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

范國娟，范國卿

（1.山東傳媒職業(yè)學(xué)院 山東 濟(jì)南 250200；2.蘇寧電器南京總部 江蘇 南京 210005）

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2.4 GHz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）、868 MHz（歐洲流行）和 915 MHz（美國流行）3 個(gè)頻段上，分別具有最高250 kbit/s、20 kbit/s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)[1]。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，而簡化功能節(jié)點(diǎn)只能作終端設(shè)備[2]。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 ZigBee network topology

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[3]。

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[4]。

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。

圖2 用戶節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖Fig.2 System block diagram of user node

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[5]。

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 circuit board）圖。

CC2430是芯片巨人TI公司收購無線單片機(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。

3.1 人體紅外監(jiān)測(cè)模塊

人體紅外監(jiān)測(cè)模塊選用的傳感器是熱釋電紅外傳感器，一般安裝在天花板上，用來監(jiān)測(cè)是否有人走動(dòng)，進(jìn)而判斷是否有小偷入室行竊。熱釋電紅外傳感器能將檢測(cè)到的人或動(dòng)物的紅外線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，其原理為：當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，即熱釋電效應(yīng)。人體都有恒定的體溫，一般在37℃左右，會(huì)發(fā)出10 μm左右特定波長的紅外線。文中使用了型號(hào)為RE200B的紅外傳感器，配合紅外熱釋電處理芯片BISS0001對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和放大處理，再加少量外接元件構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外信號(hào)處理電路。人體紅外監(jiān)測(cè)模塊的電路原理如圖3所示，CC2430的P0.1端口通過一個(gè)電阻與BISS0001芯片的第2腳VO相連。當(dāng)模塊監(jiān)測(cè)到有人體活動(dòng)的時(shí)候，VO輸出高電平，否則都為低電平。配置CC2430的P0.1口的IO外部中斷功能，有上升沿脈沖來臨的時(shí)候，外部中斷喚醒，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)發(fā)給協(xié)調(diào)器[6]。

3.2 下載器插槽

CC2430的程序必須借助特定的工具把程序從PC機(jī)上下載到CC2430的flash里面，文中使用IAR軟件編譯，編譯完成后通過仿真器連接jtag接口下載進(jìn)CC2430的flash里面。

3.3 串口電路

圖3 人體紅外監(jiān)測(cè)模塊電路原理圖Fig.3 Infrared human-body detection module circuit diagram

串口電路采用MAX3232芯片，+3.3 V供電。電路中的電容值在MAX3232芯片手冊(cè)上為0.1 μF。其中：4、5腳之間加10 nF貼片電容，2、6腳之間 2個(gè)電容值為 1 μF。

3.4 整體硬件電路如

整體硬件電路如圖4所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件開發(fā)平臺(tái)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，良好的軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要環(huán)節(jié)，也是提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)基于通用性及便于開發(fā)的考慮，移植了TI公司的Z-Stack協(xié)議棧，其主要特點(diǎn)就是其兼容性，完全支持IEEE 802.15.4/ZigBee的CC2430片上系統(tǒng)解決方案。ZStack還支持豐富的新特性，如無線下載，可通過ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（Mesh Network）下載節(jié)點(diǎn)更新。

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)選用的開發(fā)平臺(tái)是IAR集成開發(fā)平臺(tái)。IAR Embedded Workbench（簡稱EW）的C/C++交叉編譯器和調(diào)試器是當(dāng)今世界最完整的和最容易使用的專業(yè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具。

圖4 整體硬件電路圖Fig.4 Integrated hardware circuit diagram

TI/Chipcon公司在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee聯(lián)盟所推出的ZigBee2006規(guī)范的基礎(chǔ)上，發(fā)布了全功能的ZigBee2006協(xié)議棧，并通過了ZigBee聯(lián)盟的認(rèn)證。該協(xié)議棧全部用C語言編寫，免費(fèi)提供給用戶，同時(shí)向后兼容。在協(xié)議棧內(nèi)部嵌入了一個(gè)操作系統(tǒng)，用于對(duì)任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度。對(duì)于用戶而言，只需要在應(yīng)用層進(jìn)行一些設(shè)計(jì)和改動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收以及網(wǎng)絡(luò)組建功能，構(gòu)建功能完善、性能穩(wěn)定的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先在協(xié)議棧應(yīng)用層程序中添加相應(yīng)的任務(wù)，然后運(yùn)行任務(wù)即可處理。

Z-Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用事件輪循機(jī)制，當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，喚醒系統(tǒng)，開始進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式。如果同時(shí)有幾個(gè)事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級(jí)，逐次處理事件。這種軟件構(gòu)架可以極大地降級(jí)系統(tǒng)的功耗。

整個(gè)Z-stack的主要工作流程，大致分為系統(tǒng)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)初始化，OSAL初始化和啟動(dòng)，進(jìn)入任務(wù)輪循幾個(gè)階段，系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖5 Z-Stack系統(tǒng)運(yùn)行流程圖Fig.5 Flow diagram of Z-Stack syetem

4.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)視一定范圍內(nèi)的環(huán)境，接收信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和通信。其軟件部分主要包括監(jiān)測(cè)模塊數(shù)據(jù)采集程序和網(wǎng)絡(luò)通信程序。

程序設(shè)計(jì)流程圖中，首先是初始化，其中初始化Stack RAM、初始化board I/O、初始化HAL層驅(qū)動(dòng)是初始化硬件部分；初始化NV FLASH、初始化MAC層、分配64位長地址、讀取NV ITEMS、初始化OSAL是初始化軟件部分。然后設(shè)置定時(shí)器，向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送綁定請(qǐng)求，綁定成功后，啟動(dòng)定時(shí)器，設(shè)置周期為8 s，每個(gè)周期采集一次信號(hào)，然后判斷采集到的信號(hào)是否為設(shè)置的報(bào)警信號(hào)，假設(shè)是設(shè)置的信號(hào)，則選擇芯片的I/O口作為AD輸入通道，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理，將處理過的數(shù)據(jù)發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)，然后等待下一個(gè)周期繼續(xù)采集信號(hào)；假設(shè)不是設(shè)置的信號(hào)則等待下一個(gè)周期繼續(xù)采集信號(hào)。

4.3 中心節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

中心節(jié)點(diǎn)（即網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器）負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的配置和管理，另一方面還接受各傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，將其匯合整理后傳給計(jì)算機(jī)。該部分軟件主要包括設(shè)備初始化、無線數(shù)據(jù)收發(fā)和處理等程序。

中心節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)流程中，首先是初始化，分為硬件初始化和軟件初始化。然后設(shè)置定時(shí)器，接受數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)的綁定請(qǐng)求，綁定成功后，開始接收數(shù)據(jù)采集結(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過串口將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)。

中心節(jié)點(diǎn)程序：

5 結(jié) 論

文中將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于紅外防盜報(bào)警系統(tǒng)，采用無線組網(wǎng)技術(shù)，利用高性價(jià)比的CC2430芯片實(shí)現(xiàn)了無線系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)之間的相互通信；設(shè)計(jì)了采用RE200B熱釋電紅外傳感器和BISS0001芯片的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)以及采用MAX3232芯片的中心節(jié)點(diǎn)。選用IAR集成開發(fā)平臺(tái)作為系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)，分別完成數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和中心協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)。經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)預(yù)期的功能。

本系統(tǒng)只完成了基于ZigBee的無線紅外防盜報(bào)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總體框架設(shè)計(jì)和基本功能，離實(shí)用還有相當(dāng)長的距離，還需進(jìn)一步的完善和改進(jìn)，未來工作可從以下幾個(gè)方面去開展：1）系統(tǒng)功能的完善。PC機(jī)沒有接入Internet，未來工作可通過GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與外網(wǎng)通信，從而實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警系統(tǒng)與Internet的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)傳輸。2）數(shù)據(jù)融合。在控制成本的前提下，可適當(dāng)增加傳感器數(shù)量，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合處理，避免干擾因素的影響，提高精度，降低虛警率。

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