基于ZigBee的楼宇自动化安防系统设计

宋岐国，吕希胜，苗 淼

（1.红塔辽宁烟草有限责任公司，辽宁 沈阳 110001；2.中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 110016；3.东软集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110179）

0 引言

随着物联网时代的到来，智能楼宇的概念被更多的人熟悉，安防建设也变得越来越重要，人们迫切需要将安防系统纳入到智能建筑领域，提高现在楼宇的自动化水平，通过先进的网络控制技术实现更多要求、更高标准的应用。为了避免布线的复杂，容易出现死角，升级改造麻烦，以及需要采用交流电源等问题，本文提出了一种基于ZigBee技术的无线楼宇安防报警系统。

ZigBee是由ZigBee联盟基于802.15.4开发的一种低成本、低功耗、双向近距离无线数据通讯网络协议。ZigBee具有以下特点：自动组网，网络容量大；网络时延短；功耗低，通信速率低；传输距离可扩展；成本低；可靠性好，安全性高。ZigBee的出现，填补了近距离无线数据通信的低成本解决方案空白，具有广阔的应用前景。

1 系统设计方案

本文研究的智能楼宇安防系统是在原来楼宇安防系统的基础上，引入了ZigBee无线通信和GPRS无线通信技术，实现了智能楼宇安防的无线化，进一步提高了楼宇自动化的水平。本系统设计的智能楼宇安防系统以楼层为单位，在楼宇每层设置一个安防单元，每个安防单元主要包括以下几个模块：传感器检测模块、ZigBee无线通信模块、ARM控制单元模块、GPRS模块、报警模块，其基本工作原理框图如图1所示。

图1 系统基本工作原理图

在楼宇中的房间内安装具有相应功能的传感器，各个传感器检测模块通过ZigBee无线通信和控制中心的ARM控制器相连接。当传感器检测到非法进入、可燃气体、火灾等时，将信号通过ZigBee模块传输给ARM进行分析，根据分析判断出是哪种传感器发送的报警信号，并结合监控摄像头和传感器编号确定报警位置。同时，通过GPRS模块发送短消息通知安保人员，以便进行及时处理。本系统设计有设防键和撤防键，安保人员可以通过短消息来控制这两个按键的工作，随时实现对系统的设防和撤防，实现系统的远程操作性能，提高智能楼宇的自动化水平。

2 系统硬件电路设计

本系统的硬件电路框图如图2所示,主要由传感器检测模块、ZigBee模块、GPRS模块、中央控制器ARM模块、以太网模块、电源、功能按键、报警模块等组成。其中，传感器模块主要包括门磁、红外、烟雾、温度、可燃气体传感器；ZigBee无线模块的核心芯片为德州仪器的CC2530；GPRS模块为MC39i模块；以太网模块的核心是DM9000自适应以太网芯片。

图2 系统硬件电路框图

2.1 ZigBee无线通信模块

ZigBee无线网络的拓扑结构一般有：星形网络、网状网络和簇状网络三种。在实际智能楼宇设备的安装中，每层楼安装的检测传感器（网络终端设备）与中央控制器（网络协调器）之间的距离因楼层而不同。工作过程中，可能会因为距离原因而造成信号的减弱和传输错误。所以，需要增加路由设备，作为信号的中继中心，进而保证信号的传输质量和可靠性。本设计中ZigBee网络配置采用簇状网络拓扑结构，如图3所示。

设计中使用的ZigBee节点硬件电路以CC2530为核心芯片。CC2530适用于2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。CC2530具有领先的RF收发器的优良性能，标准的增强型8051CPU，结合TI Z-STACK协议栈，可以组建具有较高性能的无线通信网络。

图3 簇状网络拓扑结构

2.2 中央控制器

在整个系统工作中，中央控制器的主要作用有以下三点：第一，接收各传感器检测模块的报警信号，并做出相应的报警处理；第二，实现接收和传输数据，包括以太网通信和GPRS通信等数据；第三，能够控制电源模块、键盘与显示模块等。由于在实际电路搭建复杂且需要用到较多的I/O口，所以本设计选用S3C2410处理器。

S3C2410处理器拥有以下资源：独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器NAND闪存控制器，3路UART，4路DMA，4路带PWM的Timer，117个通用I/O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，2个USB主机，1个USB设备，SD主机和MMC接口，2路SPI。所以能够满足本设计中央控制器的需求。

2.3 GPRS模块

本设计选用GPRS模块 MC39i，它是新一代GSM/GPRS双模模块，具有体积小、易于集成、功耗低等特点。

MC39i接收速率可达86.20kbps，发送速率可达21.5kbps。包含有40个引脚主要用来和核心版进行连接，对数据进行传输。工作频率为GSM900和GSM1800双频，并支持GPRS里的四种编码方式：CS-1、CS-2、CS-3、CS-4。中央控制器通过标准串口接口RS232和MC39i模块通信，使用AT指令直接对其进行控制，通过GSM网络短信和安保人员保持实时通信。

2.4 以太网模块

系统采用DM9000自适应以太网芯片与以太网进行连接。该芯片是一款完全集成的、低成本的单一快速以太网控制芯片，有一个10/100M自适应的PHY和4K DWORD值的SRAM。同时支持8位，16位和32位接口访问内部存储器，以支持不同的处理器。DM9000具有自动协调功能，可以自动完成配置，以最大限度地适合其线路带宽。在实际的硬件电路中，需要完成DM9000与S3C2410控制器的地址总线、数据总线、控制总线的连接，以及DM9000与以太网水晶接头的连接。

3 系统软件设计

为了实现设计系统的各项功能，需要对各个模块编写相应的驱动和应用程序。系统主程序流程如图4所示。

4 结果与分析

本系统旨在提高智能楼宇的安防水平，进而提高楼宇自动化的整体水平。为了测试系统的可实施性，选择实验楼四楼为测试地点。实验开始前，将系统状态设置为设防状态。实验过程中，人为的给予各传感器检测模块一定的触发值。实时环境温度为23℃，微风。系统的测试结果如表1所示。

表1 系统测试结果

由上表记录结果可以看出，通过各个传感器模块，可以实时准确的检测到非法进入、有无火灾发生以及有无可燃气体存在，并且该系统能够准确及时的发出报警信息，具有很好的可靠性和稳定性。将本系统应用于智能楼宇中无疑将提高楼宇的自动化水平。

5 结束语

楼宇安防系统是楼宇自动化系统的组成部分，在现代智能楼宇的建设中占据重要地位。传统的安防系统存在布线复杂、费用高、维护难等缺点。随着网络通信技术、传感器技术和信息处理技术的发展，无线传感器网络得到了广泛的应用。本文设计的智能楼宇安防系统，利用ARM处理器和嵌入式操作系统作为主控，通过ZigBee无线通信模块实现和传感器检测模块的通信，解决了布线带来的一系列问题。同时，采用GPRS通信技术保证了系统报警的实时性，以及远程控制的及时性。经过实际测试表明，该系统具有一定的可靠性和稳定性，具备了在实际环境中应用的可实施性。安防系统是智能楼宇建设中不可或缺的部分，该系统的设计在一定程度上提高了楼宇自动化的水平。

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[11]MC39I GSM_GPRS模块硬件手册[OL].http://www.siemens.com/.