作者：范國娟，范國卿

    目前報警系統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、器件成本低等優點，適用于新建且可以在墻壁內預留連接線的建筑物，但是其機動性差、不便適應用戶及產品的多變要求，對預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裝修，具有靈活、簡潔的優點，需求日益擴大，越來越得到用戶的認可，是發展趨勢，但是容易受到干擾，傳輸穩定性和抗干擾性存在不足，價格較高。

    作為防盜報警的關鍵產品，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來組建防盜報警網絡，不僅解決了傳統有線網絡系統布線難、成本高以及不易擴展等問題，而且ZigBee技術能基本解決現有無線報警系統存在的一些問題：

    1)誤報警問題：調查表明，報警器誤報警率高是讓用戶放棄使用的最主要原因。現有的無線報警系統很容易受到來自供電網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芯片，發射功率僅為1 mW，再加上芯片工作周期短，而且采用了休眠模式，所以收發信息功耗較低。

1 ZigBee技術

    作為一種新興的無線網絡技術，ZigBee的基礎是IEEE無線個人區域網工作組的一項標準，被成為IEEE802．15．4技術標準。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。可工作在2．4 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的范圍內進行傳輸，但是范圍也是可以擴展的。

    在ZigBee網絡中，節點無須經過中央交換機節點便可以相互通信，并具備了自愈和自我組織功能。任意節點癱瘓或者被敵方俘獲，其他節點可以選擇其他路由。而新的節點經上電之后，就能收聽鄰近節點，只要滿足接入標準，就可以加入網絡。IEEE．802．15．4和ZigBee協議中定義了3種類型的拓撲結構：星型網絡、樹狀網絡和網狀網絡，如圖1所示。無論哪種拓撲結構，每個獨立的網絡均有一個唯一的標識符即網絡號(PAN標識符)。根據標識符，各個網絡設備之間就可以確定其從屬關系并進行通信。每個網絡中都有一個唯一的協調器，它相當于有線局域網中的服務器，具有對本網絡的管理功能，它負責發起和建立整個網絡，加入網絡的終端設備分布在PAN協調器的覆蓋范圍內，與PAN協調器進行直接通信。網絡中的全功能節點可以做路由器、協調器和終端，而簡化功能節點只能作終端設備。


    ZigBee無線網絡的實現，是建立在ZigBee協議棧的基礎上的。ZigBee協議棧是建立在OSI(Open System Interconnect，開放系統互聯)基本參考模型的基礎上的，是OSI七層模型的精簡網絡模型。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；ZigBee聯盟在此基礎上定義了網絡層(NWK)和應用層(APL)，建立在PHY和MAC層之上，并且完全與硬件無關。分層的結構脈絡清晰、一目了然，給設計和調試帶來極大的方便。ZigBee標準使用IEEE802．15．4的物理層和MAC層協議作為ZigBee協議棧的一部分，并自己定義了網絡層、應用層和安全協議，因此任何ZigBee設備和IEEE標準都是兼容的。



2 系統的整體框架

    筆者設計的無線紅外防盜報警系統網絡采用星型網絡拓撲結構，主要由服務器、路由器和若干個終端信息采集節點組成。



    用戶端報警節點主要包括兩部分：探測器和報警主機，結構如圖2所示。每個監控區域都可進行移動人體的探測，報警主機可進行現場聲光報警。這樣一個星型網絡報警系統，可在一個ZigBee結點上集成紅外信息，形成一個無線紅外防盜報警系統。另外，本系統具有聯網能力，利用ZigBee路由設備可以無線連接到值班室的服務器上。

    系統主要功能包括：

    1)紅外探測器快速準確地檢測到異常狀態，經確認后無線發送給主機；

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

    3)報警主機上的ZigBee無線模塊通過區域內布設的ZigBee路由設備將數據無線傳送到值班室的服務器，ZigBee路由設備就是網絡中具備路由功能的ZigBee協調設備；

    4)值班人員可以通過監控軟件進行區域安全的監控，一旦報警，監控軟件上將顯示報警地點，及時處理突發事件。



3 系統硬件設計

    在基于ZigBee的無線紅外防盜報警系統中，眾多傳感器節點是整個網絡的基礎。本節的主要內容是設計其中單個節點的硬件結構并畫出電路圖。

    在硬件確定過程中，首先確定節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的設計的支持ZigBee協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據手冊，設計出原理圖，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的基礎上綁定了ZigBee協議棧，具有128 kB可編程閃存和8 kB的RAM和其他一些功能，在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。
3．1 人體紅外監測模塊

    人體紅外監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，在晶體兩端會產生數量相等而符號相反的電荷，即熱釋電效應。人體都有恒定的體溫，一般在37℃左右，會發出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成被動式的熱釋電紅外信號處理電路。人體紅外監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，進行相應的數據處理，并將數據發給協調器。



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 軟件設計

4．1 軟件開發平臺

    系統軟件設計是在硬件設計的基礎上進行的，良好的軟件設計是實現系統功能的重要環節，也是提高系統性能的關鍵所在。節點設計基于通用性及便于開發的考慮，移植了TI公司的Z-Stack協議棧，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網狀網絡(Mesh Network)下載節點更新。

    本系統軟件設計選用的開發平臺是IAR集成開發平臺。IAR Embedded Workbench(簡稱EW)的C／C++交叉編譯器和調試器是當今世界最完整的和最容易使用的專業嵌入式應用開發上具。

    TI／Chipcon公司在IEEE 802．15．4標準和ZigBee聯盟所推出的ZigBee2006規范的基礎上，發布了全功能的ZigBee2006協議棧，并通過了ZigBee聯盟的認證。該協議棧全部用C語言編寫，免費提供給用戶，同時向后兼容。在協議棧內部嵌入了一個操作系統，用于對任務進行統一的調度。對于用戶而言，只需要在應用層進行一些設計和改動，即可實現數據的發送、接收以及網絡組建功能，構建功能完善、性能穩定的ZigBee無線網絡。進行程序設計時，首先在協議棧應用層程序中添加相應的任務，然后運行任務即可處理。

    Z-Stack采用操作系統的思想來構建，采用事件輪循機制，當各層初始化之后，系統進入低功耗模式，當事件發生時，喚醒系統，開始進入中斷處理事件，結束后繼續進入低功耗模式。如果同時有幾個事件發生，判斷優先級，逐次處理事件。這種軟件構架可以極大地降級系統的功耗。

    整個Z-stack的主要工作流程，大致分為系統啟動，驅動初始化，OSAL初始化和啟動，進入任務輪循幾個階段，系統流程圖如圖5所示。


4．2 數據采集節點的設計

    數據采集節點負責監視一定范圍內的環境，接收信號，并進行數據處理和通信。其軟件部分主要包括監測模塊數據采集程序和網絡通信程序。

    程序設計流程圖中，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。然后設置定時器，向中心節點發送綁定請求，綁定成功后，啟動定時器，設置周期為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置的報警信號，假設是設旨的信號，則選擇芯片的I／O口作為AD輸入通道，進行AD轉換和數據處理，將處理過的數據發送給中心節點，然后等待下一個周期繼續采集信號；假設不是設置的信號則等待下一個周期繼續采集信號。

4．3 中心節點的設計

    中心節點(即網絡協調器)負責網絡的配置和管理，另一方面還接受各傳感器節點發來的數據，將其匯合整理后傳給計算機。該部分軟件主要包括設備初始化、無線數據收發和處理等程序。

    中心節點的程序設計流程中，首先是初始化，分為硬件初始化和軟件初始化。然后設置定時器，接受數據采集終端節點的綁定請求，綁定成功后，開始接收數據采集結點發送來的數據，并對數據進行處理，通過串口將處理好的數據發送至主機。

    中心節點程序：





5 結論

    文中將ZigBee技術應用于紅外防盜報警系統，采用無線組網技術，利用高性價比的CC2430芯片實現了無線系統中節點之間的相互通信；設計了采用RE200B熱釋電紅外傳感器和BISS0001芯片的數據采集節點以及采用MAX3232芯片的中心節點。選用IAR集成開發平臺作為系統軟件開發平臺，分別完成數據采集節點和中心協調器節點的程序設計。經過對系統的測試，驗證了系統預期的功能。

    本系統只完成了基于ZigBee的無線紅外防盜報警系統網絡總體框架設計和基本功能，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)系統功能的完善。PC機沒有接入Internet，未來工作可通過GSM網絡實現與外網通信，從而實現防盜報警系統與Internet的互聯，實現聯網傳輸。2)數據融合。在控制成本的前提下，可適當增加傳感器數量，通過多傳感器數據融合處理，避免干擾因素的影響，提高精度，降低虛警率。