作者：范國娟，范國卿

    目前報警系統(tǒng)的信號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、器件成本低等優(yōu)點，適用于新建且可以在墻壁內(nèi)預(yù)留連接線的建筑物，但是其機動性差、不便適應(yīng)用戶及產(chǎn)品的多變要求，對預(yù)留連接線的維護及更換難度高、費用大；無線方式可避免探頭與主機之間的連接線影響室內(nèi)裝修，具有靈活、簡潔的優(yōu)點，需求日益擴大，越來越得到用戶的認可，是發(fā)展趨勢，但是容易受到干擾，傳輸穩(wěn)定性和抗干擾性存在不足，價格較高。

    作為防盜報警的關(guān)鍵產(chǎn)品，被動紅外探測器的無線化也逐漸成為一種趨勢。但是由于以下兩方面的原因，紅外探測無線報警系統(tǒng)虛警率較高：1)紅外探測器性能參差不齊；2)報警信號的無線傳輸容易受到干擾，引起主機誤報警。

    因此，低功耗、低成本、低速率的短距離無線通信新標準ZigBee來組建防盜報警網(wǎng)絡(luò)，不僅解決了傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)布線難、成本高以及不易擴展等問題，而且ZigBee技術(shù)能基本解決現(xiàn)有無線報警系統(tǒng)存在的一些問題：

    1)誤報警問題：調(diào)查表明，報警器誤報警率高是讓用戶放棄使用的最主要原因。現(xiàn)有的無線報警系統(tǒng)很容易受到來自供電網(wǎng)中和空中的高頻干擾信號。為了避免在2.4GHz公用頻段的干擾，ZigBee采用了直接序列擴頻技術(shù)保證信號傳輸；

    2)使用成本問題：報警器長期使用的電費是個問題，為了達到在停電或竊賊作案前人為地斷電后報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無線個人區(qū)域網(wǎng)工作組的一項標準，被成為IEEE802．15．4技術(shù)標準。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)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用?？晒ぷ髟?．4 GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3個頻段上，分別具有最高250 kbit／s、20 kbids和40 kbit／s的傳輸速

率，它一般在10～75 m的范圍內(nèi)進行傳輸，但是范圍也是可以擴展的。

    在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點無須經(jīng)過中央交換機節(jié)點便可以相互通信，并具備了自愈和自我組織功能。任意節(jié)點癱瘓或者被敵方俘獲，其他節(jié)點可以選擇其他路由。而新的節(jié)點經(jīng)上電之后，就能收聽鄰近節(jié)點，只要滿足接入標準，就可以加入網(wǎng)絡(luò)。IEEE．802．15．4和ZigBee協(xié)議中定義了3種類型的拓撲結(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。無論哪種拓撲結(jié)構(gòu)，每個獨立的網(wǎng)絡(luò)均有一個唯一的標識符即網(wǎng)絡(luò)號(PAN標識符)。根據(jù)標識符，各個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間就可以確定其從屬關(guān)系并進行通信。每個網(wǎng)絡(luò)中都有一個唯一的協(xié)調(diào)器，它相當于有線局域網(wǎng)中的服務(wù)器，具有對本網(wǎng)絡(luò)的管理功能，它負責發(fā)起和建立整個網(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)器進行直接通信。網(wǎng)絡(luò)中的全功能節(jié)點可以做路由器、協(xié)調(diào)器和終端，而簡化功能節(jié)點只能作終端設(shè)備。


    ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的實現(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)計和調(diào)試帶來極大的方便。ZigBee標準使用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標準都是兼容的。



2 系統(tǒng)的整體框架

    筆者設(shè)計的無線紅外防盜報警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，主要由服務(wù)器、路由器和若干個終端信息采集節(jié)點組成。



    用戶端報警節(jié)點主要包括兩部分：探測器和報警主機，結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個監(jiān)控區(qū)域都可進行移動人體的探測，報警主機可進行現(xiàn)場聲光報警。這樣一個星型網(wǎng)絡(luò)報警系統(tǒng)，可在一個ZigBee結(jié)點上集成紅外信息，形成一個無線紅外防盜報警系統(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。

    系統(tǒng)主要功能包括：

    1)紅外探測器快速準確地檢測到異常狀態(tài)，經(jīng)確認后無線發(fā)送給主機；

    2)主機接收到信號后進行識別，現(xiàn)場立刻發(fā)出警報(聲光報警或其他方式)并在顯示屏上顯示報警防區(qū)和警情；

    3)報警主機上的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)控軟件進行區(qū)域安全的監(jiān)控，一旦報警，監(jiān)控軟件上將顯示報警地點，及時處理突發(fā)事件。



3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

    在基于ZigBee的無線紅外防盜報警系統(tǒng)中，眾多傳感器節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。本節(jié)的主要內(nèi)容是設(shè)計其中單個節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)并畫出電路圖。

    在硬件確定過程中，首先確定節(jié)點采集人體紅外線的熱釋電紅外傳感器型號，第2步確定用來完成系統(tǒng)的設(shè)計的支持ZigBee協(xié)議的芯片的具體型號，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，設(shè)計出原理圖，并畫出PCB(Printed cireuit board)圖。

    CC2430是芯片巨人TI公司收購無線單片機公司CHIPCON后推出的全新概念新一代ZigBee無線單片機系列芯片。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)測模塊

    人體紅外監(jiān)測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)測是否有人走動，進而判斷是否有小偷入室行竊。熱釋電紅外傳感器能將檢測到的人或動物的紅外線轉(zhuǎn)換成電信號輸出，其原理為：當一些晶體受熱時，在晶體兩端會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷，即熱釋電效應(yīng)。人體都有恒定的體溫，一般在37℃左右，會發(fā)出10μm左右特定波長的紅外線。文中使用了型號為RE200B的紅外傳感器，配合紅外熱釋電處理芯片BISS0001對信號進行采集和放大處理，再加少量外接元件構(gòu)成被動式的熱釋電紅外信號處理電路。人體紅外監(jiān)測模塊的電路原理如圖3所示，CC2430的P0．1端口通過一個電阻與BISS0001芯片的第2腳VO相連。當模塊監(jiān)測到有人體活動的時候，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候，外部中斷喚醒，進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)發(fā)給協(xié)調(diào)器。



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CC2430的flash里面。

3．3 串口電路

    串口電路采用MAX3232芯片，+3．3 V供電。電路中的電容值在MAX3232芯片手冊上為0．1μF。其中：4、5腳之間加10 nF貼片電容，2、6腳之間2個電容值為1μF。

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

4．1 軟件開發(fā)平臺

    系統(tǒng)軟件設(shè)計是在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上進行的，良好的軟件設(shè)計是實現(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)點設(shè)計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。Z-Stack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)點更新。

    本系統(tǒng)軟件設(shè)計選用的開發(fā)平臺是IAR集成開發(fā)平臺。IAR Embedded Workbench(簡稱EW)的C／C++交叉編譯器和調(diào)試器是當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)上具。

    TI／Chipcon公司在IEEE 802．15．4標準和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)盟的認證。該協(xié)議棧全部用C語言編寫，免費提供給用戶，同時向后兼容。在協(xié)議棧內(nèi)部嵌入了一個操作系統(tǒng)，用于對任務(wù)進行統(tǒng)一的調(diào)度。對于用戶而言，只需要在應(yīng)用層進行一些設(shè)計和改動，即可實現(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)。進行程序設(shè)計時，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，采用事件輪循機制，當各層初始化之后，系統(tǒng)進入低功耗模式，當事件發(fā)生時，喚醒系統(tǒng)，開始進入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進入低功耗模式。如果同時有幾個事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級，逐次處理事件。這種軟件構(gòu)架可以極大地降級系統(tǒng)的功耗。

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


4．2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點的設(shè)計

    數(shù)據(jù)采集節(jié)點負責監(jiān)視一定范圍內(nèi)的環(huán)境，接收信號，并進行數(shù)據(jù)處理和通信。其軟件部分主要包括監(jiān)測模塊數(shù)據(jù)采集程序和網(wǎng)絡(luò)通信程序。

    程序設(shè)計流程圖中，首先是初始化，其中初始化StackRAM、初始化board I／O、初始化HAL層驅(qū)動是初始化硬件部分：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)置定時器，向中心節(jié)點發(fā)送綁定請求，綁定成功后，啟動定時器，設(shè)置周期為8 s，每個周期采集一次信號，然后判斷采集到的信號是否為設(shè)置的報警信號，假設(shè)是設(shè)旨的信號，則選擇芯片的I／O口作為AD輸入通道，進行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，然后等待下一個周期繼續(xù)采集信號；假設(shè)不是設(shè)置的信號則等待下一個周期繼續(xù)采集信號。

4．3 中心節(jié)點的設(shè)計

    中心節(jié)點(即網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器)負責網(wǎng)絡(luò)的配置和管理，另一方面還接受各傳感器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，將其匯合整理后傳給計算機。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)點的程序設(shè)計流程中，首先是初始化，分為硬件初始化和軟件初始化。然后設(shè)置定時器，接受數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點的綁定請求，綁定成功后，開始接收數(shù)據(jù)采集結(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理，通過串口將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送至主機。

    中心節(jié)點程序：





5 結(jié)論

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

    本系統(tǒng)只完成了基于ZigBee的無線紅外防盜報警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)總體框架設(shè)計和基本功能，離實用還有相當長的距離，還需進一步的完善和改進，未來工作可從以下幾個方面去開展：1)系統(tǒng)功能的完善。PC機沒有接入Internet，未來工作可通過GSM網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與外網(wǎng)通信，從而實現(xiàn)防盜報警系統(tǒng)與Internet的互聯(lián)，實現(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。