一種基于ZigBee技術(shù)的智能安防報警系統

0 前言

目前，安防報警系統通常分為有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種方式。有線(xiàn)方式具有抗干擾性強、可靠性高的特點(diǎn)，但存在著(zhù)成本高、布線(xiàn)繁雜、不易組網(wǎng)等問(wèn)題;而采用RF、WiFi等無(wú)線(xiàn)方式的主要優(yōu)勢在于安裝靈活方便、無(wú)需布線(xiàn)，但傳輸距離短、穩定性較差。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的進(jìn)步和電子器件的發(fā)展，ZigBee作為一種數據傳輸可靠、低成本、低功耗的新興無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，可以解決現有無(wú)線(xiàn)報警系統存在的數據傳輸穩定性差、可擴展性差等問(wèn)題。

1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 概述

ZigBee協(xié)議由物理層、媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層等組成。它的基礎是IEEE802.15.4，但IEEE僅制定了網(wǎng)絡(luò )層以下協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟在此基礎上進(jìn)行了完善和擴展，對其網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議和應用層進(jìn)行了標準化，制定了上層協(xié)議規范，并負責高層應用、測試和市場(chǎng)推廣等方面的工作。ZigBee技術(shù)是一種介于無(wú)線(xiàn)標記技術(shù)和藍牙技術(shù)之間的技術(shù)方案，是一種低速率、自組網(wǎng)的雙向無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，主要用于近距離無(wú)線(xiàn)連接，適合應用于自動(dòng)控制和遠程控制等領(lǐng)域，可以嵌入各類(lèi)設備。ZigBee技術(shù)主要有如下特點(diǎn)：

(1)數據傳輸可靠?？刂茖舆\用了完全確認的數據傳輸避開(kāi)碰撞策略，并為固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數據的競爭和沖突，同時(shí)優(yōu)化了時(shí)延敏感的應用，縮短了通信時(shí)延。

(2)功耗低。在待機模式下，ZigBee節點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，耗電量?jì)H為1μW。普通干電池供電可使用6個(gè)月～2年。

(3)速率低。ZigBee設備工作于直接序列擴頻的2.4GHz的ISM頻段，數據傳輸速率為250kbps，專(zhuān)注于低傳輸速率應用，適合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。

(4)容量大。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )可支持255個(gè)設備，如果通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器構建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，則一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )可以支持超過(guò)6.5萬(wàn)個(gè)節點(diǎn)。在室內，ZigBee網(wǎng)絡(luò )有效覆蓋距離達到10～80m。

(5)自動(dòng)組網(wǎng)、自主路由。在節點(diǎn)損壞或能量耗盡時(shí)，可以使節點(diǎn)退出網(wǎng)絡(luò )且不影響剩余節點(diǎn)通信;若有新節點(diǎn)加入，可以自動(dòng)搜索和獲得報文轉發(fā)路由。

1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò )拓撲

在ZigBee網(wǎng)絡(luò )中，有協(xié)調器、路由器、終端設備三種設備類(lèi)型。協(xié)調器負責網(wǎng)絡(luò )的建立與維護;路由器負責網(wǎng)絡(luò )中數據的轉發(fā)，并可以拓展網(wǎng)絡(luò )的范圍;終端設備是實(shí)現具體功能的單元。ZigBee設備分為兩種類(lèi)型：全功能設備(FFD)和簡(jiǎn)化功能設備(RFD)，其中協(xié)調器和路由器必須是FFD，終端設備可以是FFD或RFD。FFD可以與FFD或RFD直接進(jìn)行通信，而RFD只能與FFD進(jìn)行通信。

ZigBee有星型、樹(shù)簇型型、網(wǎng)狀型三種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。星型網(wǎng)絡(luò )的各子節點(diǎn)之間不能通信，必須經(jīng)過(guò)協(xié)調節點(diǎn)轉發(fā)信息;在樹(shù)簇型網(wǎng)絡(luò )中，路由節點(diǎn)完成數據的路由功能，通過(guò)路由節點(diǎn)轉發(fā)子節點(diǎn)信息到協(xié)調節點(diǎn);網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò )的路由節點(diǎn)之間可以相互通信。

2 系統硬件設計

本系統是在現有安防報警系統中加入ZigBee網(wǎng)絡(luò )，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )由前端傳感器、后端上位機、遠端基站組成。傳感器負責采集數據、安全信息，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò )將這些數據和信息傳送到基站，然后經(jīng)過(guò)串口通信由基站發(fā)送到上位機，最后由上位機對數據信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，并對異常情況進(jìn)行聲光報警。

基于ZigBee技術(shù)的智能安防無(wú)線(xiàn)報警系統如圖1所示，它是由傳感器、ZigBee網(wǎng)絡(luò )、報警控制主機和PC控制中心組成的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。在系統前端配置紅外入侵、火焰、門(mén)磁開(kāi)關(guān)等不同類(lèi)型傳感器，負責采集入侵、溫度、煙霧等信號，當系統置于布防模式時(shí)，這些傳感器就連續不斷地進(jìn)行檢測，一旦檢測到異常信號時(shí)，就通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )將收集到的數據和報警信息傳送到報警控制主機，同時(shí)通過(guò)PC機設置和運行軟件，對相關(guān)參數狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控以及顯示數據。

3 系統軟件設計

安防報警系統的無(wú)線(xiàn)報警程序流程如圖2所示，其具體報警程序如下：

(1)傳感器向報警控制主機發(fā)送信息，并等候其命令;然后報警主機分配路由，選擇加入新路由;

(2)在傳感器加入設定路由后，報警主機打開(kāi)警戒功能，則傳感器進(jìn)入省電模式，每10s檢測紅外入侵傳感器、火焰傳感器狀況;

(3)若紅外入侵傳感器、火焰傳感器探測到危險情況時(shí)，經(jīng)過(guò)路由器可以向報警主機傳送報警信息，由報警主機實(shí)時(shí)處理，實(shí)現聲光報警;

(4)40s后，讀取I/O口接收到的門(mén)磁開(kāi)關(guān)等傳感器數據，若檢測有險情時(shí)，則經(jīng)過(guò)路由向報警主機轉送報警信息，由報警主機實(shí)時(shí)處理，實(shí)現聲光報警;

(5)若各傳感器檢測到的信息均正常，那么傳感器向報警主機發(fā)送安全信息，等待報警主機下一步指令。

4 電路實(shí)例

在本系統設計中，實(shí)現ZigBee物理層功能的芯片選用TI公司的CC2530，它是嵌入式的片上系統，集成了增強型的8051內核，結合TI Z—STACK協(xié)議棧，可以組建自己的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )。無(wú)線(xiàn)通信GSM模塊選用西門(mén)子的TC35i，該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶(hù)提供標準的AT命令接口，可以快速、可靠地實(shí)現系統方案中短消息與傳真服務(wù)、數據與語(yǔ)音傳輸。安防報警系統電路硬件結構圖如圖3所示。

以火焰傳感器模塊為例，火焰傳感器電路連接如圖4所示，圖中J1為火焰傳感器模塊與CC2530單片機之間的接口，CC2530的P0_0端口從火焰傳感器的陰極引腳進(jìn)行電壓采樣?；鹧鎮鞲衅鞯脑硎抢脽後岆娦?，通過(guò)目標與背景的溫差變化來(lái)探測目標，以確定火災的發(fā)生情況。當火焰傳感器檢測到火源時(shí)，其周?chē)鷾囟葧?huì )明顯升高，若溫差變化大于安全閾值，則火焰傳感器的陰極有電壓輸出，將數據傳送至協(xié)調器，同時(shí)報警。

5 結語(yǔ)

本系統通過(guò)軟硬件的設計，實(shí)現了基于ZigBee技術(shù)的智能無(wú)線(xiàn)報警系統。系統具有設計簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，可以對非法入侵、火災、燃氣泄漏等災情隱患進(jìn)行實(shí)時(shí)監控及聲光報警，為家居、小區、安防、工業(yè)等領(lǐng)域的安全監控與防護提供了一種實(shí)用的解決方案，具有很好的應用與推廣價(jià)值。