智能家居安防的“左右护法”:GPRS和ZigBee

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智能家居安防的“左右护法”:GPRS和ZigBee

     引言

  ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。它的基础是IEEE802.15.4技术标准,主要规范了物理层和MAC层的协议。ZigBee联盟制定了应用规范层和应用汇聚层。

  它的应用方向定位于家庭自动化、楼宇自动化、传感器应用等。该系统的无线网络通信模块采用CC2430,该模块是TI公司收购无线单片机先锋Chipon公司后推出的新一代Zig-Bee无线单片机,它是一颗真正的系统芯片(SoC)COMS解决方案,这种方案能够提高性能并满足ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用对低成本和低功耗的要求。也包含一个DSSS(直接序列扩频)射频收发核心和一个工业级小巧高效的8051控制器。无线数传模块采用DL6200模块,用户只需要拥有以前所熟悉的串口通信知识就可通过GPRS网络进行通信。

  1 ZigBee的技术优势

  ZigBee的技术优势表现为以下几个方面:

  (1)省电。由于工作周期很短、收发信息功耗较低,并且采用了休眠模式,因此ZigBee技术可以确保2节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。不同的应用对应的功耗自然是不同的。

  (2)可靠。ZigBee技术采用了碰撞避免机制,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

  (3)成本低。模块价格低廉,且ZigBee协议是免专利费的。

  (4)时延短。针对时延敏感的应用作了优化,通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms,休眠激活时延典型值是15ms,活动设备信道接入时延为15ms。

  (5)节点通信设置易于配置。

  (6)网络容量大。ZigBee可以采用星形、网状、树状结构组网,而且可以通过任一节点连接组成更大的网络结构。从理论上讲,其可连接的节点多达64000个。1个ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和1个主设备,1个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。

  (7)安全。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用AES-128,同时各个应用可以灵活地确定其安全属性。

  (8)全球通用性和完好的开放性。ZigBee标准协议,使ZigBee设备间的通信成为轻而易举的事情。

  2 CC2430的技术特点

  CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构,在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、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(ADC)、几个定时器(Timer)、AES-128协同处理器、看门狗定时器(Watchdogtimer)、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(PowerOnReset)、掉电检测电路(BrownOutDetection),以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18μmCMOS工艺;在接收和发射模式下,电流损耗分别低于27mA和25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性,特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

  3 GPRS数传模块DL6200

  DL6200模块的核心硬件是使用世界知名移动通信产品厂商生产的GPRS芯片而设计生产的,具有很高的可靠性。使用DL6200时,只需要熟悉串口通信知识就可通过GPRS网络进行通信。不必关心模块的射频电路部分(使用移动运营商的公网)及相关硬件连接;不必关心AT指令集,所有与AT响应有关的操作都由DL6200模块在模块的内部完成;不必关心TCP/IP协议及互连网络的相关知识:由于GPRS模块是基于互连网络的通信方式,在使用中就要与INTERNET网络打交道,所有与网络的信息交换都由DL6200模块在内部自动完成,无需用户参与;不必用户单独拥有一个固定的IP地址;具有格式及透明传输两种传输格式;具有一般工作模式和省电工作模式;与各种组态软件直接连接无需专用的驱动程序;支持总线式的被动传输数据方式。

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  4 系统结构和工作原理

  4.1 系统的结构和功能

  系统由外网和内网两部分组成。外网是由GPRS数传模块和PC组成,两者之间可通过TTLRS232RS485传输信息,该系统采用上位机电平接口为TTL,如图1所示。GPRS数传模块的组网如图2所示。

  内网由PC机和ZigBee无线数据通信模块组成,它们之间通过串口连接。ZigBee网络由协调器、路由器和终端设备三部分组成。协调器和路由器称为全功能设备FFD,终端设备称为精简功能设备RFD。由于该系统设备比较简单,采用星型组网方式,将窗磁、门磁等看作终端设备,ZigBee无线模块为协调器,该系统结构简单,所以不需要路由器。如图3所示。

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  该系统的控制流程如下:

  (1)用户通过外网GSM手机发送短信命令给GPRS数传模块DL6200,DL6200收到命令后,解释该命令。解释完后发给内网中ZigBee无线通信模块CC2430,由该模块把命令发给相应的终端设备,终端设备收到命令后作出相应的的动作。

  (2)终端设备收到命令后,一是作出相应的动作后向上层作出应答,二是把上层需要的数据通过CC2430模块传送给上层设备。上层设备收到终端设备的信息,通过DL6200以短信的形式发送到用户手机上。

  (3)当有中断响应时,如家中有小偷,触发了报警设备,该终端设备将第一时间向用户发送信息,以示报警。

  4.2 系统的硬件设计

  DL6200不需要关心AT指令集。不需要关心TCP/IP协议及互连网络的相关知识,所有与网络的信息交换都由DL6200模块自动完成。与各种组态软件直接连接,无需专用的驱动程序。DL6200的这些特点使得硬件设计很容易,它的RXD、TDX必须与ZigBee的RX、TX相连进行数据的收发。整个系统的结构框图如图4所示。

  4.3 系统的软件设计

  该系统软件主要通过ZigBee网络协议操作完成数据采集和数据收发,包括初始化、发射和接收程序设计,以及对报警信号的监控、对远程控制指令的处理和执行等。

  系统的收发采用PINgPang发送函数,程序如下:

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  系统的报警流程图如图5所示。

  5 结语

  随着人们生活水平的不断提高,追求更加舒适、便捷的生活成为必然。ZigBee无线模块具有低功耗、低成本的优势,在满足人们需求的传输速率的情况下,将会在不久的将来普及到各家各户中。此外,使用无线网络省去了重新装修的负担,采用ZigBee无线网络随时可以添加或减少它的节点,它对网络有自组能力。所以,商品的经济程度以及技术的容易程度,成为发展的必然条件。

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