基于Zigbee技術(shù)的熱釋電紅外報(bào)警器設(shè)計(jì)

王 勇，于良杰，莊汝科，李小偉，孫 睿，歐陽紅晉

（山東省汽車電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，山東 濟(jì)南 250014）

在物聯(lián)網(wǎng)成為熱點(diǎn)的今天，安全報(bào)警設(shè)備也向著智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，設(shè)計(jì)便于組網(wǎng)的新型安防設(shè)備符合發(fā)展要求和市場(chǎng)需求。Zigbee作為一種低功耗、低速率的無線通訊協(xié)議，其特點(diǎn)使其能夠在智能家居、公共安全、工業(yè)監(jiān)測(cè)等眾多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域有所作為[1]；因此，將Zigbee技術(shù)應(yīng)用到紅外報(bào)警設(shè)備的設(shè)計(jì)中，能夠滿足報(bào)警設(shè)備對(duì)于低功耗以及網(wǎng)絡(luò)化的需求。熱釋電紅外傳感器制作簡單、成本低，而且性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高，在報(bào)警設(shè)備中具有較高的應(yīng)用價(jià)值?；赯igbee技術(shù)和熱釋電紅外傳感器設(shè)計(jì)的報(bào)警器，具有功耗低、安全可靠和便于組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于智能家居和其他監(jiān)控領(lǐng)域。

1 設(shè)計(jì)方案

Zigbee是基于IEEE802.11.4協(xié)議的一簇?cái)U(kuò)展集，主要針對(duì)于低成本、低功耗的射頻應(yīng)用[2]。低成本使之廣泛適用于無線監(jiān)控的方向的應(yīng)用；低功耗使之有更長的工作周期；其支持的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)有更強(qiáng)的可靠性和更廣的覆蓋范圍。報(bào)警設(shè)備普及到普通的家庭和用戶，需要低廉的成本和價(jià)格；報(bào)警設(shè)備需要很低的功耗，一般需要支持工作一年以上；報(bào)警器使用無線連接的方式，以便于安裝；報(bào)警設(shè)備需便于加入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制和遠(yuǎn)程報(bào)警。基于這些需求分析，Zigbee技術(shù)非常適合應(yīng)用于報(bào)警器的設(shè)計(jì)。

該設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。主要包括傳感器部分、信號(hào)調(diào)理部分、Zigbee網(wǎng)絡(luò)處理部分和電源管理部分。人體正常體溫37攝氏度，會(huì)發(fā)出波長為10 μm左右的紅外線，這種紅外線通過菲涅爾濾光片增強(qiáng)后聚集到熱釋電紅外傳感器上[3]，由于紅外線具有很強(qiáng)的熱效應(yīng)，熱釋電紅外傳感器將熱量變化轉(zhuǎn)化為電量的變化；產(chǎn)生的電信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電話的處理和放大，以中斷信號(hào)的形式傳遞給Zigbee處理器，處理器將報(bào)警信息處理后通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

圖1 報(bào)警器總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Alarm structure diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備的硬件主要有兩大功能部分組成，一部分為熱釋電紅外報(bào)警電路，一部分為Zigbee電路。在報(bào)警器的外殼上有一片菲涅爾透鏡，熱釋電紅外傳感器位于菲尼爾透鏡的焦點(diǎn)位置，菲尼爾透鏡使用聚乙烯塑料片制成，一般為乳白色，呈現(xiàn)半透明狀，但對(duì)于波長為10微米左右的紅外線來說是透明的[3]。本設(shè)備使用的熱釋電紅外傳感器為RE200B，RE200B采用熱釋電材料極化隨溫度變化的特性探測(cè)紅外輻射，并配合雙靈敏元互補(bǔ)方法抑制溫度變化產(chǎn)生的干擾，提高了傳感器的工作穩(wěn)定性。

人體產(chǎn)生的紅外線，通過菲尼爾透鏡聚焦到紅外傳感器RE200B上，RE200B將熱量的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送到信號(hào)處理器BISS0001中。熱釋電紅外報(bào)警電路如圖2所示。BISS0001是紅外傳感信號(hào)處理器，是由運(yùn)算放大器、電壓比較器和狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器、封鎖時(shí)間定時(shí)器及參考電壓源等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐穂4]。電信號(hào)輸入到14引腳，經(jīng)過兩級(jí)運(yùn)算放大器放大后，進(jìn)入電壓比較器，在狀態(tài)控制器和時(shí)間延時(shí)器的控制下，輸出正確的波形信號(hào)。圖中RR1、RC1所接的電容和電阻用來確定信號(hào)延遲時(shí)間，圖中參數(shù)信號(hào)延時(shí)時(shí)間大約為1 s；RR2、RC2所接的電容和電阻用來確定信號(hào)封鎖時(shí)間，圖中參數(shù)信號(hào)封鎖時(shí)間大約為5 s。這樣紅外傳感器RE200B產(chǎn)生有效電信號(hào)輸入時(shí)，BISS0001的輸出端會(huì)輸出1 s左右的高電平，并且在5 s左右的時(shí)間內(nèi)只能輸出一次。輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過后續(xù)電路的處理轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，以中斷信號(hào)的形式提供給Zigbee處理器。

圖2 熱釋電紅外報(bào)警電路Fig.2 Alarm circuit of pyroelectric infrared

本設(shè)備選用的Zigbee芯片為德州儀器公司的CC2530。CC2530是一個(gè)真正的用于 IEEE802.15.4、Zigbee和RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)，它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；CC2530集成了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的RF收發(fā)器、增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051 MCU，在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，8-KBRAM和許多其他強(qiáng)大功能[5]。CC2530部分的電路圖如圖3所示，兩個(gè)晶振32 MHz和32.768 kHZ，其中32.768 kHZ的晶振主要應(yīng)用于睡眠定時(shí)器，在實(shí)際應(yīng)用中如果不需要可以去掉以降低成本；RF端經(jīng)過處理后接收發(fā)天線，天線可以是外置天線，也可以是PCB天線，本設(shè)備設(shè)計(jì)的是倒F形狀的PCB天線，倒F天線具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、可共形、制造成本低、輻射效率高、容易實(shí)現(xiàn)多頻段工作等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用到本設(shè)備中。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖3 Zigbee CC2530分電路Fig.3 Circuit of CC2530

CC2530片上系統(tǒng)結(jié)合德州儀器公司的Zigbee協(xié)議棧，可以提供強(qiáng)大和完整的Zigbee解決方案。本設(shè)備在軟件上移植了德州儀器的zSTACK協(xié)議棧，該協(xié)議棧提供了一個(gè)名為操作系統(tǒng)抽象層OSAL的協(xié)議棧調(diào)度程序，OSAL提供任務(wù)調(diào)度、時(shí)間管理、原語通信等系統(tǒng)功能，基于OSAL可以方便完成各種軟件任務(wù)[6]。

設(shè)備的主要軟件流程如圖4所示，系統(tǒng)完成硬件等的各種初始化任務(wù)后，尋找Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的的協(xié)調(diào)器設(shè)備，將本節(jié)點(diǎn)的基本信息通知協(xié)調(diào)器，成功加入到該網(wǎng)絡(luò)；系統(tǒng)處理完各個(gè)任務(wù)后，進(jìn)入到低功耗休眠狀態(tài)，以節(jié)省電量；當(dāng)處理器接收到紅外報(bào)警信號(hào)處理器發(fā)過來的中斷信號(hào)時(shí)，結(jié)束休眠狀態(tài)進(jìn)入中斷處理程序，處理程序?qū)?bào)警信息通過射頻發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器；系統(tǒng)處理完后再次進(jìn)入到休眠狀態(tài)。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow chart

低功耗設(shè)計(jì)為軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在此重點(diǎn)介紹一下。zStakc提供了兩種sleep模式，LITE和DEEP。當(dāng)系統(tǒng)需要喚醒去執(zhí)行一些周期性的事件時(shí)，使用LITE sleep；當(dāng)系統(tǒng)沒有被定制周期事件而是通過外部中斷來喚醒設(shè)備，使用DEEP sleep。本設(shè)備的大部分時(shí)間都是處于DEEP sleep狀態(tài)，這樣才能降低功耗。實(shí)現(xiàn)低功耗的具體步驟為：在編譯選項(xiàng)中添加POWER_SAVING，開啟系統(tǒng)低功耗支持；在系統(tǒng)配置文件中關(guān)閉自動(dòng)輪詢消息功能，將DPOLL_RATE、DQUEUED_POLL_RATE、DRESPONSE_POLL_RATE 3 個(gè) 參數(shù)設(shè)置為0，并將DRFD_RCVC_ALWAYS_ON參數(shù)設(shè)置為FALSE；關(guān)閉系統(tǒng)的按鍵輪詢?nèi)蝿?wù)，確定系統(tǒng)沒有周期性的激勵(lì)事件。設(shè)置成功后，系統(tǒng)在沒有喚醒事件是就會(huì)進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)。

4 設(shè)備應(yīng)用

將本設(shè)備主要應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)中。本設(shè)備上電工作之前，應(yīng)該確定Zigbee網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建立，設(shè)備上電后會(huì)自動(dòng)加入該Zigbee網(wǎng)絡(luò)，并向網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器發(fā)送自身的設(shè)備信息，協(xié)調(diào)器保存設(shè)備信息用于管理和控制設(shè)備；該報(bào)警設(shè)備可以覆蓋周圍角度120度、范圍4～10 m的空間，當(dāng)設(shè)備處于布防狀態(tài)時(shí)，如果有人體進(jìn)入布防空間報(bào)警器會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并上報(bào)；報(bào)警器設(shè)備采用兩節(jié)5號(hào)干電池供電，設(shè)備在休眠狀態(tài)的電流消耗僅為10 μA，可以正常工作一年以上的時(shí)間。

本設(shè)備在實(shí)際時(shí)，要符合安裝要求。一般應(yīng)安裝在離地面2 m左右的位置；設(shè)備應(yīng)遠(yuǎn)離空調(diào)、射燈等空氣溫度變化敏感的地方；避免有大型遮擋物和正對(duì)窗口；避免陽光照射。符合安裝條件的設(shè)備，可以達(dá)到最佳檢測(cè)效果。

5 結(jié) 論

本熱釋電紅外防盜報(bào)警器基于Zigbee技術(shù)，在硬件上選用德州儀器的CC2530片上系統(tǒng)作為解決方案，在軟件設(shè)計(jì)上移植了zSTACK協(xié)議棧，提供了完整的Zigbee網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。該報(bào)警器已經(jīng)通過測(cè)試，實(shí)際應(yīng)用中表明該報(bào)警器具有功耗低、靈敏度高、便于組網(wǎng)[7]、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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