基于GSM和Zigbee技術的無線安防系統(tǒng)設計

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

　　本文提出了一種基于GSM和Zigbee技術的無線安防系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點在于利用GSM和Zigbee無線網(wǎng)絡優(yōu)勢，實現(xiàn)了安防系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡化，省去了繁瑣的布線過程，實現(xiàn)了安防信息的多點、遠距離傳輸，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)方案主要設計特點是將Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡與GSM網(wǎng)絡相結合。使用無線網(wǎng)絡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。整個系統(tǒng)結構如圖1所示。

　　系統(tǒng)把帶有Zigbee協(xié)議的模塊嵌入到被動紅外、玻璃破碎、門磁、煙感及煤氣泄露等安防設備中，作為無線傳感器網(wǎng)絡的一個節(jié)點。例如，當發(fā)生盜竊時，被動紅外傳感器檢測到盜賊進入監(jiān)控區(qū)域，它觸發(fā)節(jié)點芯片的中斷，從而激活節(jié)點芯片，芯片會自動通過Zigbee無線收發(fā)模塊把打好的報警數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。

　　Zigbee協(xié)調(diào)器是Zigbee網(wǎng)絡與外部GSM網(wǎng)絡的接口，作為系統(tǒng)的核心負責整個網(wǎng)絡的管理以及數(shù)據(jù)的轉發(fā)，它通過收發(fā)模塊接收安防監(jiān)控節(jié)點的數(shù)據(jù)，由嵌入式控制器對接收到的數(shù)據(jù)進行必要的處理，然后將其經(jīng)過GSM網(wǎng)絡發(fā)送到保安中心，實現(xiàn)快速安全報警。

　　整個系統(tǒng)主要可以分為Zigbee協(xié)調(diào)器和Zigbee無線傳感器節(jié)點兩部分。

　　1.1 Zigbee協(xié)調(diào)器

　　Zigbee協(xié)調(diào)器作為整個系統(tǒng)的中心擔負了許多任務，因此對負責管理這個中心的控制器要求較高。

　　而傳統(tǒng)的單片機在某些方面已無法滿足要求，ARM由于其高性能、低功耗、低成本的特點正是替代傳統(tǒng)單片機的首選。本設計選用ARM9處理器STR912FW44X6芯片為核心，外圍擴展一系列功能模塊，整個硬件結構如圖2所示。

　　其中STR912FW44X6是主控芯片，它是由意法半導體公司推出的基于ARM966E_S內(nèi)核的高性能嵌入式芯片，運算速度達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GPIO、8通道1O位AI）C、3相電機控制器、看門狗定時器和9個可編程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，實現(xiàn)GSM短消息報警發(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，價格低廉，具備GSM無線通信的全部功能，支持TEXT和PDU模式的短消息編碼方式。在RF收發(fā)器上，本設計選用TI公司的Zigbee射頻收發(fā)芯片CC2420，CC242o采用OQPSK調(diào)制方式，支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250kbps，能夠?qū)崿F(xiàn)點對多點的快速組網(wǎng)。另外，協(xié)調(diào)器還根據(jù)實際需要設計了RS232接口、鍵盤顯示和現(xiàn)場報警電路。

　　1.2 Zigbee無線傳感器節(jié)點

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

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

2 Zigbee技術介紹

　　Zigbee是Zigbee聯(lián)盟的產(chǎn)物，這個由國際上100多家知名軟硬件公司組成的聯(lián)盟致力于制定一個短距離、低功耗、低速率、低成本的無線傳感器網(wǎng)絡標準。無線傳感器網(wǎng)絡（WirelessSensorNetwork，WSN）是指由大量成本相對低廉的，具有感知能力、計算能力、實時通信能力的傳感器節(jié)點組成的嵌入式無線網(wǎng)絡，是當前眾多領域的研究和應用熱點。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

　　GSM通信模塊TC35i通過AT命令來進行控制，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)軟件設計的關鍵，下面重點對兩者作詳細的介紹。

　　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)標準，現(xiàn)在市場上大多數(shù)手機均支持GSM7.05規(guī)定的AT指令集。該指令集是ETSI（歐洲通信技術委員會）發(fā)布的，其中包含了對SMS的控制說明。一般的GSM模塊都支持AT指令，因此計算機或單片機可以通過串口直接向GSM模塊發(fā)送AT指令，來方便地實現(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)手機不支持這種模式。而國內(nèi)現(xiàn)在手機和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？簡單地說是發(fā)送或接收手機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)的十六進制數(shù)，或者是BCD碼十進制數(shù)。PDU串不僅包含消息本身，還包含很多其他信息，如SMS服務中心號碼、目標號碼、回復號碼、編碼方式和服務時間等。發(fā)送和接收的PDU串結構是不完全相同的。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)短信時設為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)長度，即實際短信內(nèi)容長度；

　　UD：用戶數(shù)據(jù)，即短信內(nèi)容；

　　SCTS：短消息中心時間戳。

　　3.3 發(fā)送和接收短消息

　　要發(fā)送和接收短消息，利用GSM模塊和手機之間進行信息交換，首先就要對信息進行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)一的字符編碼標準，采用雙字節(jié)對字符進行編碼［。這種Unicode的特點是所有的字符是以兩個字節(jié)表示，不僅中文使用兩個字節(jié)，而且英文也使用兩個字節(jié)表示。

　　PDU模式下短消息收發(fā)的步驟為：用“AT+CMGF=0”設置為PDU模式；用“AT+CMGS=長度”，后面跟PDU包發(fā)送短消息；用“AT+CMGR=序號”來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13991885678，單片機首先通過串口向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 結語

　　本設計方案借助于GSM網(wǎng)絡的短消息業(yè)務和Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡技術，為安防系統(tǒng)的建設提供了一種靈活、方便的無線解決方案。該系統(tǒng)具有良好的可擴展性和實用價值，可以實現(xiàn)全方位的安全監(jiān)控與防護，而其最重要的一點在于，該系統(tǒng)能夠通過無線網(wǎng)絡可靠地與用戶通信，增強了系統(tǒng)的安全性、可靠性與隱蔽性。