劉傳振+程耕國(guó)

摘 要： 針對(duì)現(xiàn)有大型樓宇安全監(jiān)控功能單一、數(shù)據(jù)量大、監(jiān)控盲區(qū)多的問題，設(shè)計(jì)基于ZigBee的大型樓宇安全監(jiān)控系統(tǒng)，通過采用多個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)解決監(jiān)控難題。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用低功耗的CC2430微控制器，外接多個(gè)傳感器采集樓宇內(nèi)溫度、濕度、煙霧、紅外等數(shù)據(jù)。管理中心對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行可視化管理，若收到報(bào)警信息，管理員可查詢節(jié)點(diǎn)信息，確定節(jié)點(diǎn)位置后通知保安前去處理，同時(shí)以短信的方式通知住戶。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠可靠完成數(shù)據(jù)采集并完成本地報(bào)警功能，管理中心能夠查詢各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息。

關(guān)鍵詞： 樓宇安全監(jiān)測(cè)； ZigBee； 傳感器網(wǎng)絡(luò)； 樓宇管理； CC2430

中圖分類號(hào)： TN948.64?34； TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）04?0095?04

Large building security monitoring system based on ZigBee

LIU Chuanzhen， CHENG Gengguo

（School of Information Science and Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China）

Abstract： For the problems of single function， massive data quantity and numerous monitoring dead zone of the large building safety monitoring， the large?scale building security monitoring system based on ZigBee was designed， in which the sensor network structure with multiple coordinator nodes is used to solve the monitoring problem. The microcontroller CC2430 with low?power consumption is adopted by the ZigBee network node to collect the temperature， humidity， smog and infrared data in the building through multiple sensors. The management center can perform the visual management for each node. The administrator can query the node information while receiving the alarm information， and notice the security guard to deal with and the inhabitant with SMS after determining the node location. The experimental results show that the system can acquire the data reliably and implement the local alarm function， and the management center can query the information of each network node.

Keywords： building safety monitoring； ZigBee； sensor network； building management； CC2430

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市的小區(qū)越來越多，小區(qū)的樓宇也越來越趨向于大型化。樓宇的大型化一方面提高了土地的利用率，另一方面也會(huì)帶來很多安全隱患。近年來，很多小區(qū)發(fā)生了火災(zāi)、天然氣或者煤氣泄漏、盜竊的安全事故，由于大型樓宇樓層高，住戶也多，一旦發(fā)生安全事故，如果及時(shí)處理，就會(huì)造成大量財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。為了避免這類事故的發(fā)生，必須要有高效智能化的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)這些威脅提前報(bào)警，讓住戶能夠有足夠的時(shí)間轉(zhuǎn)移到安全的地方[1]。

目前，一些小區(qū)樓宇都安裝了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但是監(jiān)控功能單一，只能進(jìn)行本地報(bào)警，缺少遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而造成事故處理不及時(shí)，釀成悲劇。對(duì)于大型化樓宇，住戶很多，為了對(duì)每個(gè)住戶都安全監(jiān)測(cè)，需要很多監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)也要監(jiān)測(cè)多種數(shù)據(jù)，同時(shí)需要有效地進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，方便部署，節(jié)約成本，采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)比較適合。ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)可以容納很多的節(jié)點(diǎn)，這對(duì)于大型樓宇監(jiān)測(cè)中需要大量傳感器的要求很吻合。所以本文采用ZigBee和樹莓派來監(jiān)測(cè)大型樓宇，同時(shí)服務(wù)器Web端可以實(shí)時(shí)地查詢各節(jié)點(diǎn)信息，確定事故位置，然后作出及時(shí)有效的處理。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

大型樓宇的樓層一般都很高，每層的住戶也會(huì)很多，如果每戶都要安裝一個(gè)ZigBee監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，則需要安裝數(shù)量很龐大的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，而且每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)還要和多個(gè)傳感器連接。傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，一般只有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（sink）來處理所有終端節(jié)點(diǎn)的信息，這對(duì)于需要監(jiān)控節(jié)點(diǎn)比較少的中小型樓宇，還能滿足需要，但是對(duì)于大型的樓宇需要很多的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的情況，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很大，而協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理能力有限，這樣會(huì)增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，造成網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定，所以本文設(shè)計(jì)的大型樓宇系統(tǒng)中用到多個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，用來均衡數(shù)據(jù)流量。

傳感器網(wǎng)絡(luò)一般包含監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過各種傳感器，負(fù)責(zé)采集環(huán)境數(shù)據(jù)；路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)等功能。本文中ZigBee節(jié)點(diǎn)采用的是TI公司的CC2430芯片，在TI公司提供的ZigBee協(xié)議棧里面定義了NWK_MAX_DEVICS，NWK_MAX_

ROUTERS，NWK_MAX_DEPTH的值，NWK_MAX_DEVICS決定了路由或者協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以處理的子節(jié)點(diǎn)的最大個(gè)數(shù)，默認(rèn)值為20；NWK_MAX_ROUTERS決定了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以處理的具有路由功能的兒子節(jié)點(diǎn)的最大個(gè)數(shù)，默認(rèn)值為6；NWK_MAX_DEPTH決定了網(wǎng)絡(luò)的最大深度，默認(rèn)值為5。假設(shè)大型樓宇有n層，每層住戶m家，每戶需要安裝一個(gè)ZigBee監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的深度為3。如果每層需要p個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，k層為一個(gè)控制單位，需要一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，則p的值為m除以20，k的值為p除以6，系統(tǒng)的整體部署如圖1所示。

從圖1中看到，每層的m個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，p個(gè)路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，然后在每個(gè)k層的控制單位的中間層位置安裝帶GPRS模塊的匯聚節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸、網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)。管理中心一般相對(duì)于被監(jiān)測(cè)的樓宇較遠(yuǎn)，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，每個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)需要帶一個(gè)GPRS模塊和服務(wù)器之間進(jìn)行通信。管理中心用樹莓派作服務(wù)器，通過串行接口和一個(gè)帶GPRS模塊的協(xié)調(diào)器連接，這里的協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收樓宇內(nèi)采集的數(shù)據(jù)，同時(shí)當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，廣發(fā)短信通知住戶。

2 數(shù)據(jù)傳輸可靠性分析

為了測(cè)試大數(shù)據(jù)傳輸中的誤碼率，實(shí)驗(yàn)中讓PC端向一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送一串?dāng)?shù)據(jù)，為了體現(xiàn)大數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，使結(jié)果更加接近系統(tǒng)真實(shí)的誤碼率，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須足夠大，需要連續(xù)不斷地傳送0xFF字節(jié)。程序中通過設(shè)定不同的連續(xù)傳輸次數(shù)，每次傳輸256 B，在115 200 b/s的傳輸速率情況下，測(cè)得不同的誤碼率。實(shí)驗(yàn)條件有限，沒有考慮噪聲的影響，表1列出了測(cè)試結(jié)果。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，傳輸總的比特?cái)?shù)越大時(shí)，誤碼率也越高，所以大數(shù)據(jù)傳輸可靠性的研究很有必要。

目前ZigBee主要應(yīng)用在少量小數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)中，不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)阻塞和丟失的問題，可靠性很高。但大型樓宇的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，包含有數(shù)量龐大的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，而且每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和多個(gè)傳感器連接，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很大，對(duì)于這種長(zhǎng)時(shí)間、大數(shù)據(jù)量的無線通信，傳輸效率不高，可靠性也很低。本文通過設(shè)計(jì)合理的傳輸機(jī)制可以確保較大數(shù)據(jù)文件的可靠傳輸。

ZigBee協(xié)議應(yīng)用層中的ASP子層提供了可靠傳輸、碎片（當(dāng)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度大于網(wǎng)絡(luò)層幀時(shí)，可以分割數(shù)據(jù)包）流控制、阻塞控制等數(shù)據(jù)服務(wù)，但處理能力有限，當(dāng)大量數(shù)據(jù)涌入ZigBee時(shí)，ASP層的數(shù)據(jù)分割能力不能有效發(fā)揮出來，另外，數(shù)據(jù)傳輸過快，會(huì)出現(xiàn)阻塞的情況，從而造成數(shù)據(jù)丟失。

綜上所述，傳統(tǒng)的ZigBee協(xié)議提供的一些服務(wù)不能很好地解決大數(shù)量傳輸帶來的溢出、阻塞和傳輸失敗的問題。所以本文對(duì)ZigBee通信協(xié)議做了改進(jìn)，以確保大數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。包括兩個(gè)方面：首先，ZigBee將待發(fā)送的信息分割成較小的數(shù)據(jù)包，使數(shù)據(jù)包維持在合適的長(zhǎng)度；其次，為了保證每個(gè)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重傳請(qǐng)求ARQ協(xié)議和停止等待協(xié)議的無差錯(cuò)情況。ZigBee使用的是32.768 kHz的外部晶振，實(shí)驗(yàn)中開啟了MT_TASK，輪詢周期為6 ms，每秒傳輸11 B，則一個(gè)輪詢周期傳輸66 B。而緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)是64 B，所以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包要大于64 B且小于66 B，實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度取64 B。停止等待協(xié)議需要數(shù)據(jù)包和響應(yīng)包，當(dāng)發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)包后，暫停發(fā)送，等待確認(rèn)響應(yīng)包。兩個(gè)ZigBee之間發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，如果沒有收到數(shù)據(jù)包，就不會(huì)發(fā)送響應(yīng)包，沒有收到響應(yīng)包，就認(rèn)為數(shù)據(jù)丟失，需要重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。

3 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和控制中心兩部分，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成。其中監(jiān)控節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集。中繼節(jié)點(diǎn)是在監(jiān)控節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上增加一個(gè)CC2591射頻前端，來提高發(fā)送功率。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)不需要采集數(shù)據(jù)，需要增加一個(gè)GPRS模塊，負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程通信。

3.1 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)需要不間斷的采集環(huán)境數(shù)據(jù)，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采用 CC2430微處理器，需要外接多個(gè)傳感器和一個(gè)起報(bào)警作用的喇叭。結(jié)構(gòu)上非常簡(jiǎn)單，其中只有CC2430片上系統(tǒng)能耗較大，但正常工作時(shí)功耗也很低，所以系統(tǒng)具有低功耗特點(diǎn)，滿足應(yīng)用需求[2]。

數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集樓宇溫度、濕度、煙霧、紅外數(shù)據(jù)，需要用到數(shù)字溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、紅外探測(cè)傳感器[3]。火災(zāi)監(jiān)測(cè)采集的是溫度和煙霧濃度數(shù)據(jù)，采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器和MQ?2煙霧傳感器，天然氣檢測(cè)采集的是天然氣濃度數(shù)據(jù)，采用MQ?5傳感器，它的工作原理同MQ?2。防盜監(jiān)測(cè)采用紅外探測(cè)傳感器，看是否有陌生人員入侵。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

樓宇內(nèi)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器端的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)除了完成數(shù)據(jù)的接收外，當(dāng)收到報(bào)警信息時(shí)，需要廣發(fā)短信通知住戶。由于協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)控節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上增加了一個(gè)GPRS模塊，同時(shí)需要遠(yuǎn)距離傳輸，功耗較大，因而協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)最好能夠工作在外接電源的條件下，才能滿足系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作的需要。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖4所示，從圖4中可看到包括四個(gè)部分，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)管理屬于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)顯示屬于服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，中繼節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理。服務(wù)器軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

4.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)包括監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)主要是數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，首先進(jìn)行上電初始化，然后申請(qǐng)加入無線網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)后，開始采集環(huán)境數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)通過無線通信模塊的發(fā)送程序發(fā)送出去。中繼節(jié)點(diǎn)通過無線通信模塊的接收程序接收監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過CC2430微處理器處理后，再通過無線通信模塊的發(fā)送程序發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)都是周期性的工作，當(dāng)任務(wù)完成時(shí)，進(jìn)入休眠狀態(tài)[4?5]。節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖5所示。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)輸?shù)膫鬏?，另外服?wù)器端的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)還有接收控制中心的命令，廣播短息給住戶。上電后首先系統(tǒng)初始化，然后建立起網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立起來后，開始接收傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)，封裝之后通過串口發(fā)送給服務(wù)器。節(jié)點(diǎn)流程圖如圖6所示。

4.2 組網(wǎng)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中使用SSCOM 3.2串口調(diào)試工具接收協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，設(shè)置好串口的波特率和串口號(hào)，在軟件界面觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)調(diào)試結(jié)果見圖7，網(wǎng)絡(luò)組建起來后，IEEE地址為0x0100000000000000和0x0200000000000000

的節(jié)點(diǎn)成功加入到網(wǎng)絡(luò)，并成功接收了節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee的大型樓宇安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于采用無線網(wǎng)絡(luò)模式，部署簡(jiǎn)單，功耗低，實(shí)用性強(qiáng)。在實(shí)驗(yàn)過程中，改進(jìn)的協(xié)議實(shí)現(xiàn)了低誤碼率的大數(shù)據(jù)量傳輸，采用ZigBee星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離傳輸，在20 m距離內(nèi)能夠準(zhǔn)確無誤的傳輸，在實(shí)際生活中有很好的應(yīng)用價(jià)值[6]。

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