基于GSM和Zigbee技术的无线安防系统设计

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。
    　　
    　　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。
    　　
    　　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。
      
    　　
    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。
      
    　　
    　　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：
      
    　　
    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。