基于ZigBee的楼宇自动化安防系统设计.pdf

第2 6 卷第1 期 2 0 1 3 年1 月 机电产品开发与纠新 D e v e I o p m e n t I 聃o v a t io n0 fM 舵h in e r y E l e ct r ica lP r o d u ct B V 0 1 2 6 N O 1 J a n 2 0 13 文章编号 1 0 0 2 6 6 7 3 2 0 1 3 O l 1 4 2 0 3 基于Z ig B e e 的楼宇自动化安防系统设计 宋岐国1 吕希胜2 苗淼3 1 红塔辽宁烟草有限责任公司 辽宁沈阳1 1 0 0 0 1 2 中国科学院沈阳自动化研究所 辽宁沈阳1 1 0 0 1 6 3 东软集团股份有限公司 辽宁沈阳1 1 0 1 7 9 摘要 随着物联网技术的发展 网络化 智能化已经成为楼宇安防系统的必然要求 论文设计了一种基 于Z ig B e e 和嵌入式技术的楼宇安防系统 对设计的软硬件方法加以阐述 实验结果表明 该系统 具有运行稳定 实时性强 可靠性高等优点 在实际应用中 能够有效提高楼宇的自动化水平 关键词 楼宇自动化 传感器 Z i班e e G P R S 中图分类号 7 I 下 2 3文献标识码 Ad o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 2 6 6 7 3 2 0 1 3 0 1 0 5 5 T h eD e s i驴o fB l l il m n gA u t 锄a t io nS a f b 锣S y s t e mB a 跎do nZ ig B T e ch n o l o 盱 s o N GQ t G 对 L vX i s h e n 矿 M I A oM 甜 1 H o r l g bL ia o 血l gT o b a ccoI n d u s 仃yL ir n it e dL ia b il ic rC o n p a n y S h e n y a n gL ia o n in g1 1 0 0 0 1 ch 协a 2 S h e n y m gI m d t I l t eo f A u 七o m a t io n C h in e s eA ca d e m yo fS cie n ce s S h e n y a n gL ia o 血g1 1 0 0 1 6 C a 3 N e u s 砥C o r p o r a d o n S h e n y a n gL ia o t l iil g 11 0 1 7 9 C h il l a A b 舡翟ct r id lt l l ea P p h ca d o no fd l eI n t e m e to fd l il l 昏 i1 1 t e m g cn ta n dw ir cl c器b e co m ead e f m n diI lil l t e m g e n tb u il d iI l gs a f b g I l a r ds y s t e m T l l iSp a p e rp 帕南撇r dab l l il d iI l gs e cu r it y 哪t e mb 豁e do n 6 汛Ma 1 1 dz i庐e et e cl l 工1 0 l o g y a I l ditm 1 1 s 吼cSd l eh d w a r e 扭ds o 钿a r ed cs 咖 r n e d l o d S T h et e S tr e S l d ts h o w e dt I l a td l es s t e mm n ss ca b l y h a v es 仃0 n gt e a l 一曲1 ea n diSo fl l i咖r e l ia b il 时 I n 出cp r a cd ca l 叩p h ca d o n itca I l ir n p r o v en l ea u t o 蚴d c l e v e lo fiI l t e l l ig e n tb u 丑d m 昏 K e yw o r 凼 b 1 1 il d il l ga u t o m a t io n 湖 l s o r Z i妒e e G P R s 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Z ig B e e 技术的无线楼宇安防报警系统 Z ig B e e 是由Z i异B e e 联盟基于8 0 2 1 5 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 Z ig B e e 具有以下特点 自动组网 网络容量大 网络时 修稿日期 2 0 1 2 1 1 2 6 基金项目 辽宁省科技攻关项目 2 0 1 1 2 1 6 0 0 8 吉林省科技发 展计划项目 2 0 1 1 5 0 1 4 作者简介 宋岐国 1 9 7 3 一 男 工程师 大学本科 研究 方向 生产运作与管理 智能系统设计 吕希胜 1 9 8 2 一 男 副研究员 博士 研究方向 智能设备系统设计与应用 1 4 2 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 Z ig B e e 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Z ig B e e 无线通信和G P R S 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 图l 系统基本工作原理图 测试与控制 元主要包括以下几个模块 传感器检测模块 Z ig B e e 无 线通信模块 A R M 控制单元模块 G P R S 模块 报警模 块 其基本工作原理框图如图1 所示 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Z ig B e e 无线通信和控制中心的 A R M 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Z ig B e e 模块传输给A R M 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G P R S 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 Z ig B e e 模块 G P R S 模块 中央控制器A R M 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 Z ig B e e 无线模块的核心芯片为德 州仪器的C C 2 5 3 0 G P R S 模块为M C 3 9 i模块 以太网模 块的核心是D M 9 0 0 0 自适应以太网芯片 鑫 鑫 2 2 0 t J 6 i j 图3 簇状网络拓扑结构 中央控制器 臼 艿 冈络路由器 同络终端设备 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G P R S 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 需要用到较多的的口 所以本设计选用S 3 C 2 4 1 0 处理器 S 3 C 2 4 1 0 处理器拥有以下资源 独立的1 6 K B 指令 C a ch e 和1 6 K B 数据C a ch e M M U 支持n 叮的L C D 控 制器N A N D 闪存控制器 3 路U A R T 4 路D M A 4 路 带P W M 的T im e r 1 1 7 个通用I o 口 R 1 r c 8 路1 0 位 A D C T o u chS cr e e n 接口 C B U S 接口 I I S B U S 接 口 2 个U S B 主机 1 个U s B 设备 S D 主机和M M C 接 l 门蠢传感嚣b 爿 模块 n学 红外传感嚣 信 按 路 技 崔 烟雾传感嚣 0 息 8 由 处 收 设 收 理 发 鲁 发 l 沮度传感嚣b 模 模 块 块 l 气体传感嚣b 爿 圈2 系统硬件电路框图 2 1Z ig B e e 无线通信模块 Z ig B e e 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Z 逗B e e 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Z ig B e e 节点硬件电路以C C 2 5 3 0 为核 心芯片 C C 2 5 3 0 适用于2 4 G H zI E E E8 0 2 1 5 4 Z ig B e e 和R F 4 C E 应用的一个真正的片上系统 s o C 解决方案 C C 2 5 3 0 具有领先的R F 收发器的优良性能 标准的增强 型8 0 5 1 C P U 结合 1 1Z s r A C K 协议栈 可以组建具有 较高性能的无线通信网络 口 2 路S P I 所以能够满足本设计中央控制器的 需求 2 3G P R S 模块 本设计选用G P R s 模块M C 3 9 i 它是新一代 G S M G P R S 双模模块 具有体积小 易于集成 功 耗低等特点 M C 3 9 i接收速率可达8 6 2 0 l b p s 发送速率可 达2 1 5 k b p s 包含有4 0 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G S M 9 0 0 和G S M l 8 0 0 双频 并支持G P R S 里的四种编码方式 C S 一1 C S 一2 C S 一3 C S 4 中央控制器通过标准串口 接口R S 2 3 2 和M C 3 9 i模块通信 使用A T 指令直接对其 进行控制 通过G S M 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D M 9 0 0 0 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1 0 1 0 0 M 自适应的P H Y 和4 K D W O R D 值的S R A M 同时支持8 位 1 6 位和3 2 位接口 访问内部存储器 以支持不同的处理器 D M 9 0 0 0 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D M 9 0 0 0 与S 3 C 2 4 1 0 控制器的地址总线 数据总线 控制总线的 1 4 3 测试与控制 连接 以及D M 9 0 0 0 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 苎里夕 匝匿妇 臣匝圈 壶妇 r 蒌1 二二 一 刭厂丽西蠢蟊网 I 爿断来自 个节点l 厂百莉壶町 匪盎口臣翅逮 r 二 1 由 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2 3 微风 系统的 测试结果如表1 所示 表1 系统测试结果 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A R M 处理器和嵌入式操作系统作为主控 通过 z ig B e e 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G P R S 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 参考文献 1 王再英 韩养社 高虎贤 楼宇自动化系统原理与应用 M 北京 电 子工业出版社 2 0 0 8 2 高守玮 吴灿阳 等 Z ig B e e 技术实践教程 M 北京 北京航空航天 大学出版社 2 0 0 9 3 潘云宽 基丁 z ig B e e 的无线传感器网络环境监测系统研究 D 南 京 南京理工大学 2 0 l O 4 A R MC o r p A R M 9 2 0 T A p p l ica t io nG u il d e L A R Min t e g 阴t eC ir cu 传感器传感器报警门测试给节点与控制是否经过报警报警响 传感器类型 型号作用限值予值器距离路由器方式应时间 防止非声光报警 门磁传感器M C 一3 l1 6 m2 0 m m2 0 m否1 5 2 5 s 法进入图像抓拍 防止非波长声光报警 红外传感器R D 一6 2 2约1 0 u m2 0 m否2 p 3 s 法进入1 I l m图像抓拍 0 6 5 一 烟雾传感器 M Q 2 防火1 0 F r5 0 m是声光报警2 毒 3 s 1 5 5 F r 温度传感器 D S l 8 8 2 0 防火 5 0 7 0 5 0 m 是声光报警 2 s 3 s 可燃气体传检测可短信息报 感器 Q M N 55 0 P P m1 0 0 p p m 5 0 m 是 1 0 s 燃气体警 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 D e s i印C o r p 2 0 0 1 5 杨德芳 A R M 9 的G P R S 模块无线数 据传输系统 J 嵌入式系统编程 2 0 0 8 6 黄文龙 徐道连 等 基于Z ig B e e 和 A R M 的嵌入式智能家庭安防系统设