括TI的CC2530和 Freesclae的MC1321x两种。采用TI的单芯片集成SOC解决方案，以芯片CC2530作为本系统ZigBee通信模块的主芯片。 CC2530采用标准8051处理器，经过特别设计的处理器内核不仅具有低功耗、高速度、低噪声的优良性能，且不会因8051内核的高速运行对高频通讯产 生影响。同时，其还可以直接移植TI公司的Z—Stack协议栈，为用户节省成本并缩短开发周期;最为关键之处在于CC2530还可通过外挂一个功率放大 芯片CC2591加大数据的传输强度和距离，这对于一些障碍物多、通信环境复杂的场合较为适用。

2.2 软件设计

系统中所有数据的传输均是通过ZigBee通信网络实现的，因此组建一个性能稳定可靠的ZigBee通信网络是系统设计的重要工作。考虑到部分软件 设计的复杂性，故选取CC2530的ZigBee方案。CC2530的制造厂商TI公司提供了完备的ZigBee协议栈Z—STACK，该协议栈可认为是 一个软件包，集合了ZigBee组网的路由算法、数据转发模式及核心芯片各引脚的功能包，且是一个开放版本，开发者可根据实际需求来修改对应的功能包。这 样做不仅可节省开发者的时间、减少开发难度及强度，且还具有高效的ZigBee自组网能力，实现路由选择和数据转发自动完成，使得高质量的 ZigBee通信得到保证。ZigBee网状网络的组建是由一个ZigBee协调器来完成的，因此组网的第一步就是ZigBee协调器的确立。由于任何一 个全功能节点均可担当协调器的角色，因此在各节点上电后，其会根据路由算法确定自身的协调器，而协调器通过搜索筛选确定一个网络ID，然后再利用这一网络 ID建立网络，但这种自动组网的方式有较大的随机性，尤其是协调器的选择会有不确定性。在实际应用中，协调器可能还会具有一些特殊的功能，例如在本设计 中，协调器除了负责建立网络外，还负责将所有数据搜集并将数据打包通过网口传送给数据处理模块;此外，位置服务器下达的一些指令也是通过位置协调器下发给 各功能节点，所以协调器的硬件设计会有区别于其他的路由节点。因此在本设计中，人为指定协调器，并给其分配一个网络ID，该协调器就以此网络ID组建一个 ZigBee网状网络，组建过程如图4所示。

3 系统测试

根据上述无线安防系统的组织架构、技术实现手段以及底层电路与软件的设计。文中从应用层的角度，结合无线安防系统的实例，主要从物品管理方面测试本系统的应用价值。

物品管理主要是针对一些贵重或危险物品的管理。系统会自动给这些物品划定一个安全区域，在未经申请的情况下，这些物品不能随便离开这一区域，否则系 统就会接到报警。在测试过程中，当物品被移动时，震动传感器会给出启动信号，通过ZigBee网络与数据处理模块进行通信，同时与设定的安全位移进行比 对，若移动的位置在安全位移之内，则不发出报警信号，该比对过程将持续进行;当检测到物品移动的距离超出预先设置的安全位移时，便通过无线网络传输报警信 号到数据处理中心，监控人员会根据用户终端管理系统显示的相关报警信息进行应急处理与操作。

图5为用户终端在物品管理子系统界面下模拟某个贵重物品被非法移动时的报警信息。点击“物品管理”按钮便进入子系统界面。

4 结束语

通过对当前安防领域现状分析，本文确定了将无线通信技术应用于安防领域的方案。无线通信技术的应用，可以使传统安防系统的工程布线大幅度减少，降低 了施工成本;同时，无线安防系统可提高系统的智能化和数字化，提升工作效率及安防性能，并减少安防死角，从而做到真正的安全防护。由于安防系统的服务对象 通常是一个特定的集体，可根据集体成员自身的分布特点，打造属于特定对象的安防系统，这将有利于无线安防系统的进一步发展。