基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)紅外防盜報警系統設計

摘要：結合紅外防盜報警和ZigBee技術(shù)這兩大熱點(diǎn)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(wú)線(xiàn)紅外防盜報警系統的硬件設計和軟件開(kāi)發(fā)，解決了現有無(wú)線(xiàn)報警系統存在的誤報警，成本高等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)對系統的硬件軟件電路調試，驗證了系統預期的功能。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)紅外防盜報警；ZigBee；CC2430；系統設計

目前報警系統的信號傳輸主要是有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種。
有線(xiàn)方式具有通訊可靠、抗干擾能力強、器件成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于新建且可以在墻壁內預留連接線(xiàn)的建筑物，但是其機動(dòng)性差、不便適應用戶(hù)及產(chǎn)品的多變要求，對預留連接線(xiàn)的維護及更換難度高、費用大；無(wú)線(xiàn)方式可避免探頭與主機之間的連接線(xiàn)影響室內裝修，具有靈活、簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)，需求日益擴大，越來(lái)越得到用戶(hù)的認可，是發(fā)展趨勢，但是容易受到干擾，傳輸穩定性和抗干擾性存在不足，價(jià)格較高。
作為防盜報警的關(guān)鍵產(chǎn)品，被動(dòng)紅外探測器的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)報警系統虛警率較高：1)紅外探測器性能參差不齊；2)報警信號的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信新標準ZigBee來(lái)組建防盜報警網(wǎng)絡(luò )，不僅解決了傳統有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統布線(xiàn)難、成本高以及不易擴展等問(wèn)題，而且ZigBee技術(shù)能基本解決現有無(wú)線(xiàn)報警系統存在的一些問(wèn)題：
1)誤報警問(wèn)題：調查表明，報警器誤報警率高是讓用戶(hù)放棄使用的最主要原因?，F有的無(wú)線(xiàn)報警系統很容易受到來(lái)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(wèn)題：報警器長(cháng)期使用的電費是個(gè)問(wèn)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(hù)還需要定期更換電池一類(lèi)的后備電源，所以，在長(cháng)期使用過(guò)程中，用戶(hù)就不得不考慮成本。ZigBee芯片是超低功耗的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，ZigBee的基礎是IEEE無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(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(jìn)行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時(shí)間數據傳輸的應用?？晒ぷ髟?．4 GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3個(gè)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的范圍內進(jìn)行傳輸，但是范圍也是可以擴展的。
在ZigBee網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)無(wú)須經(jīng)過(guò)中央交換機節點(diǎn)便可以相互通信，并具備了自愈和自我組織功能。任意節點(diǎn)癱瘓或者被敵方俘獲，其他節點(diǎn)可以選擇其他路由。而新的節點(diǎn)經(jīng)上電之后，就能收聽(tīng)鄰近節點(diǎn)，只要滿(mǎn)足接入標準，就可以加入網(wǎng)絡(luò )。IEEE．802．15．4和ZigBee協(xié)議中定義了3種類(lèi)型的拓撲結構：星型網(wǎng)絡(luò )、樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，如圖1所示。無(wú)論哪種拓撲結構，每個(gè)獨立的網(wǎng)絡(luò )均有一個(gè)唯一的標識符即網(wǎng)絡(luò )號(PAN標識符)。根據標識符，各個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備之間就可以確定其從屬關(guān)系并進(jìn)行通信。每個(gè)網(wǎng)絡(luò )中都有一個(gè)唯一的協(xié)調器，它相當于有線(xiàn)局域網(wǎng)中的服務(wù)器，具有對本網(wǎng)絡(luò )的管理功能，它負責發(fā)起和建立整個(gè)網(wǎng)絡(luò )，加入網(wǎng)絡(luò )的終端設備分布在PAN協(xié)調器的覆蓋范圍內，與PAN協(xié)調器進(jìn)行直接通信。網(wǎng)絡(luò )中的全功能節點(diǎn)可以做路由器、協(xié)調器和終端，而簡(jiǎn)化功能節點(diǎn)只能作終端設備。

ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現，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(kāi)放系統互聯(lián))基本參考模型的基礎上的，是OSI七層模型的精簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò )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(luò )層(NWK)和應用層(APL)，建立在PHY和MAC層之上，并且完全與硬件無(wú)關(guān)。分層的結構脈絡(luò )清晰、一目了然，給設計和調試帶來(lái)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(luò )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 系統的整體框架
筆者設計的無(wú)線(xiàn)紅外防盜報警系統網(wǎng)絡(luò )采用星型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，主要由服務(wù)器、路由器和若干個(gè)終端信息采集節點(diǎn)組成。

用戶(hù)端報警節點(diǎn)主要包括兩部分：探測器和報警主機，結構如圖2所示。每個(gè)監控區域都可進(jìn)行移動(dòng)人體的探測，報警主機可進(jìn)行現場(chǎng)聲光報警。這樣一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò )報警系統，可在一個(gè)ZigBee結點(diǎn)上集成紅外信息，形成一個(gè)無(wú)線(xiàn)紅外防盜報警系統。另外，本系統具有聯(lián)網(wǎng)能力，利用ZigBee路由設備可以無(wú)線(xiàn)連接到值班室的服務(wù)器上。
系統主要功能包括：
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(wú)線(xiàn)發(fā)送給主機；
2)主機接收到信號后進(jìn)行識別，現場(chǎng)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和警情；
3)報警主機上的ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊通過(guò)區域內布設的ZigBee路由設備將數據無(wú)線(xiàn)傳送到值班室的服務(wù)器，ZigBee路由設備就是網(wǎng)絡(luò )中具備路由功能的ZigBee協(xié)調設備；
4)值班人員可以通過(guò)監控軟件進(jìn)行區域安全的監控，一旦報警，監控軟件上將顯示報警地點(diǎn)，及時(shí)處理突發(fā)事件。

3 系統硬件設計
在基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)紅外防盜報警系統中，眾多傳感器節點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的基礎。本節的主要內容是設計其中單個(gè)節點(diǎn)的硬件結構并畫(huà)出電路圖。
在硬件確定過(guò)程中，首先確定節點(diǎn)采集人體紅外線(xiàn)的熱釋電紅外傳感器型號，第2步確定用來(lái)完成系統的設計的支持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據手冊，設計出原理圖，并畫(huà)出PCB(Printed cireuit board)圖。
CC2430是芯片巨人TI公司收購無(wú)線(xiàn)單片機公司CHIPCON后推出的全新概念新一代ZigBee無(wú)線(xiàn)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。