基于ZigBee的無線紅外防盜報警系統(tǒng)設計

摘要：結(jié)合紅外防盜報警和ZigBee技術(shù)這兩大熱點課題，利用TI公司的單芯片CC2430和RE200B紅外傳感器，完成了基于ZigBee技術(shù)無線紅外防盜報警系統(tǒng)的硬件設計和軟件開發(fā)，解決了現(xiàn)有無線報警系統(tǒng)存在的誤報警，成本高等問題。經(jīng)過對系統(tǒng)的硬件軟件電路調(diào)試，驗證了系統(tǒng)預期的功能。
關(guān)鍵詞：無線紅外防盜報警；ZigBee；CC2430；系統(tǒng)設計

目前報警系統(tǒng)的信號傳輸主要是有線和無線兩種。
有線方式具有通訊可靠、抗干擾能力強、器件成本低等優(yōu)點，適用于新建且可以在墻壁內(nèi)預留連接線的建筑物，但是其機動性差、不便適應用戶及產(chǎn)品的多變要求，對預留連接線的維護及更換難度高、費用大；無線方式可避免探頭與主機之間的連接線影響室內(nèi)裝修，具有靈活、簡潔的優(yōu)點，需求日益擴大，越來越得到用戶的認可，是發(fā)展趨勢，但是容易受到干擾，傳輸穩(wěn)定性和抗干擾性存在不足，價格較高。
作為防盜報警的關(guān)鍵產(chǎn)品，被動紅外探測器的無線化也逐漸成為一種趨勢。但是由于以下兩方面的原因，紅外探測無線報警系統(tǒng)虛警率較高：1)紅外探測器性能參差不齊；2)報警信號的無線傳輸容易受到干擾，引起主機誤報警。
因此，低功耗、低成本、低速率的短距離無線通信新標準ZigBee來組建防盜報警網(wǎng)絡，不僅解決了傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡系統(tǒng)布線難、成本高以及不易擴展等問題，而且ZigBee技術(shù)能基本解決現(xiàn)有無線報警系統(tǒng)存在的一些問題：
1)誤報警問題：調(diào)查表明，報警器誤報警率高是讓用戶放棄使用的最主要原因?，F(xiàn)有的無線報警系統(tǒng)很容易受到來自供電網(wǎng)中和空中的高頻干擾信號。為了避免在2.4GHz公用頻段的干擾，ZigBee采用了直接序列擴頻技術(shù)保證信號傳輸；
2)使用成本問題：報警器長期使用的電費是個問題，為了達到在停電或竊賊作案前人為地斷電后報警器仍能起作用的目的，用戶還需要定期更換電池一類的后備電源，所以，在長期使用過程中，用戶就不得不考慮成本。ZigBee芯片是超低功耗的無線收發(fā)芯片，發(fā)射功率僅為1 mW，再加上芯片工作周期短，而且采用了休眠模式，所以收發(fā)信息功耗較低。

1 ZigBee技術(shù)
作為一種新興的無線網(wǎng)絡技術(shù)，ZigBee的基礎是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)工作組的一項標準，被成為IEEE802．15．4技術(shù)標準。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽??？晒ぷ髟?．4 GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3個頻段上，分別具有最高250 kbit／s、20 kbids和40 kbit／s的傳輸速
率，它一般在10～75 m的范圍內(nèi)進行傳輸，但是范圍也是可以擴展的。
在ZigBee網(wǎng)絡中，節(jié)點無須經(jīng)過中央交換機節(jié)點便可以相互通信，并具備了自愈和自我組織功能。任意節(jié)點癱瘓或者被敵方俘獲，其他節(jié)點可以選擇其他路由。而新的節(jié)點經(jīng)上電之后，就能收聽鄰近節(jié)點，只要滿足接入標準，就可以加入網(wǎng)絡。IEEE．802．15．4和ZigBee協(xié)議中定義了3種類型的拓撲結(jié)構(gòu)：星型網(wǎng)絡、樹狀網(wǎng)絡和網(wǎng)狀網(wǎng)絡，如圖1所示。無論哪種拓撲結(jié)構(gòu)，每個獨立的網(wǎng)絡均有一個唯一的標識符即網(wǎng)絡號(PAN標識符)。根據(jù)標識符，各個網(wǎng)絡設備之間就可以確定其從屬關(guān)系并進行通信。每個網(wǎng)絡中都有一個唯一的協(xié)調(diào)器，它相當于有線局域網(wǎng)中的服務器，具有對本網(wǎng)絡的管理功能，它負責發(fā)起和建立整個網(wǎng)絡，加入網(wǎng)絡的終端設備分布在PAN協(xié)調(diào)器的覆蓋范圍內(nèi)，與PAN協(xié)調(diào)器進行直接通信。網(wǎng)絡中的全功能節(jié)點可以做路由器、協(xié)調(diào)器和終端，而簡化功能節(jié)點只能作終端設備。

ZigBee無線網(wǎng)絡的實現(xiàn)，是建立在ZigBee協(xié)議棧的基礎上的。ZigBee協(xié)議棧是建立在OSI(Open System Interconnect，開放系統(tǒng)互聯(lián))基本參考模型的基礎上的，是OSI七層模型的精簡網(wǎng)絡模型。IEEE 802．15．4定義了最低兩層：物理層和MAC層，位于最低層，且與硬件相關(guān)；ZigBee聯(lián)盟在此基礎上定義了網(wǎng)絡層(NWK)和應用層(APL)，建立在PHY和MAC層之上，并且完全與硬件無關(guān)。分層的結(jié)構(gòu)脈絡清晰、一目了然，給設計和調(diào)試帶來極大的方便。ZigBee標準使用IEEE802．15．4的物理層和MAC層協(xié)議作為ZigBee協(xié)議棧的一部分，并自己定義了網(wǎng)絡層、應用層和安全協(xié)議，因此任何ZigBee設備和IEEE標準都是兼容的。

2 系統(tǒng)的整體框架
筆者設計的無線紅外防盜報警系統(tǒng)網(wǎng)絡采用星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，主要由服務器、路由器和若干個終端信息采集節(jié)點組成。

用戶端報警節(jié)點主要包括兩部分：探測器和報警主機，結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個監(jiān)控區(qū)域都可進行移動人體的探測，報警主機可進行現(xiàn)場聲光報警。這樣一個星型網(wǎng)絡報警系統(tǒng)，可在一個ZigBee結(jié)點上集成紅外信息，形成一個無線紅外防盜報警系統(tǒng)。另外，本系統(tǒng)具有聯(lián)網(wǎng)能力，利用ZigBee路由設備可以無線連接到值班室的服務器上。
系統(tǒng)主要功能包括：
1)紅外探測器快速準確地檢測到異常狀態(tài)，經(jīng)確認后無線發(fā)送給主機；
2)主機接收到信號后進行識別，現(xiàn)場立刻發(fā)出警報(聲光報警或其他方式)并在顯示屏上顯示報警防區(qū)和警情；
3)報警主機上的ZigBee無線模塊通過區(qū)域內(nèi)布設的ZigBee路由設備將數(shù)據(jù)無線傳送到值班室的服務器，ZigBee路由設備就是網(wǎng)絡中具備路由功能的ZigBee協(xié)調(diào)設備；
4)值班人員可以通過監(jiān)控軟件進行區(qū)域安全的監(jiān)控，一旦報警，監(jiān)控軟件上將顯示報警地點，及時處理突發(fā)事件。

3 系統(tǒng)硬件設計
在基于ZigBee的無線紅外防盜報警系統(tǒng)中，眾多傳感器節(jié)點是整個網(wǎng)絡的基礎。本節(jié)的主要內(nèi)容是設計其中單個節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)并畫出電路圖。
在硬件確定過程中，首先確定節(jié)點采集人體紅外線的熱釋電紅外傳感器型號，第2步確定用來完成系統(tǒng)的設計的支持ZigBee協(xié)議的芯片的具體型號，第3步查閱熱釋電紅外傳感器的資料和芯片的數(shù)據(jù)手冊，設計出原理圖，并畫出PCB(Printed cireuit board)圖。
CC2430是芯片巨人TI公司收購無線單片機公司CHIPCON后推出的全新概念新一代ZigBee無線單片機系列芯片。在CC2420的基礎上綁定了ZigBee協(xié)議棧，具有128 kB可編程閃存和8 kB的RAM和其他一些功能，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。