基于ZigBee協(xié)議的紅外入侵檢測系統(tǒng)的設計

基于ZigBee協(xié)議的紅外入侵檢測系統(tǒng)的設計

在研究無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）及ZigBee協(xié)議的基礎上，提出了一種基于ZigBee技術的紅外入侵檢測系統(tǒng)的設計方案。該方案借助ZigBee技術在短距離無線通信方面的優(yōu)勢，利用Microchip公司的射頻芯片MFR24J40，采用主動紅外入侵探測裝置實現(xiàn)了對入侵物體的實時檢測及報警。

????? 近年來隨著科技的發(fā)展和人們安全防范意識的提高，基于紅外線技術的入侵檢測及報警技術已開始應用到防盜系統(tǒng)中[1]?，F(xiàn)有的紅外入侵檢測系統(tǒng)多采用有線技術進行聯(lián)網(wǎng)。這類方案的缺點是擴展性能差，布線繁瑣，當線路老化或遭到磨損時，誤報警率高。采用無線傳輸方式構(gòu)建的無線入侵檢測網(wǎng)絡則可以避免這些問題。相對而言，無線方式比較靈活，可以適應移動或變化的需要。但是，無線通信技術在安全領域的應用相對還是很少。

　　無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）是信息感知及采集技術的一場革命，因其具有部署靈活、維護簡單等特點而在環(huán)境、事件、監(jiān)控、深水等許多方面有著廣泛的應用前景。

　　ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術[2]，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術，ZigBee技術具有超低功耗和成本的特點,適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務，所以ZigBee技術非常適合用在無線傳感器網(wǎng)絡的相關應用上。

　　本文在研究ZigBee協(xié)議的基礎上，提出了一種基于ZigBee協(xié)議的主動式紅外入侵檢測系統(tǒng)的設計方案，該方案具有比較好的擴展性及較低的誤報警率。

1 系統(tǒng)設計方案

　　如圖1所示為一大樓平層，該層有8個監(jiān)控點（房間）。針對這種情況，系統(tǒng)可采用星型結(jié)構(gòu)組網(wǎng)。整個系統(tǒng)由無線紅外入侵檢測節(jié)點、調(diào)節(jié)器節(jié)點、監(jiān)控主機和PC機組成。其中，在每個房間安裝一個無線紅外入侵檢測節(jié)點作為終端節(jié)點，對房間進行安全監(jiān)控，并定時發(fā)送一個安全狀態(tài)信號到調(diào)節(jié)器節(jié)點。調(diào)節(jié)器節(jié)點作為整個網(wǎng)絡的中心節(jié)點，負責組建網(wǎng)絡、接收終端設備（紅外入侵檢測節(jié)點）加入網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)的傳輸及轉(zhuǎn)發(fā)。測控主機也是一個終端設備，但與無線紅外入侵節(jié)點不同的是，它負責接收調(diào)節(jié)器發(fā)送的監(jiān)控情況并通過串口發(fā)送給PC機。在PC上可實時查看到各監(jiān)控點的安全狀態(tài)，當有物體入侵時，立刻啟動報警裝置并在PC機上顯示被入侵的房間號，安防人員可迅速作出反應。

????? 如果要監(jiān)控的是多層建筑或者是小區(qū)，可采用樹形拓撲結(jié)構(gòu)進行組網(wǎng)，每一層或每一棟設一個協(xié)調(diào)器，負責收集數(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。

2 硬件節(jié)點的設計

??? 硬件節(jié)點的設計[3]是一個關鍵。其中，終端設備（無線紅外入侵檢測節(jié)點）與協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)類似，但是比協(xié)調(diào)器多一個入侵檢測單元。如圖2所示，紅外檢測節(jié)點由四部分構(gòu)成：入侵檢測單元負責感知監(jiān)控點的安全狀態(tài)，并通過AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送給微控制器；微處理器部件負責協(xié)調(diào)節(jié)點各部分的工作，進行必要的處理、保存；無線通訊單元采用專用的ZigBee射頻芯片MRF24J40與其他節(jié)點交換數(shù)據(jù)；能量供應模塊為其他功能單元提供工作所必需的能源。

　　2.1 入侵檢測單元

　　如圖3所示，入侵檢測單元采用主動式紅外傳感電路，它的特點是誤報警率低。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，并加上一對透鏡增強發(fā)射距離。接收部分采用PIN光二極管負責接收紅外光并由U2將接收的微弱信號作20 000倍放大，U3是電壓比較器，參考電壓是0.8V。當無物體入侵時，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)生一個高于參考值0.8V的電壓，此時Vout輸出為高電平。當有物體入侵時，將部分或完全遮住所發(fā)射的紅外光線，此時光二極管接收的信號大幅度減弱或消失，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，此時將產(chǎn)生報警信號。

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????? 2.2 無線發(fā)射部分

　　Microchip公司的射頻芯片MRF24J40是一個針對ZigBee協(xié)議及專有無線協(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用。 PIC 8位單片機具有獨特的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位單片機相比可以達到2:1的代碼壓縮，速度提高4倍?；谏鲜鎏攸c，采用PIC 8位單片機和MRF24J40組成節(jié)點無線發(fā)射部分。

?如圖4所示，PIC單片機通過SPI總線和一些離散控制信號與MRF24J40相連。控制器充當SPI 主器件而MRF24J40充當從器件。控制器實現(xiàn)了IEEE 802.15.4 MAC 層和ZigBee 協(xié)議層。它還包含了特定應用的邏輯。它使用SPI 總線與MRF24J40收發(fā)器交互。通過較少的連線即可實現(xiàn)無線通信功能。

3 軟件部分的設計

　　軟件部分設計[4]的重點是ZigBee協(xié)議的移植及應用。Microchip公司提供了基于ZigBee的協(xié)議棧。該協(xié)議棧有如下特點：支持簡化功能設備和協(xié)調(diào)器；在協(xié)調(diào)器節(jié)點中實現(xiàn)對鄰接表和綁定表的非易失性存儲；支持非時隙的星型網(wǎng)絡；可以在大多數(shù)PIC18系列單片機之間進行移植?；谏鲜鎏攸c，本系統(tǒng)采用該協(xié)議棧構(gòu)建一個星型網(wǎng)絡。調(diào)節(jié)器節(jié)點作為整個網(wǎng)絡的中心節(jié)點，負責組建網(wǎng)絡、接收終端設備加入網(wǎng)絡。如圖5所示，協(xié)調(diào)器通過發(fā)送NLME-NETWORK-FORMATION. request原語啟動組網(wǎng)，然后發(fā)送MLME-SCAN. request 原語開始信道檢測。當發(fā)現(xiàn)有合適可用的信道時，MAC層將發(fā)送MLME-SCAN. confirm原語到網(wǎng)絡層，當接收到該原語后，網(wǎng)絡層實體（NLME）將選擇最佳的信道來建立一個新的網(wǎng)絡，為該網(wǎng)絡選擇一個PAN ID和邏輯地址，并將NLME-NETWORK-FORMATION. confirm 原語發(fā)送回應用層。經(jīng)過這樣一個過程便建立了一個新的網(wǎng)絡。

????? ??圖6是協(xié)調(diào)器節(jié)點的主程序流程圖。當協(xié)調(diào)器建立了一個新網(wǎng)絡后，終端設備（無線紅外入侵檢測節(jié)點）請求加入該網(wǎng)絡。當設備成功加入該網(wǎng)絡后，協(xié)調(diào)器定時采集各檢測節(jié)點的檢測數(shù)據(jù)。當檢測到有物體入侵時，協(xié)調(diào)器將被入侵的監(jiān)控點信息（房間號）傳送到監(jiān)控主機，安防人員可實時查看到監(jiān)控點的安全情況并做出反應。

　　傳感器網(wǎng)絡是影響人類未來生活的重要技術之一，它結(jié)合了傳感器、微控制器、射頻通訊、網(wǎng)絡等多種新的技術，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線傳感器網(wǎng)絡及基于ZigBee協(xié)議的紅外入侵檢測系統(tǒng)的設計方案，該設計能夠減少紅外報警的誤報警率，降低施工的復雜度，并具有很好的可擴展性，能為安全監(jiān)控提供可信的數(shù)據(jù)資料。