关键词：无线传感器网络，ADXL202，ZigBee
Design of wireless Home Safety System based on ZigBee Technology
ZHANG Jia-huan
Shanghai Normal University 200234
ABSTRACT: This paper designes a Wireless sensor system to monitor home safety using the acceleration in vibration measurement doors and Windows.It analysisthe overall demand for system, designes the system's overall framework, according to the actual situation of the hardware and software development completed environment selection, complete the sensor node and aggregate node of the realization of hardware and software.
KEY WORDS： Wireless sensor networks，ZigBee，ADXL202
1.引言
一般的非法入侵都是通过门窗进入，通常是撞击或者利用杠杆原理撬开门锁。在这类过程中，门窗发生振动和移位。振动和门窗的移位会产生加速度，因此通过测量门窗的加速度可以监控家居环境的安全，防止非法入侵。另一个方面，由于一个家居环境的门窗个数通常在五个以上，传统的有线方式布线不仅需要大量线材造成资源浪费，还会在施工过程中造成布线错综复杂，产生对其他家用电器的电磁干扰，也会导致在今后的维修过程中一旦出现线路故障需要开凿墙面，破坏装修等问题。因此使用无线传感器网络，不仅减少了线材的使用，简易了安装程序还避免了日后在线路方面的维修难度。
综上所述，研究一种通过检测门窗加速度并使用无线网络技术的家居安防系统，将非常适合当今社会的家居安防需求。而该家居安防系统中，传感器模块和无线网络模块的设计成为了本文的核心。
2.系统的整体设计
目前主流家居环境中使用的窗户通常是推拉窗，在开启和关闭的过程中，窗户发生横向移动（Y轴方向），如图1所示。非法入侵的方式一般是砸开玻璃或者撬开卡索后横向移动窗户。在击打玻璃的情况下，X方向会由于振动产生加速度，在横向移动窗户的过程中Y轴方向产生加速度，而在Z方向上窗户不能发生位移。因此，只需要测量X轴和Y轴方向的加速度便可以监控窗户所有可能发生的动作。本设计选取了双轴加速度测量传感器ADXL202。将ADXL202芯片的Ax和Ay方向对应于图1，可以满足本设计的要求。
图1 推拉式窗户示意图
因为无线网络的突出优势，本设计使用无线网络代替传统的有线布线方式。一般住宅环境从几十平米到几百平米不等，所以本设计中无线网络只需要满足短距离和低功耗传输，并且由于只需要传输少量的数据，所以传输速率不需要太快。因此，选择一种合适的短距离无线通信技术需要在保证功能正常和完整的情况下，还应考虑技术难度和成本等因素。ZigBee技术填补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空白，其使用的便捷性是该技术成功的关键
本文所涉及的大部分工作都是针对安防监控系统中的核心设备——ZigBee无线传感器节点和ZigBee无线汇聚节点。
图2为系统的框图。其中，传感器节点主要由CC2430和ADXL202组成，汇聚节点主要由CC2430、声光报警设备和GPRS模块NW18组成。系统上电后，各网络节点根据ZigBee协议组建星型网络。网络组建完成后，传感器节点中的CC2430开始通过内置的8051系列单片机利用自身定时/计数器TMER2的输入捕捉功能检测ADXL202所输出的PMW波信号，得到其占空比，当连续检测到2次超过报警阈值的信号后，发送代表本节点的代码给汇聚节点。汇聚节点接受到报警信号后，对报警信号进行分析，排除室内振动，对需要报警的信号，开启声光报警装置并通过GPRS模块发送该汇聚节点的编号通知远程管理节点管理节点收到编号后，存储报警消息并显示用户住址、报警时间、是否处理等状态，提供人机界面。
图2基于ZigBee技术的无线家居安防系统原理框图
3.传感器节点设计
3.1传感器整体电路设计
传感器节点的主要功能有：测量门窗X轴和Y轴的加速度；对超过报警阈值的信号发送本节点的编号给控制节点；检测节点供电电池电压，低电压时告警。
传感器节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块构成。处理器模块和无线通信模块采用CC2430芯片，大大简化了射频电路的设计。传感器模块采用ADXL202。电源模块采用3V电池。传感器节点的硬件原理框图如图3。
图3 传感器节点原理图
由于CC2430定时器/计数器中只有TIMER1具有捕捉功能，所以ADXL202的信号输出端X-out和Y-out须通过1个时分电路与CC2430的计数器相连，使得CC2430能够实现对X-out和Y-out的轮询。因为传感器输出的待测PMW波的周期长度在1MS左右，而一次振动发生的时间在0.1S以上，所以虽然在微观上测的不是同一个时间点的波形，而是相邻两个开关周期的波形，但是在宏观上完全可以表示在一次振动发生过程中， X轴和Y轴两个方面上的加速的值。
由于上述电路中所有信号都为数字量，所以本设计选择数字电路实现上述功能，具体实现过程为：将X-out和Y-out分别接入两个与门，开关控制信号分两路，其中一路接非门后分别与两个与门连接，最后将两路信号相加并输出，
图4 传感器模块原理图
3.2传感器模块软件设计
传感器软件模块的设计分为占空比测量模块和电源电压采集模块。占空比测量模块用以测量ADXL202上X-out和Y-out输出PMW波的占空比。电源测量模块监控电源电压，当电压低于2.9V时ADXL202将不能正常工作，系统需作出报警提示，提醒用户更换电池。这里只对占空比测量模块进行设计。
CC2430的TIMER1是一个16位的定时/计数器，具有上升/下降沿捕捉功能。利用捕捉功能实现PMW波占空比的测量。具体步骤是：首先将TIMER1配置成CAPTURE功能，然后TIME2在上升沿时开始计数，下降沿时停止计数，将定时器寄存器中的值T1记录下来，然后从新开始计数到上升沿时停止计数，记录寄存器中的值T2，最后占空比=T1/（T1+T2）。
本文中经过多次测量后，设定基于ZigBee的分布式多点振动检测和报警系统的报警阈值为占空比改变超过3%。对连续2次超过报警阈值的信号，通过ZigBee网络发送本节点的编号至汇聚节点。占空比测量的软件流程图如图5下：
图5 占空比测量流程图
4.汇聚节点的设计
在基于振动检测的无线家居安防系统里存在两种不同类型的设备：一种是汇聚节点；一种是简化功能设备，即传感器节点。汇聚节点同时和多个传感器节点通信，而一个传感器节点，它只能和一个汇聚节点进行通信。
ZigBee协调器，也就是本设计中的汇聚节点，是网络的发起者，负责ZigBee网络的初始化，确定整个网络的个域网标识符和网络工作的物理信道，并给其他节点分配网络短地址。ZigBee协调器是全功能设备，基于振动测量的无线家居安防系统中只有一个协调器。
ZigBee终端设备，即传感器节点，它只能与汇聚节点通信，从汇聚节点处获得网络标识符、短地址等相关信息。
本设计中，由于网络节点相对较少，网络环境比较简单，因此选用星型网络结构。在星型网络结构中，ZigBee协调器负责整个网络的控制， ZigBee终端设备直接与ZigBee协调器通信。
基于ZIGBEE技术的智能家居安防系统的网络拓扑结构如图6：
图6基于ZIGBEE技术的智能家居安防系统的网络拓扑结构
汇聚节点由CC2430和GPRS模块NW18组成，两者之间使用串口通信。另外，CC2430的I/O口控制报警装置。硬件原理如图7。
图7控制节点原理图
由于星型网络拓扑比较简单，可直接将应用程序建立在MAC层上，而TIMAC.2.0.1只涉及到硬件抽象层、MAC层、操作系统抽象层，内容相对较少，协议相对简化，虽然有部分ZigBee的功能不被支持，但能够满足相对简单的应用开发要求，而且能大大提高开发效率，故基于基于振动测量的无线家居安防系统使用的是TIMAC.2.0.1协议栈。
传感器节点进行加速度测量，对测量结果进行分析，当检测到满足报警阈值的信号就发送代表本节点的信息给控制节点。TIMAC协议栈提供了通信相关的底层函数，就可以直接调用。汇聚节点对数据的接受：MAC层执行结果的回馈是通过向上层发送消息来实现的，应用程序为此构造有一个存储消息的数据结构，并链接成单链表，通过函数byte*osal_rnsg_receive(byte task_id)来获取发给任务编号为task_id的消息，应用层对这个消息作处理，可从中提取出通信信息或通信数据。
5.结束语
针对目前家居安防的实际需要，本文设计了基于ZigBee的分布式多点振动检测和报警系统。本文设计的基于ZigBee的分布式多点振动检测和报警系统，基本达到了功能设计目标，并具有低成本、安装简便等特点，具有一定的实用价值。
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