一種基于ZigBee技術的智能安防報警系統(tǒng)

0 前言

目前，安防報警系統(tǒng)通常分為有線和無線兩種方式。有線方式具有抗干擾性強、可靠性高的特點，但存在著成本高、布線繁雜、不易組網(wǎng)等問題;而采用RF、WiFi等無線方式的主要優(yōu)勢在于安裝靈活方便、無需布線，但傳輸距離短、穩(wěn)定性較差。隨著無線網(wǎng)絡技術的進步和電子器件的發(fā)展，ZigBee作為一種數(shù)據(jù)傳輸可靠、低成本、低功耗的新興無線通信技術，可以解決現(xiàn)有無線報警系統(tǒng)存在的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性差、可擴展性差等問題。

1 ZigBee技術簡介

1.1 概述

ZigBee協(xié)議由物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網(wǎng)絡層和應用層等組成。它的基礎是IEEE802.15.4，但IEEE僅制定了網(wǎng)絡層以下協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟在此基礎上進行了完善和擴展，對其網(wǎng)絡層協(xié)議和應用層進行了標準化，制定了上層協(xié)議規(guī)范，并負責高層應用、測試和市場推廣等方面的工作。ZigBee技術是一種介于無線標記技術和藍牙技術之間的技術方案，是一種低速率、自組網(wǎng)的雙向無線通訊技術，主要用于近距離無線連接，適合應用于自動控制和遠程控制等領域，可以嵌入各類設備。ZigBee技術主要有如下特點：

(1)數(shù)據(jù)傳輸可靠?？刂茖舆\用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸避開碰撞策略，并為固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突，同時優(yōu)化了時延敏感的應用，縮短了通信時延。

(2)功耗低。在待機模式下，ZigBee節(jié)點處于休眠狀態(tài)，耗電量僅為1μW。普通干電池供電可使用6個月～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(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps，專注于低傳輸速率應用，適合無線傳感器網(wǎng)絡。

(4)容量大。一個ZigBee網(wǎng)絡可支持255個設備，如果通過網(wǎng)絡協(xié)調器構建無線傳感器網(wǎng)絡，則一個ZigBee網(wǎng)絡可以支持超過6.5萬個節(jié)點。在室內，ZigBee網(wǎng)絡有效覆蓋距離達到10～80m。

(5)自動組網(wǎng)、自主路由。在節(jié)點損壞或能量耗盡時，可以使節(jié)點退出網(wǎng)絡且不影響剩余節(jié)點通信;若有新節(jié)點加入，可以自動搜索和獲得報文轉發(fā)路由。

1.2 ZigBee網(wǎng)絡拓撲

在ZigBee網(wǎng)絡中，有協(xié)調器、路由器、終端設備三種設備類型。協(xié)調器負責網(wǎng)絡的建立與維護;路由器負責網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的轉發(fā)，并可以拓展網(wǎng)絡的范圍;終端設備是實現(xiàn)具體功能的單元。ZigBee設備分為兩種類型：全功能設備(FFD)和簡化功能設備(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直接進行通信，而RFD只能與FFD進行通信。

ZigBee有星型、樹簇型型、網(wǎng)狀型三種網(wǎng)絡拓撲結構。星型網(wǎng)絡的各子節(jié)點之間不能通信，必須經(jīng)過協(xié)調節(jié)點轉發(fā)信息;在樹簇型網(wǎng)絡中，路由節(jié)點完成數(shù)據(jù)的路由功能，通過路由節(jié)點轉發(fā)子節(jié)點信息到協(xié)調節(jié)點;網(wǎng)狀型網(wǎng)絡的路由節(jié)點之間可以相互通信。

2 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)是在現(xiàn)有安防報警系統(tǒng)中加入ZigBee網(wǎng)絡，無線傳感網(wǎng)絡由前端傳感器、后端上位機、遠端基站組成。傳感器負責采集數(shù)據(jù)、安全信息，利用ZigBee網(wǎng)絡將這些數(shù)據(jù)和信息傳送到基站，然后經(jīng)過串口通信由基站發(fā)送到上位機，最后由上位機對數(shù)據(jù)信息進行實時監(jiān)控，并對異常情況進行聲光報警。

基于ZigBee技術的智能安防無線報警系統(tǒng)如圖1所示，它是由傳感器、ZigBee網(wǎng)絡、報警控制主機和PC控制中心組成的無線傳感器網(wǎng)絡。在系統(tǒng)前端配置紅外入侵、火焰、門磁開關等不同類型傳感器，負責采集入侵、溫度、煙霧等信號，當系統(tǒng)置于布防模式時，這些傳感器就連續(xù)不斷地進行檢測，一旦檢測到異常信號時，就通過ZigBee網(wǎng)絡將收集到的數(shù)據(jù)和報警信息傳送到報警控制主機，同時通過PC機設置和運行軟件，對相關參數(shù)狀態(tài)進行實時監(jiān)控以及顯示數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設計

安防報警系統(tǒng)的無線報警程序流程如圖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，報警主機打開警戒功能，則傳感器進入省電模式，每10s檢測紅外入侵傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳡顩r;

(3)若紅外入侵傳感器、火焰?zhèn)鞲衅魈綔y到危險情況時，經(jīng)過路由器可以向報警主機傳送報警信息，由報警主機實時處理，實現(xiàn)聲光報警;

(4)40s后，讀取I/O口接收到的門磁開關等傳感器數(shù)據(jù)，若檢測有險情時，則經(jīng)過路由向報警主機轉送報警信息，由報警主機實時處理，實現(xiàn)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 電路實例

在本系統(tǒng)設計中，實現(xiàn)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(tǒng)，集成了增強型的8051內核，結合TI Z—STACK協(xié)議棧，可以組建自己的無線通信網(wǎng)絡。無線通信GSM模塊選用西門子的TC35i，該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標準的AT命令接口，可以快速、可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中短消息與傳真服務、數(shù)據(jù)與語音傳輸。安防報警系統(tǒng)電路硬件結構圖如圖3所示。

以火焰?zhèn)鞲衅髂K為例，火焰?zhèn)鞲衅麟娐愤B接如圖4所示，圖中J1為火焰?zhèn)鞲衅髂K與CC2530單片機之間的接口，CC2530的P0_0端口從火焰?zhèn)鞲衅鞯年帢O引腳進行電壓采樣。火焰?zhèn)鞲衅鞯脑硎抢脽後岆娦?，通過目標與背景的溫差變化來探測目標，以確定火災的發(fā)生情況。當火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到火源時，其周圍溫度會明顯升高，若溫差變化大于安全閾值，則火焰?zhèn)鞲衅鞯年帢O有電壓輸出，將數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調器，同時報警。

5 結語

本系統(tǒng)通過軟硬件的設計，實現(xiàn)了基于ZigBee技術的智能無線報警系統(tǒng)。系統(tǒng)具有設計簡單、性價比高、安全可靠等優(yōu)點，可以對非法入侵、火災、燃氣泄漏等災情隱患進行實時監(jiān)控及聲光報警，為家居、小區(qū)、安防、工業(yè)等領域的安全監(jiān)控與防護提供了一種實用的解決方案，具有很好的應用與推廣價值。