一種基于ZigBee技術(shù)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(luò)技術(shù)的進(jìn)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(shù)，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(shù)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(luò)層和應(yīng)用層等組成。它的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，但I(xiàn)EEE僅制定了網(wǎng)絡(luò)層以下協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善和擴展，對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和應(yīng)用層進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，制定了上層協(xié)議規(guī)范，并負(fù)責(zé)高層應(yīng)用、測試和市場推廣等方面的工作。ZigBee技術(shù)是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)之間的技術(shù)方案，是一種低速率、自組網(wǎng)的雙向無線通訊技術(shù)，主要用于近距離無線連接，適合應(yīng)用于自動控制和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，可以嵌入各類設(shè)備。ZigBee技術(shù)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(rèn)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(wù)預(yù)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(yīng)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(shè)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(yīng)用，適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

(4)容量大。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可支持255個設(shè)備，如果通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，則一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以支持超過6.5萬個節(jié)點。在室內(nèi)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋距離達(dá)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(luò)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(zhuǎn)發(fā)路由。

1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，有協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備三種設(shè)備類型。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立與維護;路由器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，并可以拓展網(wǎng)絡(luò)的范圍;終端設(shè)備是實現(xiàn)具體功能的單元。ZigBee設(shè)備分為兩種類型：全功能設(shè)備(FFD)和簡化功能設(shè)備(RFD)，其中協(xié)調(diào)器和路由器必須是FFD，終端設(shè)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、樹簇型型、網(wǎng)狀型三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)的各子節(jié)點之間不能通信，必須經(jīng)過協(xié)調(diào)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息;在樹簇型網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)發(fā)子節(jié)點信息到協(xié)調(diào)節(jié)點;網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點之間可以相互通信。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)是在現(xiàn)有安防報警系統(tǒng)中加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)由前端傳感器、后端上位機、遠(yuǎn)端基站組成。傳感器負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)、安全信息，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行實時監(jiān)控，并對異常情況進(jìn)行聲光報警。

基于ZigBee技術(shù)的智能安防無線報警系統(tǒng)如圖1所示，它是由傳感器、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、報警控制主機和PC控制中心組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在系統(tǒng)前端配置紅外入侵、火焰、門磁開關(guān)等不同類型傳感器，負(fù)責(zé)采集入侵、溫度、煙霧等信號，當(dāng)系統(tǒng)置于布防模式時，這些傳感器就連續(xù)不斷地進(jìn)行檢測，一旦檢測到異常信號時，就通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(shè)置和運行軟件，對相關(guān)參數(shù)狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控以及顯示數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)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(shè)定路由后，報警主機打開警戒功能，則傳感器進(jìn)入省電模式，每10s檢測紅外入侵傳感器、火焰?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(guān)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(zhuǎn)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(shè)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(nèi)核，結(jié)合TI Z—STACK協(xié)議棧，可以組建自己的無線通信網(wǎng)絡(luò)。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(biāo)準(zhǔn)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(wù)、數(shù)據(jù)與語音傳輸。安防報警系統(tǒng)電路硬件結(jié)構(gòu)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(jìn)行電壓采樣?；鹧?zhèn)鞲衅鞯脑硎抢脽後岆娦?yīng)，通過目標(biāo)與背景的溫差變化來探測目標(biāo)，以確定火災(zāi)的發(fā)生情況。當(dāng)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(diào)器，同時報警。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)通過軟硬件的設(shè)計，實現(xiàn)了基于ZigBee技術(shù)的智能無線報警系統(tǒng)。系統(tǒng)具有設(shè)計簡單、性價比高、安全可靠等優(yōu)點，可以對非法入侵、火災(zāi)、燃?xì)庑孤┑葹?zāi)情隱患進(jìn)行實時監(jiān)控及聲光報警，為家居、小區(qū)、安防、工業(yè)等領(lǐng)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(yīng)用與推廣價值。