《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ZigBee協(xié)議的紅外入侵檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
南京工業(yè)大學(xué)
摘要: 在研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)及ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上,提出了一種基于ZigBee技術(shù)的紅外入侵檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該 ...
Abstract:
Key words :

      在研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)及ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上,提出了一種基于ZigBee技術(shù)的紅外入侵檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案借助ZigBee技術(shù)在短距離無(wú)線通信方面的優(yōu)勢(shì),利用Microchip公司的射頻芯片MFR24J40,采用主動(dòng)紅外入侵探測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)入侵物體的實(shí)時(shí)檢測(cè)及報(bào)警。

      近年來(lái)隨著科技的發(fā)展和人們安全防范意識(shí)的提高,基于紅外線技術(shù)的入侵檢測(cè)及報(bào)警技術(shù)已開(kāi)始應(yīng)用到防盜系統(tǒng)中[1]?,F(xiàn)有的紅外入侵檢測(cè)系統(tǒng)多采用有線技術(shù)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。這類(lèi)方案的缺點(diǎn)是擴(kuò)展性能差,布線繁瑣,當(dāng)線路老化或遭到磨損時(shí),誤報(bào)警率高。采用無(wú)線傳輸方式構(gòu)建的無(wú)線入侵檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)則可以避免這些問(wèn)題。相對(duì)而言,無(wú)線方式比較靈活,可以適應(yīng)移動(dòng)或變化的需要。但是,無(wú)線通信技術(shù)在安全領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)還是很少。

  無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是信息感知及采集技術(shù)的一場(chǎng)革命,因其具有部署靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)而在環(huán)境、事件、監(jiān)控、深水等許多方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

  ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)[2],可以嵌入各種設(shè)備中,同時(shí)支持地理定位功能。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無(wú)線通信技術(shù),ZigBee技術(shù)具有超低功耗和成本的特點(diǎn),適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù),所以ZigBee技術(shù)非常適合用在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)應(yīng)用上。

  本文在研究ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上,提出了一種基于ZigBee協(xié)議的主動(dòng)式紅外入侵檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,該方案具有比較好的擴(kuò)展性及較低的誤報(bào)警率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

  如圖1所示為一大樓平層,該層有8個(gè)監(jiān)控點(diǎn)(房間)。針對(duì)這種情況,系統(tǒng)可采用星型結(jié)構(gòu)組網(wǎng)。整個(gè)系統(tǒng)由無(wú)線紅外入侵檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、調(diào)節(jié)器節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控主機(jī)和PC機(jī)組成。其中,在每個(gè)房間安裝一個(gè)無(wú)線紅外入侵檢測(cè)節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn),對(duì)房間進(jìn)行安全監(jiān)控,并定時(shí)發(fā)送一個(gè)安全狀態(tài)信號(hào)到調(diào)節(jié)器節(jié)點(diǎn)。調(diào)節(jié)器節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)、接收終端設(shè)備(紅外入侵檢測(cè)節(jié)點(diǎn))加入網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的傳輸及轉(zhuǎn)發(fā)。測(cè)控主機(jī)也是一個(gè)終端設(shè)備,但與無(wú)線紅外入侵節(jié)點(diǎn)不同的是,它負(fù)責(zé)接收調(diào)節(jié)器發(fā)送的監(jiān)控情況并通過(guò)串口發(fā)送給PC機(jī)。在PC上可實(shí)時(shí)查看到各監(jiān)控點(diǎn)的安全狀態(tài),當(dāng)有物體入侵時(shí),立刻啟動(dòng)報(bào)警裝置并在PC機(jī)上顯示被入侵的房間號(hào),安防人員可迅速作出反應(yīng)。

      如果要監(jiān)控的是多層建筑或者是小區(qū),可采用樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng),每一層或每一棟設(shè)一個(gè)協(xié)調(diào)器,負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù),與中心協(xié)調(diào)器交換數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控主機(jī)。

2 硬件節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

       硬件節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[3]是一個(gè)關(guān)鍵。其中,終端設(shè)備(無(wú)線紅外入侵檢測(cè)節(jié)點(diǎn))與協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)類(lèi)似,但是比協(xié)調(diào)器多一個(gè)入侵檢測(cè)單元。如圖2所示,紅外檢測(cè)節(jié)點(diǎn)由四部分構(gòu)成:入侵檢測(cè)單元負(fù)責(zé)感知監(jiān)控點(diǎn)的安全狀態(tài),并通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送給微控制器;微處理器部件負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各部分的工作,進(jìn)行必要的處理、保存;無(wú)線通訊單元采用專(zhuān)用的ZigBee射頻芯片MRF24J40與其他節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù);能量供應(yīng)模塊為其他功能單元提供工作所必需的能源。

2.1 入侵檢測(cè)單元
       如圖3所示,入侵檢測(cè)單元采用主動(dòng)式紅外傳感電路,它的特點(diǎn)是誤報(bào)警率低。該單元包括紅外發(fā)射部分和紅外接收部分,發(fā)射部分采用交流方式激發(fā),用NE555組建脈沖產(chǎn)生電路,并加上一對(duì)透鏡增強(qiáng)發(fā)射距離。接收部分采用PIN光二極管負(fù)責(zé)接收紅外光并由U2將接收的微弱信號(hào)作20 000倍放大,U3是電壓比較器,參考電壓是0.8V。當(dāng)無(wú)物體入侵時(shí),紅外線被光二極管正常接收、放大、整流,并在U3正輸入管腳產(chǎn)生一個(gè)高于參考值0.8V的電壓,此時(shí)Vout輸出為高電平。當(dāng)有物體入侵時(shí),將部分或完全遮住所發(fā)射的紅外光線,此時(shí)光二極管接收的信號(hào)大幅度減弱或消失,于是U3正輸入管腳產(chǎn)生的電壓將小于參考電壓,Vout輸出為低電平,此時(shí)將產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。
 

2.2 無(wú)線發(fā)射部分
       Microchip公司的射頻芯片MRF24J40是一個(gè)針對(duì)ZigBee協(xié)議及專(zhuān)有無(wú)線協(xié)議的2.4GHz IEEE 802.15.4收發(fā)器,適用于要求低功耗和卓越射頻性能的射頻應(yīng)用。 PIC 8位單片機(jī)具有獨(dú)特的RISC結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛總線(Harvard)結(jié)構(gòu),使指令具有單字長(zhǎng)的特性,且允許指令碼的位數(shù)可多于8位。這與傳統(tǒng)的采用CISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)相比可以達(dá)到2:1的代碼壓縮,速度提高4倍?;谏鲜鎏攸c(diǎn),采用PIC 8位單片機(jī)和MRF24J40組成節(jié)點(diǎn)無(wú)線發(fā)射部分。
       如圖4所示,PIC單片機(jī)通過(guò)SPI總線和一些離散控制信號(hào)與MRF24J40相連??刂破鞒洚?dāng)SPI 主器件而MRF24J40充當(dāng)從器件??刂破鲗?shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4 MAC 層和ZigBee 協(xié)議層。它還包含了特定應(yīng)用的邏輯。它使用SPI 總線與MRF24J40收發(fā)器交互。通過(guò)較少的連線即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能。
3 軟件部分的設(shè)計(jì)
       軟件部分設(shè)計(jì)[4]的重點(diǎn)是ZigBee協(xié)議的移植及應(yīng)用。Microchip公司提供了基于ZigBee的協(xié)議棧。該協(xié)議棧有如下特點(diǎn):支持簡(jiǎn)化功能設(shè)備和協(xié)調(diào)器;在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰接表和綁定表的非易失性存儲(chǔ);支持非時(shí)隙的星型網(wǎng)絡(luò);可以在大多數(shù)PIC18系列單片機(jī)之間進(jìn)行移植?;谏鲜鎏攸c(diǎn),本系統(tǒng)采用該協(xié)議棧構(gòu)建一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)。調(diào)節(jié)器節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)、接收終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。如圖5所示,協(xié)調(diào)器通過(guò)發(fā)送NLME-NETWORK-FORMATION. request原語(yǔ)啟動(dòng)組網(wǎng),然后發(fā)送MLME-SCAN. request 原語(yǔ)開(kāi)始信道檢測(cè)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有合適可用的信道時(shí),MAC層將發(fā)送MLME-SCAN. confirm原語(yǔ)到網(wǎng)絡(luò)層,當(dāng)接收到該原語(yǔ)后,網(wǎng)絡(luò)層實(shí)體(NLME)將選擇最佳的信道來(lái)建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò),為該網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)PAN ID和邏輯地址,并將NLME-NETWORK-FORMATION. confirm 原語(yǔ)發(fā)送回應(yīng)用層。經(jīng)過(guò)這樣一個(gè)過(guò)程便建立了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。
 
 
       圖6是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主程序流程圖。當(dāng)協(xié)調(diào)器建立了一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)后,終端設(shè)備(無(wú)線紅外入侵檢測(cè)節(jié)點(diǎn))請(qǐng)求加入該網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)設(shè)備成功加入該網(wǎng)絡(luò)后,協(xié)調(diào)器定時(shí)采集各檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到有物體入侵時(shí),協(xié)調(diào)器將被入侵的監(jiān)控點(diǎn)信息(房間號(hào))傳送到監(jiān)控主機(jī),安防人員可實(shí)時(shí)查看到監(jiān)控點(diǎn)的安全情況并做出反應(yīng)。
 
 
       傳感器網(wǎng)絡(luò)是影響人類(lèi)未來(lái)生活的重要技術(shù)之一,它結(jié)合了傳感器、微控制器、射頻通訊、網(wǎng)絡(luò)等多種新的技術(shù),為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。
       本文提出了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及基于ZigBee協(xié)議的紅外入侵檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,該設(shè)計(jì)能夠減少紅外報(bào)警的誤報(bào)警率,降低施工的復(fù)雜度,并具有很好的可擴(kuò)展性,能為安全監(jiān)控提供可信的數(shù)據(jù)資料。
 
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