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基于PIC單片機設計的紅外入侵檢測系統
作者：
時(shí)間：2014-01-13
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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在研究無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN）及ZigBee協(xié)議的基礎上，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的紅外入侵檢測系統的設計方案。該方案借助ZigBee技術(shù)在短距離無(wú)線(xiàn)通信方面的優(yōu)勢，利用Microchip公司的射頻芯片MFR24J40，采用主動(dòng)紅外入侵探測裝置實(shí)現了對入侵物體的實(shí)時(shí)檢測及報警。
近年來(lái)隨著(zhù)科技的發(fā)展和人們安全防范意識的提高，基于紅外線(xiàn)技術(shù)的入侵檢測及報警技術(shù)已開(kāi)始應用到防盜系統中[1]?，F有的紅外入侵檢測系統多采用有線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。這類(lèi)方案的缺點(diǎn)是擴展性能差，布線(xiàn)繁瑣，當線(xiàn)路老化或遭到磨損時(shí)，誤報警率高。采用無(wú)線(xiàn)傳輸方式構建的無(wú)線(xiàn)入侵檢測網(wǎng)絡(luò )則可以避免這些問(wèn)題。相對而言，無(wú)線(xiàn)方式比較靈活，可以適應移動(dòng)或變化的需要。但是，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在安全領(lǐng)域的應用相對還是很少。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN）是信息感知及采集技術(shù)的一場(chǎng)革命，因其具有部署靈活、維護簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而在環(huán)境、事件、監控、深水等許多方面有著(zhù)廣泛的應用前景。
ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)[2]，可以嵌入各種設備中，同時(shí)支持地理定位功能。相對于現有的各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)具有超低功耗和成本的特點(diǎn),適合于承載數據流量較小的業(yè)務(wù)，所以ZigBee技術(shù)非常適合用在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的相關(guān)應用上。
本文在研究ZigBee協(xié)議的基礎上，提出了一種基于ZigBee協(xié)議的主動(dòng)式紅外入侵檢測系統的設計方案，該方案具有比較好的擴展性及較低的誤報警率。
1 系統設計方案
如圖1所示為一大樓平層，該層有8個(gè)監控點(diǎn)（房間）。針對這種情況，系統可采用星型結構組網(wǎng)。整個(gè)系統由無(wú)線(xiàn)紅外入侵檢測節點(diǎn)、調節器節點(diǎn)、監控主機和PC機組成。其中，在每個(gè)房間安裝一個(gè)無(wú)線(xiàn)紅外入侵檢測節點(diǎn)作為終端節點(diǎn)，對房間進(jìn)行安全監控，并定時(shí)發(fā)送一個(gè)安全狀態(tài)信號到調節器節點(diǎn)。調節器節點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的中心節點(diǎn)，負責組建網(wǎng)絡(luò )、接收終端設備（紅外入侵檢測節點(diǎn)）加入網(wǎng)絡(luò )和數據的傳輸及轉發(fā)。測控主機也是一個(gè)終端設備，但與無(wú)線(xiàn)紅外入侵節點(diǎn)不同的是，它負責接收調節器發(fā)送的監控情況并通過(guò)串口發(fā)送給PC機。在PC上可實(shí)時(shí)查看到各監控點(diǎn)的安全狀態(tài)，當有物體入侵時(shí)，立刻啟動(dòng)報警裝置并在PC機上顯示被入侵的房間號，安防人員可迅速作出反應。
如果要監控的是多層建筑或者是小區，可采用樹(shù)形拓撲結構進(jìn)行組網(wǎng)，每一層或每一棟設一個(gè)協(xié)調器，負責收集數據，與中心協(xié)調器交換數據并把數據轉發(fā)給監控主機。
2 硬件節點(diǎn)的設計
硬件節點(diǎn)的設計[3]是一個(gè)關(guān)鍵。其中，終端設備（無(wú)線(xiàn)紅外入侵檢測節點(diǎn)）與協(xié)調器結構類(lèi)似，但是比協(xié)調器多一個(gè)入侵檢測單元。如圖2所示，紅外檢測節點(diǎn)由四部分構成：入侵檢測單元負責感知監控點(diǎn)的安全狀態(tài)，并通過(guò)AD轉換器發(fā)送給微控制器；微處理器部件負責協(xié)調節點(diǎn)各部分的工作，進(jìn)行必要的處理、保存；無(wú)線(xiàn)通訊單元采用專(zhuān)用的ZigBee射頻芯片MRF24J40與其他節點(diǎn)交換數據；能量供應模塊為其他功能單元提供工作所必需的能源。
2.1 入侵檢測單元
如圖3所示，入侵檢測單元采用主動(dòng)式紅外傳感電路，它的特點(diǎn)是誤報警率低。該單元包括紅外發(fā)射部分和紅外接收部分，發(fā)射部分采用交流方式激發(fā)，用NE555組建脈沖產(chǎn)生電路，并加上一對透鏡增強發(fā)射距離。接收部分采用PIN光二極管負責接收紅外光并由U2將接收的微弱信號作20 000倍放大，U3是電壓比較器，參考電壓是0.8V。當無(wú)物體入侵時(shí)，紅外線(xiàn)被光二極管正常接收、放大、整流，并在U3正輸入管腳產(chǎn)生一個(gè)高于參考值0.8V的電壓，此時(shí)Vout輸出為高電平。當有物體入侵時(shí)，將部分或完全遮住所發(fā)射的紅外光線(xiàn)，此時(shí)光二極管接收的信號大幅度減弱或消失，于是U3正輸入管腳產(chǎn)生的電壓將小于參考電壓，Vout輸出為低電平，此時(shí)將產(chǎn)生報警信號。
2.2 無(wú)線(xiàn)發(fā)射部分
Microchip公司的射頻芯片MRF24J40是一個(gè)針對ZigBee協(xié)議及專(zhuān)有無(wú)線(xiàn)協(xié)議的2.4GHz IEEE 802.15.4收發(fā)器，適用于要求低功耗和卓越射頻性能的射頻應用。 PIC 8位單片機具有獨特的RISC結構、數據總線(xiàn)和指令總線(xiàn)分離的哈佛總線(xiàn)(Harvard)結構，使指令具有單字長(cháng)的特性，且允許指令碼的位數可多于8位。這與傳統的采用CISC結構的8位單片機相比可以達到2:1的代碼壓縮，速度提高4倍?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，采用PIC 8位單片機和MRF24J40組成節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)發(fā)射部分。
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