基于ZigBee的無線紅外防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：結(jié)合紅外防盜報(bào)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)無線紅外防盜報(bào)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)，解決了現(xiàn)有無線報(bào)警系統(tǒng)存在的誤報(bào)警，成本高等問題。經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)的硬件軟件電路調(diào)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)預(yù)期的功能。
關(guān)鍵詞：無線紅外防盜報(bào)警；ZigBee；CC2430；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前報(bào)警系統(tǒng)的信號(hào)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(qiáng)、器件成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于新建且可以在墻壁內(nèi)預(yù)留連接線的建筑物，但是其機(jī)動(dòng)性差、不便適應(yīng)用戶及產(chǎn)品的多變要求，對(duì)預(yù)留連接線的維護(hù)及更換難度高、費(fèi)用大；無線方式可避免探頭與主機(jī)之間的連接線影響室內(nèi)裝修，具有靈活、簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)，需求日益擴(kuò)大，越來越得到用戶的認(rèn)可，是發(fā)展趨勢(shì)，但是容易受到干擾，傳輸穩(wěn)定性和抗干擾性存在不足，價(jià)格較高。
作為防盜報(bào)警的關(guān)鍵產(chǎn)品，被動(dòng)紅外探測(cè)器的無線化也逐漸成為一種趨勢(shì)。但是由于以下兩方面的原因，紅外探測(cè)無線報(bào)警系統(tǒng)虛警率較高：1)紅外探測(cè)器性能參差不齊；2)報(bào)警信號(hào)的無線傳輸容易受到干擾，引起主機(jī)誤報(bào)警。
因此，低功耗、低成本、低速率的短距離無線通信新標(biāo)準(zhǔn)ZigBee來組建防盜報(bào)警網(wǎng)絡(luò)，不僅解決了傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)布線難、成本高以及不易擴(kuò)展等問題，而且ZigBee技術(shù)能基本解決現(xiàn)有無線報(bào)警系統(tǒng)存在的一些問題：
1)誤報(bào)警問題：調(diào)查表明，報(bào)警器誤報(bào)警率高是讓用戶放棄使用的最主要原因。現(xiàn)有的無線報(bào)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(hào)。為了避免在2.4GHz公用頻段的干擾，ZigBee采用了直接序列擴(kuò)頻技術(shù)保證信號(hào)傳輸；
2)使用成本問題：報(bào)警器長(zhǎng)期使用的電費(fèi)是個(gè)問題，為了達(dá)到在停電或竊賊作案前人為地?cái)嚯姾髨?bào)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(zhǎng)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(luò)技術(shù)，ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被成為IEEE802．15．4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)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(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用?？晒ぷ髟?．4 GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國(guó)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(nèi)進(jìn)行傳輸，但是范圍也是可以擴(kuò)展的。
在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)無須經(jīng)過中央交換機(jī)節(jié)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(jié)點(diǎn)癱瘓或者被敵方俘獲，其他節(jié)點(diǎn)可以選擇其他路由。而新的節(jié)點(diǎn)經(jīng)上電之后，就能收聽鄰近節(jié)點(diǎn)，只要滿足接入標(biāo)準(zhǔn)，就可以加入網(wǎng)絡(luò)。IEEE．802．15．4和ZigBee協(xié)議中定義了3種類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。無論哪種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)均有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符即網(wǎng)絡(luò)號(hào)(PAN標(biāo)識(shí)符)。根據(jù)標(biāo)識(shí)符，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(diào)器，它相當(dāng)于有線局域網(wǎng)中的服務(wù)器，具有對(duì)本網(wǎng)絡(luò)的管理功能，它負(fù)責(zé)發(fā)起和建立整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)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(jìn)行直接通信。網(wǎng)絡(luò)中的全功能節(jié)點(diǎn)可以做路由器、協(xié)調(diào)器和終端，而簡(jiǎn)化功能節(jié)點(diǎn)只能作終端設(shè)備。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，是建立在ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)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(luò)清晰、一目了然，給設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來極大的方便。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用層和安全協(xié)議，因此任何ZigBee設(shè)備和IEEE標(biāo)準(zhǔn)都是兼容的。

2 系統(tǒng)的整體框架
筆者設(shè)計(jì)的無線紅外防盜報(bào)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由服務(wù)器、路由器和若干個(gè)終端信息采集節(jié)點(diǎn)組成。

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

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
在基于ZigBee的無線紅外防盜報(bào)警系統(tǒng)中，眾多傳感器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。本節(jié)的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)其中單個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)采集人體紅外線的熱釋電紅外傳感器型號(hào)，第2步確定用來完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的支持ZigBee協(xié)議的芯片的具體型號(hào)，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(cè)，設(shè)計(jì)出原理圖，并畫出PCB(Printed cireuit board)圖。
CC2430是芯片巨人TI公司收購(gòu)無線單片機(jī)公司CHIPCON后推出的全新概念新一代ZigBee無線單片機(jī)系列芯片。在CC2420的基礎(chǔ)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。