物联网智能家居防盗安防系统设计

陈晖

摘要：现代智能家居体现了对住宅的新要求，其研究得到了广泛关注。本文从智能家居安防系统具有所需通信距离短、节点连接简单和传输数据量少的特点，分析了ZigBee协议的扩展特性和拓扑结构，并依据星型拓扑结构和网状拓扑结构，最后设计了基于星型的双向网络拓扑结构。智能家居安防系统设计选用CC2530芯片系统设计，详细的分析了外围电路的工作原理，并对CC2530与PC机的连接做了详细的描述。

Abstract： The modern smart home reflects the new requirements of the housing， and its research has been widely concerned. This paper from its characteristics of short communication distance， simple connections between joints and less data transmission， analyzes the extended characteristics and topological structure of ZigBee protocol， and based on the star topology structure and network topology， designs two-way network topology based on the star. Smart home security system design uses CC2530 chip system design. This paper analyzes the working principle of the peripheral circuit in some detail， and describes the connection of CC2530 and PC in detail.

关键词：智能家居；ZigBee；安防系统；网络

Key words： smart home；ZigBee；security system；network

中图分类号：TP302.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）08-0067-03

0 引言

当前智能家居安防系统的网络传输方式以无线网络传输为主，其传输模式存在功耗大、设备使用寿命低、电磁辐射、同频率干扰等问题。为了提高安防产品的安全性和可靠性，达到系统集成化和网络化的要求，本文选择ZigBee技术为支撑，对智能家居安防系统的总体架构进行了设计。结合智能家居安防需求，使用ZigBee网络的拓扑结构特征，建立了基于星形网络拓扑特点的智能家居新型拓扑安全网络。

1 基于ZigBee无线通信技术智能家居安防系统的组网方法

1.1 无线通信方式的选择

ZigBee无线通信技术采用的是类似于无线基站的通信模块设置，所以任何两个节点在网络平台中都可以相互之间进行通信。所以通信距离不受限制，可无限扩展节点。每个节点不仅能传输数据，还可以采集数据。

1.2 ZigBee网络的拓扑结构与选择应用

1.2.1 ZigBee网络的拓扑结构，一般分为三种

①星型拓扑结构。

星型拓扑结构包括：一个ZigBee协调器和多个终端设备。

星型拓扑结构由于所有设备传输信息都需要由协调器来完成，所以拓扑结构很容易建立。同时，缺点也很明显，由于所有节点都需要通过协调器与其他节点进行通信，导致协调器节点数据包过长，容易形成信息拥塞，造成网络不稳定。一個ZigBee协调器在使用时，所有节点都要与它保持相同的距离，这就限制了在网络上的节点数量。

②树型拓扑结构。

树型拓扑结构包括：一个ZigBee协调器、几个ZigBee路由器和许多终端节点。该网络的主要特点是与星型拓扑结构相比，有多个ZigBee路由器同时担当数据的接受和发送功能。树型拓扑结构由于加入ZigBee路由器，使得网络通信范围可以扩大，最终信息数据由ZigBee路由器传输到ZigBee协调器。

③网状拓扑结构。

网状拓扑结构包括：一个ZigBee协调器、几个ZigBee路由器和许多终端节点。虽然其拓扑结构和树形拓扑结构相似，但在网络节点的路径上与树形拓扑结构信息的传输有所不同，其除协调器节点以外任意两节点之间都可以进行信息传输，信息传输过程是不固定的路径，比其他拓扑结构更稳定，这使得其通信规则更加灵活，通信效率也更高。但是，构建网络拓扑结构的复杂程度也是极高的。

1.2.2 拓扑结构选择

综合以上分析，结合三种网络结构的特点，构建一种新型的网络构架，它是基于星形结构的主体，把原有终端节点替换成路由器节点，组成一个接收发射组的装置，其特点是内部的路由器节点之间可以进行信息通信，从而防止协调器的信息拥塞。而对于分布在家庭各个角落的终端节点来说，其终端节点之间虽不能相互通信，但可以通过接收发射组来传递之间的信息，避免了因单一路由节点的故障，所造成的区域内的终端节点不能使用的问题。最后因其构建过程对于普通家庭来说比较简单，容易操作，故选用这种新型的拓扑结构。如图1所示。

1.3 ZigBee协议的配置

1.3.1 ZigBee配置文件

ZigBee配置文件用于协调路由器和终端节点之间协议信息的处理。让应用程序通过命令创建可交互操作的分布式应用程序。所有的节点如果使用相同的标准配置文件，则它们都可以进行交互性操作。配置文件是由ZigBee联盟批准通过并提供标识符给用户的，之后，用户可以自行定义内容：

①类别ID标识。

每一个可以直接通信状态的值或属性的物理量，都对应唯一的一个ID值，而多个设备的ID值可以组成一个组标识，例如，上述所说的接收发射装置组。组标识用来记录输出与输入设备的相关数据，每个组都有自己独特的组标识用以区分其他组别，在配置文件中，输出组与输入组标识应相互匹配，实现绑定功能。

②设备描述与服务类型。

设备描述用来说明是输出或输入组的功能。服务类型一般可分为MSG服务和KVP服务。MSG服务主要适用于传输数据流或大数据量文件，KVP服务一般用于小型变量值的传输。

1.3.2 ZigBee协议绑定

ZigBee绑定是一个非常重要的概念，两个节点之间采用无线通信，那么就需要创建一个由绑定所建立的逻辑链接。因为节点发送的数据包可以包括多种类型，那么就必须将多种服务类型绑定在这个节点上，从而根据选择不同的服务类型，对不同的数据包进行有针对的发送。

在创建绑定服务过程中，目标设备应首先进入一个固定的允许绑定的状态，然后通过d_AllowBindResponse（）函数响应绑定请求，之后再通过d_BindDeviceRequest（）函数来指定绑定地址，完成与目标节点的绑定。通常绑定表的格式为：

（as，es，cs）={（ad1|，ed1|），（ad2|，ed2|），（and|，endn|）}

as——源设备地址；

es——源设备标识符；

cs——连接的串标识符；

ad——目的设备地址；

ed——目的设备标识符。

1.4 ZigBee网络构建

1.4.1 ZigBee网络协调器的构建

在智能家居安防系统中，ZigBee协调器的功能是比较复杂的，首先，它负责创建一个网络平台中心；同时，新的网络设备也需要ZigBee协调器的允许才能加入；最后，ZigBee协调器还要负责网络数据的更新。其创建方法如下：

第一步，ZigBee协调器创建一个初始化网络后， ZigBee协调器应用层通过发送NLME-NETWORK-FORMATION. Request来触发网络层进行网络建立。

第二步，网络层通过发送MLME-SCAN. Request给MAC层使其进行能量扫描和主动扫描，确认找到一个能满足要求的信道时，MAC层会发送MLME-SCAN. confirm返回网络层使其创建一个新的网络标识。如果该标识与现有的网络标识相同，则会重新发送MLME-SET. request到MAC层修改网络标识，再通过MLME-SET. confirm返回网络层确认实现。

第三步，在确认网络标识后，网络层通过发送NLME-START. request 给MAC层确认是否启动协调器，经MAC层回复NLME-START. confirm到网络层后，网络层最终发送NLME-METWORK-FORMATION. confirm回应用层，应用层确认网络建立完成。见图2。

1.4.2 终端设备的网络构建

在ZigBee协调器成功地创建网络之后，其终端设备需要连接到网络。终端设备加入网络，一般经过两个步骤：第一步是网络终端设备向ZigBee协调器请求加入网络或ZigBee协调器主动扫描添加到网络的终端设备的要求。第二步，ZigBee协调器来决定是否允许一个终端设备加入到网络，如果允许入网，发送答应请求信号，如果不允许入网，发送拒绝请求信号。

1.4.3 ZigBee网络地址的分配

ZigBee使用的地址分为两种，一是MAC地址，一个是网络地址。前者为64位，为生产设备固定地址，后者为16位，地址是由网络分布的唯一入网地址。ZigBee协调器在进行地址分配时，其配置工作需要一些重要的公式。例如，用下列公式计算地址的次数。

Cskip（d）=1+Cm（Lm-d-1） Rm=1■ 其他

Cskip（d）用于表示该节点深度為d时的地址数目

Cm用于表示最大深度网络；

Lm用于表示最大节点访问数量；

Rm用于表示最大路由节点访问数量。

2 基于CC2530芯片的智能家居安防系统的硬件设计

硬件设计是搭建智能家居安防系统的基础，其主要目的是构建一个可行的、高效的无线互联传感器网络，包括协调器设计和终端传感器节点设计。PC机作为上位机起着家居网络的网关的作用，通过RS-232串口与单片机之间进行通信。

2.1 基于CC2530芯片的节点设计

CC2530芯片是标准8051CPU芯片，有着低成本和优良的网络性能，其射频收发信号性能优良，与ZigBee进行组网是理想的网络解决方案。

2.2 ZigBee节点的硬件设计

在房间里ZigBee节点的分布起着监测现场，负责数据的采集和处理等功能，处理器负责协调整个网络节点和数据处理，每个传感器将负责数据的采集和数据转换，ZigBee射频模块负责的无线通信，RS-232接口负责与PC机通信。

2.3 协调器的硬件设计

CC2530和PC机连接：ZigBee协调器通过串口与PC机相连，负责传感器网络搭建、网络融合的建立，管理每个节点的数据。ZigBee协调器当使用串口进行数据交换时，需要和PC机进行电平转换，使用的是RS232收发器芯片，当发送数据时，通过RS232收发器芯片把PC串口电平转换为标准的TTL电平，然后通过CC2530进行发送，在接收数据时，CC2530在接收到数据信号之后，将TTL电平通过RS232转换为串口电平，然后发送给PC机。

总之，随着嵌入式系统的飞速发展，小型化和智能化的家居网关是一种趋势，未来的系统功能将会更加完善。

参考文献：

[1]周涛.基于无线传感器网络的智能家居安防系统[D].太原：太原理工大学，2011.

[2]李明，王餐，石磊.一种ZigBee无线传感器网络节点的设汁[J].自动化技术与应用，2008（1）：91-94.

[3]张文海.基于物联网的智能家居安防系统设计[D].西安电子科技大学，2015.