GPRS和ZigBee在智能家居安防中的應用

??????? 引言

　　ZigBee技術的應用方向定位于家庭自動化、樓宇自動化、傳感器應用等。該系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡通信模塊采用CC2430，它是一顆真正的系統(tǒng)芯片（SoC）COMS解決方案，這種方案能夠提高性能并滿足ZigBee為基礎的2.4GHzISM波段應用對低成本和低功耗的要求。也包含一個DSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)核心和一個工業(yè)級小巧高效的8051控制器。無線數(shù)傳模塊采用DL6200模塊，用戶只需要擁有以前所熟悉的串口通信知識就可通過GPRS網(wǎng)絡進行通信。

　　1 ZigBee的技術優(yōu)勢

　　ZigBee的技術優(yōu)勢表現(xiàn)為以下幾個方面：

　?。?）省電。由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低，并且采用了休眠模式，因此ZigBee技術可以確保2節(jié)五號電池支持長達6個月到2年左右的使用時間。不同的應用對應的功耗自然是不同的。

　?。?）可靠。ZigBee技術采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。

　?。?）成本低。模塊價格低廉，且ZigBee協(xié)議是免專利費的。

　?。?）時延短。針對時延敏感的應用作了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型值是15ms，活動設備信道接入時延為15ms。

　　（5）節(jié)點通信設置易于配置。

　?。?）網(wǎng)絡容量大。ZigBee可以采用星形、網(wǎng)狀、樹狀結構組網(wǎng)，而且可以通過任一節(jié)點連接組成更大的網(wǎng)絡結構。從理論上講，其可連接的節(jié)點多達64000個。1個ZigBee網(wǎng)絡最多可以容納254個從設備和1個主設備，1個區(qū)域內可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡。

　　（7）安全。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，同時各個應用可以靈活地確定其安全屬性。

　　（8）全球通用性和完好的開放性。ZigBee標準協(xié)議，使ZigBee設備間的通信成為輕而易舉的事情。

　　2 CC2430的技術特點

　　CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、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(shù)字轉換（ADC）、幾個定時器（Timer）、AES-128協(xié)同處理器、看門狗定時器（Watchdogtimer）、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路（PowerOnReset）、掉電檢測電路（BrownOutDetection），以及21個可編程I/O引腳。CC2430芯片采用0.18μmCMOS工藝；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA和25mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。

　　3 GPRS數(shù)傳模塊DL6200

　　DL6200模塊的核心硬件是使用世界知名移動通信產(chǎn)品廠商生產(chǎn)的GPRS芯片而設計生產(chǎn)的，具有很高的可靠性。使用DL6200時，只需要熟悉串口通信知識就可通過GPRS網(wǎng)絡進行通信。不必關心模塊的射頻電路部分（使用移動運營商的公網(wǎng)）及相關硬件連接；不必關心AT指令集，所有與AT響應有關的操作都由DL6200模塊在模塊的內部完成；不必關心TCP/IP協(xié)議及互連網(wǎng)絡的相關知識：由于GPRS模塊是基于互連網(wǎng)絡的通信方式，在使用中就要與INTERNET網(wǎng)絡打交道，所有與網(wǎng)絡的信息交換都由DL6200模塊在內部自動完成，無需用戶參與；不必用戶單獨擁有一個固定的IP地址；具有格式及透明傳輸兩種傳輸格式；具有一般工作模式和省電工作模式；與各種組態(tài)軟件直接連接無需專用的驅動程序；支持總線式的被動傳輸數(shù)據(jù)方式。

　　4 系統(tǒng)結構和工作原理

　　4.1 系統(tǒng)的結構和功能

　　系統(tǒng)由外網(wǎng)和內網(wǎng)兩部分組成。外網(wǎng)是由GPRS數(shù)傳模塊和PC組成，兩者之間可通過TTLRS232RS485傳輸信息，該系統(tǒng)采用上位機電平接口為TTL，如圖1所示。GPRS數(shù)傳模塊的組網(wǎng)如圖2所示。

　　內網(wǎng)由PC機和ZigBee無線數(shù)據(jù)通信模塊組成，它們之間通過串口連接。ZigBee網(wǎng)絡由協(xié)調器、路由器和終端設備三部分組成。協(xié)調器和路由器稱為全功能設備FFD，終端設備稱為精簡功能設備RFD。由于該系統(tǒng)設備比較簡單，采用星型組網(wǎng)方式，將窗磁、門磁等看作終端設備，ZigBee無線模塊為協(xié)調器，該系統(tǒng)結構簡單，所以不需要路由器。如圖3所示。

　　該系統(tǒng)的控制流程如下：

　?。?）用戶通過外網(wǎng)GSM手機發(fā)送短信命令給GPRS數(shù)傳模塊DL6200，DL6200收到命令后，解釋該命令。解釋完后發(fā)給內網(wǎng)中ZigBee無線通信模塊CC2430,由該模塊把命令發(fā)給相應的終端設備，終端設備收到命令后作出相應的的動作。

　?。?）終端設備收到命令后，一是作出相應的動作后向上層作出應答，二是把上層需要的數(shù)據(jù)通過CC2430模塊傳送給上層設備。上層設備收到終端設備的信息，通過DL6200以短信的形式發(fā)送到用戶手機上。

　?。?）當有中斷響應時，如家中有小偷，觸發(fā)了報警設備，該終端設備將第一時間向用戶發(fā)送信息，以示報警。

　　4.2 系統(tǒng)的硬件設計

　　DL6200不需要關心AT指令集。不需要關心TCP/IP協(xié)議及互連網(wǎng)絡的相關知識，所有與網(wǎng)絡的信息交換都由DL6200模塊自動完成。與各種組態(tài)軟件直接連接，無需專用的驅動程序。DL6200的這些特點使得硬件設計很容易，它的RXD、TDX必須與ZigBee的RX、TX相連進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。整個系統(tǒng)的結構框圖如圖4所示。

　　4.3 系統(tǒng)的軟件設計

　　該系統(tǒng)軟件主要通過ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議操作完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)收發(fā)，包括初始化、發(fā)射和接收程序設計，以及對報警信號的監(jiān)控、對遠程控制指令的處理和執(zhí)行等。

　　系統(tǒng)的收發(fā)采用PingPang發(fā)送函數(shù)，程序如下：

　　系統(tǒng)的報警流程圖如圖5所示。

　　5 結語

　　ZigBee無線模塊具有低功耗、低成本的優(yōu)勢，在滿足人們需求的傳輸速率的情況下，將會在不久的將來普及到各家各戶中。此外，使用無線網(wǎng)絡省去了重新裝修的負擔，采用ZigBee無線網(wǎng)絡隨時可以添加或減少它的節(jié)點，它對網(wǎng)絡有自組能力。所以，商品的經(jīng)濟程度以及技術的容易程度，成為發(fā)展的必然條件。