基于GSM和Zigbee技术的无线安防系统设计

2011-09-15 17:01:54来源: EEWORLD
引言

  目前,城市安防系统越来越受到人们的重视,客户对安防系统的功能和性能方面的要求也越来越高。

  本文提出了一种基于GSM和Zigbee技术的无线安防系统,该系统的特点在于利用GSM和Zigbee无线网络优势,实现了安防系统的无线网络化,省去了繁琐的布线过程,实现了安防信息的多点、远距离传输,提高了安防系统的安全性、可靠性与隐蔽性。

1 系统方案

  该系统方案主要设计特点是将Zigbee无线传感器网络与GSM网络相结合。使用无线网络不仅省去布线的麻烦,增加了安防传感器布局的灵活性,而且可以防止通信电缆被破坏,提高了安全性。整个系统结构如图1所示。

 

  无线安防系统结构

  系统把带有Zigbee协议的模块嵌入到被动红外、玻璃破碎、门磁、烟感及煤气泄露等安防设备中,作为无线传感器网络的一个节点。例如,当发生盗窃时,被动红外传感器检测到盗贼进入监控区域,它触发节点芯片的中断,从而激活节点芯片,芯片会自动通过Zigbee无线收发模块把打好的报警数据包发送出去。

  Zigbee协调器是Zigbee网络与外部GSM网络的接口,作为系统的核心负责整个网络的管理以及数据的转发,它通过收发模块接收安防监控节点的数据,由嵌入式控制器对接收到的数据进行必要的处理,然后将其经过GSM网络发送到保安中心,实现快速安全报警。

  整个系统主要可以分为Zigbee协调器和Zigbee无线传感器节点两部分。

  1.1 Zigbee协调器

  Zigbee协调器作为整个系统的中心担负了许多任务,因此对负责管理这个中心的控制器要求较高。

  而传统的单片机在某些方面已无法满足要求,ARM由于其高性能、低功耗、低成本的特点正是替代传统单片机的首选。本设计选用ARM9处理器STR912FW44X6芯片为核心,外围扩展一系列功能模块,整个硬件结构如图2所示。

 

  Zigbee协调器结构图 

  其中STR912FW44X6是主控芯片,它是由意法半导体公司推出的基于ARM966E_S内核的高性能嵌入式芯片,运算速度达96MIPS,支持单周期DSP指令。片内集成了544kB的Flash及96kB的SRAM,支持以太网USB、UART、12C和CAN通信,有80个GPIO、8通道1O位AI)C、3相电机控制器、看门狗定时器和9个可编程DMA通道。系统用1片UART收发芯片TI公司的TL16C550将GSM模块连接到ARMCPU的GPIO,实现GSM短消息报警发送。

  GSM通信模块选用西门子公司的TC35i模块,该模块性能稳定,价格低廉,具备GSM无线通信的全部功能,支持TEXT和PDU模式的短消息编码方式。在RF收发器上,本设计选用TI公司的Zigbee射频收发芯片CC2420,CC242o采用OQPSK调制方式,支持数据传输率高达250kbps,能够实现点对多点的快速组网。另外,协调器还根据实际需要设计了RS232接口、键盘显示和现场报警电路。

  1.2 Zigbee无线传感器节点

  Zigbee无线传感器节点由安防传感器和Zigbee终端设备组成,如图3所示。Zigbee终端设备选用TI公司的Zigbee射频收发芯片CC2430,CC2430具有很高的性价比,在单个芯片上整合了Zigbee射频(RF)、内存和微控制器

  它使用1个8位MCU(8051),具有128kB可编程闪存和8kB的RAM,还包含模拟数字转换器(ADC)、定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路和21个可编程I/O引脚。

 

  Zigbee无线传感器节点结构图

2 Zigbee技术介绍

  Zigbee是Zigbee联盟的产物,这个由国际上100多家知名软硬件公司组成的联盟致力于制定一个短距离、低功耗、低速率、低成本的无线传感器网络标准。无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)是指由大量成本相对低廉的,具有感知能力、计算能力、实时通信能力的传感器节点组成的嵌入式无线网络,是当前众多领域的研究和应用热点。

3 系统软件实现

  GSM通信模块TC35i通过AT命令来进行控制,数据传输采用短消息方式。AT指令和短消息的编码、解码方式是本系统软件设计的关键,下面重点对两者作详细的介绍。

  3.1 AT指令介绍

  AT(Attention)指令集是调制解调器通信接口的工业标准,现在市场上大多数手机均支持GSM7.05规定的AT指令集。该指令集是ETSI(欧洲通信技术委员会)发布的,其中包含了对SMS的控制说明。一般的GSM模块都支持AT指令,因此计算机或单片机可以通过串口直接向GSM模块发送AT指令,来方便地实现短信息SMS的发送、接收和管理。

  3.2 短消息的编码方式

  对短消息的控制共有3种模式:BlockMode;PDUMode;TextMode.目前,PDUMode已取代BlockMode,TextMode不支持中文并且大多数手机不支持这种模式。而国内现在手机和GSM模块都支持PDU模式,为满足系统的通用性,本系统短消息采用PDUMode.那么什么是PDU模式昵?简单地说是发送或接收手机SMS的一种方法。PDU串表面上是一串ASCII码,由o~9、A~F这些数字和字母组成。它们是8位字节的十六进制数,或者是BCD码十进制数。PDU串不仅包含消息本身,还包含很多其他信息,如SMS服务中心号码、目标号码、回复号码、编码方式和服务时间等。发送和接收的PDU串结构是不完全相同的。下面介绍短消息的PDU编码格式(表1,表2)。

  SCA:短信中心的地址,例如西安为+8613800290500;

  FO:文件字节头,发短信时设为11;

  MR:信息类型,通常取00;

  DA:目的地址;

  0A:发送方地址;

  PID:协议指示标志,通常取O0;

  DCS:数据编码方案,O0为7bit编码,F6为8bit编码,O8为双字节编码;

  VP:有效期限;

  UDL:用户数据长度,即实际短信内容长度;

  UD:用户数据,即短信内容;

  SCTS:短消息中心时间戳。

 

  发送短信息的PDU格式

  3.3 发送和接收短消息

  要发送和接收短消息,利用GSM模块和手机之间进行信息交换,首先就要对信息进行PDU格式的编码和解码。本系统采用Unicode的编码形式。Unicode是一种统一的字符编码标准,采用双字节对字符进行编码[。这种Unicode的特点是所有的字符是以两个字节表示,不仅中文使用两个字节,而且英文也使用两个字节表示。

  PDU模式下短消息收发的步骤为:用“AT+CMGF=0”设置为PDU模式;用“AT+CMGS=长度”,后面跟PDU包发送短消息;用“AT+CMGR=序号”来读取接收到的短消息。

  例如,需要发送信息“家中被盗!”到手机13991885678,单片机首先通过串口向GSM模块发送AT+CMGS=25,等待返回ASCII字符“>”,再输出PDU数据串并以Ctrl+Z键结束。发送程序如下:

 

 

  其短信息数据的PDU编码解析如表3所示:

 

  短信息数据的PDU编码

4 结语

  本设计方案借助于GSM网络的短消息业务和Zigbee无线传感器网络技术,为安防系统的建设提供了一种灵活、方便的无线解决方案。该系统具有良好的可扩展性和实用价值,可以实现全方位的安全监控与防护,而其最重要的一点在于,该系统能够通过无线网络可靠地与用户通信,增强了系统的安全性、可靠性与隐蔽性。

关键字:安防

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2011/0915/article_4037.html
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