基于Zigbee技术的防溺水系统设计

邓呈轩

摘 要：针对近年来溺水事故频繁发生的情况，设计了一种基于Zigbee技术的防溺水系统。该系统利用Zigbee技术、GPRS等物联网技术，采用CC2530模拟了防溺水系统各个节点之间的通信，在各个易发生事故的水域提供实时监控、定位跟踪、信息实时传送等服务。初步应用结果表明，采用该系统可以有效防止溺水事故的发生。

关键词：Zigbee；防溺水系统；局域网协议；数据传输服务

中图分类号：TN92 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.011

我国夏季各地市普遍高温，尤其是暑假期间，一些中、小学生常前往江、河、湖等天然水域游泳，常发生溺水事件。近年来，在全国各地的中、小学校园安全事故中，主要以溺水和交通事故为主，两类事故的数量占全年各类事故总数的50.89%.

1 系统方案设计

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术属于一种短距离、低功耗的无线通信技术，其特点是通信近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率，主要适用于自动控制和远程控制领域，可嵌入各种设备。ZigBee协议从下到上分别为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。

Zigbee协议采用分层结构，协议的每一层为其上一层提供一系列透明的特殊服务，比如数据传输服务、网络控制服务等。层与层之间通过服务接入点（SAP）连接，每个SAP都支持一定数量的服务，从而实现所需的功能。在协议栈中，所有数据通信都用帧的格式组织，每一层都有特定的帧结构。比如，当应用程序需要发送数据时，通过APS的数据服务发送请求到APS子层，然后在以下的每一层都会为其附加由各层帧头组成的帧信息。

GPRS是通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service）的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS是GSM的延续，它与以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）的方式来传输的。因此，使用者所负担的费用是以其传输资料为单位计算的，并非使用其整个频道，从理论上看较为便宜。GPRS的传输速率可达56～114 kBps。

2 系统结构设计

该系统的结构设计如图1所示。系统分为感知层、服务器层、

网络层、用户层。感知层即为危险区域的Zigbee网关，它将实时监控得到的数据打包通过GPRS发送到网络层，数据在服务器层经过分析后得到反馈指令，再通过网络层传输至用户层。

3 无线传感器网络的硬件设计

3.1 传感器网络

由于无线传感网络在通信上会消耗较大的能量，因此，选用了功耗较小的CC2530为通信器件设计无线网络节点。传感器节点一般由数据采集单元、数据处理单元，通信单元（射频模块）和电源单元组成。CC2530集成了RF、256 kB闪存、8 kB的RAM 和8 051八位MCU核。在网络节点硬件平台中，CC2530需要实现的功能及其外围模块主要分为3个部分：①通过A/D口控制传感器模块进行数据采集，控制无线RF模块完成数据收发；②通过I/O口相应的主机控制，传感器采集的数据也可通过I/O口与微处理器相连；③通过RS-232/485接口可实现网络节点与PC机的通信。

CC2530电路图如图2所示。

该系统按照树状网络结构设计无线传感器，主要由Zigbee网关和端节点实现功能。Zigbee网关具有网络协调器的功能，能与网络中的任意设备通信；端节点能定时将实时采集到的数据通过ZigBee网络发送到ZigBee网关，通过GPRS网络和互联网对接的ZigBee网关将采集得到的数据发送至网络层，并通过网络层、服务器层与用户层通信。此外，系统的各个端节点可通过ZigBee协议通信。

3.2 Zigbee网关

Zigbee网关建立于ARM-Linux嵌入式平台上，Linux系统具有安全、可靠、稳定的特点。ARM嵌入式处理器具有性能强大、成本低廉和功耗小等特点，不仅具有处理数据功能，也适用于对运算速度要求较高的场合，且可与Linux完美兼容。

该系统采用S3C2440作为主控制芯片，是三星公司生产的一款基于ARM920T核的16/32位RISC微处理器，其主频为400 MHz，具有性能强大、功耗小、体积小、接口多的特点。S3C2440的接口如图3所示。

ARM单片机、GPRS模块与Zigbee模块共同组成了Zigbee网关。ZigBee模块负责与端节点的通信，并将接收到的数据转发到ARM单片机上处理，并将ARM单片机的数据指令发送给所有端节点或某个端节点，从而实现对危险区域环境的监测；GPRS模块负责感知层、服务器层与移动用户设备间的数据传输。

GPRS模块采用SIMCOM公司的SIM900A模块，它能支持GPRS multi-slot class10或class8，编码格式为CS-1、CS-2、CS-3、CS-4.SIM900A自带TCP/IP协议。在数据传输方面，扩展的AT指令操作非常便捷。

GPRS无线传输网络包块控制器模块、GPRS模块、Zigbee协调器和外部设备，主要负责接收、处理数据，采用数据融合技术进行危险报警判断，并将数据发送至上位机。主控制器与GPRS模块之间通过RS232串口连接，并通过判断实时监控得到的数据执行报警、群发短信等功能。

4 系统软件设计

该系统的软件包括节点的数据采集、ARM-linux嵌入式系统软件和Zigbee网关数据传递。该系统使用的Z-Stack是TI推出的IEEE 802.15.4产品和平台兼容的协议栈，能与Zigbee 2007和Zigbee 2006规范兼容，支持包括MSP430+CC2520、CC2430和 CC2530等在内的多种平台。Z-Stack支持智能能源和家庭自动化模板，正被世界上成千上万的开发者所使用。Z-Stack的开发环境为IAR。IAR Embedded WorkBench是IAR System公司生产的产品，可提供一个嵌入式开发的完整的集成环境，用于编译、调试C或C++编写的应用程序、监测片上的Flash数据、寄存器等。

其他大规模、复杂的程序用C语言编程可提高程序的可读性。ARM-linux嵌入式系统软件采用基于Linux系统C++的Socket网络编程，程序流程如图5所示。

5 结束语

本文基于Zigbee技术，设计了一种运用GPRS等物联网技术的防溺水系统。在Zigbee协议的基础上，论述了系统组网的基本结构、基本原理、硬件设计和软件开发流程等。该系统在事故易发生水域及其他危险水域的应用具有很好的效果，可从根源上减少乃至防止溺亡事故的发生。

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〔编辑：张思楠〕