基于GSM和Zigbee技術(shù)的無(wú)線安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　目前，城市安防系統(tǒng)越來(lái)越受到人們的重視，客戶對(duì)安防系統(tǒng)的功能和性能方面的要求也越來(lái)越高。

　　本文提出了一種基于GSM和Zigbee技術(shù)的無(wú)線安防系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于利用GSM和Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了安防系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化，省去了繁瑣的布線過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了安防信息的多點(diǎn)、遠(yuǎn)距離傳輸，提高了安防系統(tǒng)的安全性、可靠性與隱蔽性。

1 系統(tǒng)方案

　　該系統(tǒng)方案主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)是將Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GSM網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不僅省去布線的麻煩，增加了安防傳感器布局的靈活性，而且可以防止通信電纜被破壞，提高了安全性。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　系統(tǒng)把帶有Zigbee協(xié)議的模塊嵌入到被動(dòng)紅外、玻璃破碎、門磁、煙感及煤氣泄露等安防設(shè)備中，作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。例如，當(dāng)發(fā)生盜竊時(shí)，被動(dòng)紅外傳感器檢測(cè)到盜賊進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域，它觸發(fā)節(jié)點(diǎn)芯片的中斷，從而激活節(jié)點(diǎn)芯片，芯片會(huì)自動(dòng)通過(guò)Zigbee無(wú)線收發(fā)模塊把打好的報(bào)警數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。

　　Zigbee協(xié)調(diào)器是Zigbee網(wǎng)絡(luò)與外部GSM網(wǎng)絡(luò)的接口，作為系統(tǒng)的核心負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理以及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，它通過(guò)收發(fā)模塊接收安防監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，由嵌入式控制器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，然后將其經(jīng)過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到保安中心，實(shí)現(xiàn)快速安全報(bào)警。

　　整個(gè)系統(tǒng)主要可以分為Zigbee協(xié)調(diào)器和Zigbee無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)兩部分。

　　1.1 Zigbee協(xié)調(diào)器

　　Zigbee協(xié)調(diào)器作為整個(gè)系統(tǒng)的中心擔(dān)負(fù)了許多任務(wù)，因此對(duì)負(fù)責(zé)管理這個(gè)中心的控制器要求較高。

　　而傳統(tǒng)的單片機(jī)在某些方面已無(wú)法滿足要求，ARM由于其高性能、低功耗、低成本的特點(diǎn)正是替代傳統(tǒng)單片機(jī)的首選。本設(shè)計(jì)選用ARM9處理器STR912FW44X6芯片為核心，外圍擴(kuò)展一系列功能模塊，整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　其中STR912FW44X6是主控芯片，它是由意法半導(dǎo)體公司推出的基于ARM966E_S內(nèi)核的高性能嵌入式芯片，運(yùn)算速度達(dá)96MIPS，支持單周期DSP指令。片內(nèi)集成了544kB的Flash及96kB的SRAM，支持以太網(wǎng)、USB、UART、12C和CAN通信，有80個(gè)GPIO、8通道1O位AI）C、3相電機(jī)控制器、看門狗定時(shí)器和9個(gè)可編程DMA通道。系統(tǒng)用1片UART收發(fā)芯片TI公司的TL16C550將GSM模塊連接到ARMCPU的GPIO，實(shí)現(xiàn)GSM短消息報(bào)警發(fā)送。

　　GSM通信模塊選用西門子公司的TC35i模塊，該模塊性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉，具備GSM無(wú)線通信的全部功能，支持TEXT和PDU模式的短消息編碼方式。在RF收發(fā)器上，本設(shè)計(jì)選用TI公司的Zigbee射頻收發(fā)芯片CC2420，CC242o采用OQPSK調(diào)制方式，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。另外，協(xié)調(diào)器還根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)了RS232接口、鍵盤顯示和現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警電路。

　　1.2 Zigbee無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)

　　Zigbee無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由安防傳感器和Zigbee終端設(shè)備組成，如圖3所示。Zigbee終端設(shè)備選用TI公司的Zigbee射頻收發(fā)芯片CC2430，CC2430具有很高的性價(jià)比，在單個(gè)芯片上整合了Zigbee射頻（RF）、內(nèi)存和微控制器。

　　它使用1個(gè)8位MCU（8051），具有128kB可編程閃存和8kB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、定時(shí)器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路和21個(gè)可編程I／O引腳。

2 Zigbee技術(shù)介紹

　　Zigbee是Zigbee聯(lián)盟的產(chǎn)物，這個(gè)由國(guó)際上100多家知名軟硬件公司組成的聯(lián)盟致力于制定一個(gè)短距離、低功耗、低速率、低成本的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，WSN）是指由大量成本相對(duì)低廉的，具有感知能力、計(jì)算能力、實(shí)時(shí)通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的嵌入式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，是當(dāng)前眾多領(lǐng)域的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

　　GSM通信模塊TC35i通過(guò)AT命令來(lái)進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)傳輸采用短消息方式。AT指令和短消息的編碼、解碼方式是本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，下面重點(diǎn)對(duì)兩者作詳細(xì)的介紹。

　　3.1 AT指令介紹

　　AT（Attention）指令集是調(diào)制解調(diào)器通信接口的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在市場(chǎng)上大多數(shù)手機(jī)均支持GSM7.05規(guī)定的AT指令集。該指令集是ETSI（歐洲通信技術(shù)委員會(huì)）發(fā)布的，其中包含了對(duì)SMS的控制說(shuō)明。一般的GSM模塊都支持AT指令，因此計(jì)算機(jī)或單片機(jī)可以通過(guò)串口直接向GSM模塊發(fā)送AT指令，來(lái)方便地實(shí)現(xiàn)短信息SMS的發(fā)送、接收和管理。

　　3.2 短消息的編碼方式

　　對(duì)短消息的控制共有3種模式：BlockMode；PDUMode；TextMode.目前，PDUMode已取代BlockMode，TextMode不支持中文并且大多數(shù)手機(jī)不支持這種模式。而國(guó)內(nèi)現(xiàn)在手機(jī)和GSM模塊都支持PDU模式，為滿足系統(tǒng)的通用性，本系統(tǒng)短消息采用PDUMode.那么什么是PDU模式昵？簡(jiǎn)單地說(shuō)是發(fā)送或接收手機(jī)SMS的一種方法。PDU串表面上是一串ASCII碼，由o～9、A～F這些數(shù)字和字母組成。它們是8位字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)，或者是BCD碼十進(jìn)制數(shù)。PDU串不僅包含消息本身，還包含很多其他信息，如SMS服務(wù)中心號(hào)碼、目標(biāo)號(hào)碼、回復(fù)號(hào)碼、編碼方式和服務(wù)時(shí)間等。發(fā)送和接收的PDU串結(jié)構(gòu)是不完全相同的。下面介紹短消息的PDU編碼格式（表1，表2）。

　　SCA：短信中心的地址，例如西安為+8613800290500；

　　FO：文件字節(jié)頭，發(fā)短信時(shí)設(shè)為11；

　　MR：信息類型，通常取00；

　　DA：目的地址；

　　0A：發(fā)送方地址；

　　PID：協(xié)議指示標(biāo)志，通常取O0；

　　DCS：數(shù)據(jù)編碼方案，O0為7bit編碼，F(xiàn)6為8bit編碼，O8為雙字節(jié)編碼；

　　VP：有效期限；

　　UDL：用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，即實(shí)際短信內(nèi)容長(zhǎng)度；

　　UD：用戶數(shù)據(jù)，即短信內(nèi)容；

　　SCTS：短消息中心時(shí)間戳。

　　3.3 發(fā)送和接收短消息

　　要發(fā)送和接收短消息，利用GSM模塊和手機(jī)之間進(jìn)行信息交換，首先就要對(duì)信息進(jìn)行PDU格式的編碼和解碼。本系統(tǒng)采用Unicode的編碼形式。Unicode是一種統(tǒng)一的字符編碼標(biāo)準(zhǔn)，采用雙字節(jié)對(duì)字符進(jìn)行編碼［。這種Unicode的特點(diǎn)是所有的字符是以兩個(gè)字節(jié)表示，不僅中文使用兩個(gè)字節(jié)，而且英文也使用兩個(gè)字節(jié)表示。

　　PDU模式下短消息收發(fā)的步驟為：用“AT+CMGF=0”設(shè)置為PDU模式；用“AT+CMGS=長(zhǎng)度”，后面跟PDU包發(fā)送短消息；用“AT+CMGR=序號(hào)”來(lái)讀取接收到的短消息。

　　例如，需要發(fā)送信息“家中被盜！”到手機(jī)13991885678，單片機(jī)首先通過(guò)串口向GSM模塊發(fā)送AT+CMGS=25，等待返回ASCII字符“>”，再輸出PDU數(shù)據(jù)串并以Ctrl+Z鍵結(jié)束。發(fā)送程序如下：

　　其短信息數(shù)據(jù)的PDU編碼解析如表3所示：

4 結(jié)語(yǔ)

　　本設(shè)計(jì)方案借助于GSM網(wǎng)絡(luò)的短消息業(yè)務(wù)和Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為安防系統(tǒng)的建設(shè)提供了一種靈活、方便的無(wú)線解決方案。該系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性和實(shí)用價(jià)值，可以實(shí)現(xiàn)全方位的安全監(jiān)控與防護(hù)，而其最重要的一點(diǎn)在于，該系統(tǒng)能夠通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可靠地與用戶通信，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性、可靠性與隱蔽性。