ZigBee網(wǎng)絡(luò)在機(jī)場圍界入侵報(bào)警系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

[摘 要]安全是機(jī)場發(fā)展永恒的第一主題，是一切發(fā)展的前提，機(jī)場圍界是保障飛行區(qū)飛行器等安全的重要屏障，當(dāng)有非法入侵時進(jìn)行報(bào)警并進(jìn)行及時處理。本文旨在闡述ZigBee網(wǎng)絡(luò)在機(jī)場圍界入侵報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用，對ZigBee網(wǎng)絡(luò)在機(jī)場圍界入侵報(bào)警系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中的組網(wǎng)方式進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，同時進(jìn)行了基于CC2530的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)。

[關(guān)鍵詞]ZigBee 機(jī)場圍界 入侵報(bào)警 設(shè)計(jì)

引言

近年來航空客流量逐步加大，為了保證機(jī)場安全運(yùn)行，我國許多大中型機(jī)場都提升了安全防范等級，安裝了機(jī)場圍界入侵報(bào)警系統(tǒng)。入侵報(bào)警系統(tǒng)由前端探測器、報(bào)警信號傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控平臺等組成。探測器的功能主要是探測是否有人入侵機(jī)場圍界，當(dāng)有人入侵時探測器將報(bào)警信號通過信號傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺。

探測器的種類有很多，機(jī)場目前用到的有震動電纜、震動光纜、張力圍欄、激光對射器、泄露電纜等，無論是采用哪種設(shè)備，它們都需要把探測到的入侵報(bào)警信號通過信號傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控平臺，這樣監(jiān)控平臺才能反應(yīng)前端設(shè)備的狀態(tài)。目前大部分信號傳輸網(wǎng)絡(luò)都采用的是485總線或者CAN總線，都屬于有線通信網(wǎng)絡(luò)。機(jī)場圍界長度從幾公里到幾十公里，這種情況下采用有線通信方式，通信線纜是一筆敖貴的開銷，而且也增加了施工的復(fù)雜程度。本文提出了一種基于Zigbee技術(shù)的無線信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，即降低了成本又減小了施工難度。

一、ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。

（1）ZigBee協(xié)議棧

ZigBee 協(xié)議結(jié)構(gòu)采用OSI 七層模型，在這個基礎(chǔ)上可根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際需要定義。ZigBee通訊基礎(chǔ)是IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）的標(biāo)準(zhǔn)；ZigBee 聯(lián)盟則定義了ZigBee 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）和安全服務(wù)規(guī)范。

（2）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型

ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備類型分為兩種：全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)（FFD）和精簡功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)（RFD）。全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)可擔(dān)任三種網(wǎng)絡(luò)角色：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)路由器或網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)。全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)可以和精簡功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊也可以和其它全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。精簡功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)只能和全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。精簡功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)只能作為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)。其主要是為了那些功能非常簡單，通信數(shù)據(jù)量小，每次只需和全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊的應(yīng)用。精簡功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)只需最小的資源和存儲容量。

（3）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星型、樹型和網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對于星型網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)由一個全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、初始化及維護(hù)，其它全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)和精簡功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)將直接與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通訊。對于樹型或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)由一個全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)建立、初始化和設(shè)置網(wǎng)絡(luò)，但網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展由全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)擔(dān)任的路由器設(shè)備負(fù)責(zé)。

（4）技術(shù)特點(diǎn)

ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展。

ZigBee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展。傳輸速率每秒250kbps，安全可靠，提供了數(shù)據(jù)完整性檢查及鑒權(quán)功能， 加密算法采用AES-128， 具體應(yīng)用可靈活確定采用何種安全機(jī)制。

與CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價格低的特點(diǎn)。而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每片ZigBee芯片售價約1至2美元。

二、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

機(jī)場圍界入侵報(bào)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee無線信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，信息傳輸網(wǎng)絡(luò)由報(bào)警探測器配備的ZigBee基站組成，在這個網(wǎng)絡(luò)里所有的ZigBee節(jié)點(diǎn)都是全功能節(jié)點(diǎn)，它們同時起到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、網(wǎng)絡(luò)路由和網(wǎng)絡(luò)終端的作用。ZigBee基站和報(bào)警探測器之接通過TTL電平USART連接，報(bào)警探測器將信息通過USART發(fā)送到ZigBee基站，再由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)關(guān)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)的信息傳送到機(jī)場內(nèi)部有線網(wǎng)上，最后傳送到報(bào)警監(jiān)控平臺。

三、基于CC2530的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

（1）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)無線通信模塊采用CC2530 芯片外加射頻前端放大電路CC2591，用來放大輸出功率，大大簡化了射頻電路的設(shè)計(jì)。兩個LED狀態(tài)顯示燈用來顯示通信模塊的工作以及通信狀態(tài)，有線通信接口采用TTL電平USART接口，和報(bào)警探測器做通信。

（2）主要芯片性能

CC2530是德州儀器（TI）日前推出的完整的用于2.4GHz IEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee 的第二代片上系統(tǒng)解決方案。它結(jié)合了高性能的2.4GHz直接序列擴(kuò)頻射頻收發(fā)器和一個高性能低功耗的8051 微控制器，用于搭建功能健全價格低廉的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

CC2591 是TI 公司推出的一款高性能、低成本的RF 前端模塊，集成了開關(guān)、電感器、平衡/不平衡網(wǎng)絡(luò)、匹配網(wǎng)絡(luò)、PA 功率放大器等功能?？蓪⑤敵龉β侍岣?22dBm，接收靈敏度提高+6dB。CC2591 可與TI 公司的所有2.4GHzRF 收發(fā)器直接連接，大大改善了RF 性能，用極少的外圍電路實(shí)現(xiàn)高輸出功率。

（3）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電路圖主要由CC2530以及外圍電路組成，如圖5所示。晶體Y2和電容C4、C5組成震蕩電路，為CC2530的51內(nèi)核提供始終電路。LED指示燈D1、D2是？ZigBee通信狀態(tài)指示等。數(shù)字IO口P0_0-P0_4連接射頻功率放大模塊的數(shù)字接口，CC2530的天線端連接CC2530的模擬接口，通過信號放大后ZigBee的通信距離從75米擴(kuò)大到了將近1km。

四、結(jié)束語

本文是筆者對ZigBee網(wǎng)絡(luò)在機(jī)場圍界報(bào)警系統(tǒng)中應(yīng)用的設(shè)計(jì)方案的拙見，在介紹ZigBee網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，以CC2530 模塊為硬件基礎(chǔ)，外加CC2591 功放模塊，進(jìn)行ZigBee通信模塊的設(shè)計(jì)。如何完善機(jī)場圍界的安全需全民航工作者的共同努力，歡迎閱提出寶貴的意見和建議。

參考文獻(xiàn)：

[1] IEEE Std 802.15.4-2003. Wireless Medium Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY）Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks （LR-WPANs）[S]. New York，USA：The Institute of Electrical and Electronics Engineers， Inc.， 2003.5.

[2] ZigBee-Specification V1.0[Z]. USA：ZigBee Alliance， Inc.， 2005.6.

[3] SWRS081B –APRIL 2009–REVISED FEBRUARY 2011.

作者簡介： 張娟（1975年），女，北京市人，2010年畢業(yè)于中國民航大學(xué)交通運(yùn)輸工程專業(yè)，碩士研究生，工程師，從事民航機(jī)場工程項(xiàng)目管理工作。