基于GSM和Zigbee技術的無線安防系統設計

2011-09-21 來源:微波射頻網 我要評論(0) 字號:
引言

  目前,城市安防系統越來越受到人們的重視,客戶對安防系統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,該系統的特點在于利用GSM和Zigbee無線網絡優勢,實現了安防系統的無線網絡化,省去了繁瑣的布線過程,實現了安防信息的多點、遠距離傳輸,提高了安防系統的安全性、可靠性與隱蔽性。

1 系統方案

  該系統方案主要設計特點是將Zigbee無線傳感器網絡與GSM網絡相結合。使用無線網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。整個系統結構如圖1所示。

  無線安防系統結構

  系統把帶有Zigbee協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,作為無線傳感器網絡的一個節點。例如,當發生盜竊時,被動紅外傳感器檢測到盜賊進入監控區域,它觸發節點芯片的中斷,從而激活節點芯片,芯片會自動通過Zigbee無線收發模塊把打好的報警數據包發送出去。

  Zigbee協調器是Zigbee網絡與外部GSM網絡的接口,作為系統的核心負責整個網絡的管理以及數據的轉發,它通過收發模塊接收安防監控節點的數據,由嵌入式控制器對接收到的數據進行必要的處理,然后將其經過GSM網絡發送到保安中心,實現快速安全報警。

  整個系統主要可以分為Zigbee協調器和Zigbee無線傳感器節點兩部分。

  1.1 Zigbee協調器

  Zigbee協調器作為整個系統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。

  Zigbee協調器結構圖

  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。片內集成了544kB的Flash及96kB的SRAM,支持以太網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。系統用1片UART收發芯片TI公司的TL16C550將GSM模塊連接到ARMCPU的GPIO,實現GSM短消息報警發送。

  GSM通信模塊選用西門子公司的TC35i模塊,該模塊性能穩定,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收發器上,本設計選用TI公司的Zigbee射頻收發芯片CC2420,CC242o采用OQPSK調制方式,支持數據傳輸率高達250kbps,能夠實現點對多點的快速組網。另外,協調器還根據實際需要設計了RS232接口、鍵盤顯示和現場報警電路。

  1.2 Zigbee無線傳感器節點

  Zigbee無線傳感器節點由安防傳感器和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,還包含模擬數字轉換器(ADC)、定時器、AES128協同處理器、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。

 

  Zigbee無線傳感器節點結構圖

2 Zigbee技術介紹

  Zigbee是Zigbee聯盟的產物,這個由國際上100多家知名軟硬件公司組成的聯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絡標準。無線傳感器網絡(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點組成的嵌入式無線網絡,是當前眾多領域的研究和應用熱點。

3 系統軟件實現

  GSM通信模塊TC35i通過AT命令來進行控制,數據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)指令集是調制解調器通信接口的工業標準,現在市場上大多數手機均支持GSM7.05規定的AT指令集。該指令集是ETSI(歐洲通信技術委員會)發布的,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模塊發送AT指令,來方便地實現短信息SMS的發送、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手機不支持這種模式。而國內現在手機和GSM模塊都支持PDU模式,為滿足系統的通用性,本系統短消息采用PDUMode.那么什么是PDU模式昵?簡單地說是發送或接收手機SMS的一種方法。PDU串表面上是一串ASCII碼,由o~9、A~F這些數字和字母組成。它們是8位字節的十六進制數,或者是BCD碼十進制數。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:文件字節頭,發短信時設為11;

  MR:信息類型,通常取00;

  DA:目的地址;

  0A:發送方地址;

  PID:協議指示標志,通常取O0;

  DCS:數據編碼方案,O0為7bit編碼,F6為8bit編碼,O8為雙字節編碼;

  VP:有效期限;

  UDL:用戶數據長度,即實際短信內容長度;

  UD:用戶數據,即短信內容;

  SCTS:短消息中心時間戳。

 

  發送短信息的PDU格式

  3.3 發送和接收短消息

  要發送和接收短消息,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。本系統采用Unicode的編碼形式。Unicode是一種統一的字符編碼標準,采用雙字節對字符進行編碼[。這種Unicode的特點是所有的字符是以兩個字節表示,不僅中文使用兩個字節,而且英文也使用兩個字節表示。

  PDU模式下短消息收發的步驟為:用“AT+CMGF=0”設置為PDU模式;用“AT+CMGS=長度”,后面跟PDU包發送短消息;用“AT+CMGR=序號”來讀取接收到的短消息。

  例如,需要發送信息“家中被盜!”到手機13991885678,單片機首先通過串口向GSM模塊發送AT+CMGS=25,等待返回ASCII字符“>”,再輸出PDU數據串并以Ctrl+Z鍵結束。發送程序如下:

 

 

  其短信息數據的PDU編碼解析如表3所示:

 

  短信息數據的PDU編碼

4 結語

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

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主題閱讀: GSM  Zigbee  無線安防系統設計

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