基于ZigBee的无线红外防盗报警系统设计

摘要：结合红外防盗报警和ZigBee技术这两大热点课题，利用TI公司的单芯片CC2430和RE200B红外传感器，完成了基于ZigBee技术无线红外防盗报警系统的硬件设计和软件开发，解决了现有无线报警系统存在的误报警，成本高等问题。经过对系统的硬件软件电路调试，验证了系统预期的功能。
关键词：无线红外防盗报警；ZigBee；CC2430；系统设计

目前报警系统的信号传输主要是有线和无线两种。
有线方式具有通讯可靠、抗干扰能力强、器件成本低等优点，适用于新建且可以在墙壁内预留连接线的建筑物，但是其机动性差、不便适应用户及产品的多变要求，对预留连接线的维护及更换难度高、费用大；无线方式可避免探头与主机之间的连接线影响室内装修，具有灵活、简洁的优点，需求日益扩大，越来越得到用户的认可，是发展趋势，但是容易受到干扰，传输稳定性和抗干扰性存在不足，价格较高。
作为防盗报警的关键产品，被动红外探测器的无线化也逐渐成为一种趋势。但是由于以下两方面的原因，红外探测无线报警系统虚警率较高：1)红外探测器性能参差不齐；2)报警信号的无线传输容易受到干扰，引起主机误报警。
因此，低功耗、低成本、低速率的短距离无线通信新标准ZigBee来组建防盗报警网络，不仅解决了传统有线网络系统布线难、成本高以及不易扩展等问题，而且ZigBee技术能基本解决现有无线报警系统存在的一些问题：
1)误报警问题：调查表明，报警器误报警率高是让用户放弃使用的最主要原因。现有的无线报警系统很容易受到来自供电网中和空中的高频干扰信号。为了避免在2.4GHz公用频段的干扰，ZigBee采用了直接序列扩频技术保证信号传输；
2)使用成本问题：报警器长期使用的电费是个问题，为了达到在停电或窃贼作案前人为地断电后报警器仍能起作用的目的，用户还需要定期更换电池一类的后备电源，所以，在长期使用过程中，用户就不得不考虑成本。ZigBee芯片是超低功耗的无线收发芯片，发射功率仅为1 mW，再加上芯片工作周期短，而且采用了休眠模式，所以收发信息功耗较低。

1 ZigBee技术
作为一种新兴的无线网络技术，ZigBee的基础是IEEE无线个人区域网工作组的一项标准，被成为IEEE802．15．4技术标准。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。可工作在2．4 GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上，分别具有最高250 kbit／s、20 kbids和40 kbit／s的传输速
率，它一般在10～75 m的范围内进行传输，但是范围也是可以扩展的。
在ZigBee网络中，节点无须经过中央交换机节点便可以相互通信，并具备了自愈和自我组织功能。任意节点瘫痪或者被敌方俘获，其他节点可以选择其他路由。而新的节点经上电之后，就能收听邻近节点，只要满足接入标准，就可以加入网络。IEEE．802．15．4和ZigBee协议中定义了3种类型的拓扑结构：星型网络、树状网络和网状网络，如图1所示。无论哪种拓扑结构，每个独立的网络均有一个唯一的标识符即网络号(PAN标识符)。根据标识符，各个网络设备之间就可以确定其从属关系并进行通信。每个网络中都有一个唯一的协调器，它相当于有线局域网中的服务器，具有对本网络的管理功能，它负责发起和建立整个网络，加入网络的终端设备分布在PAN协调器的覆盖范围内，与PAN协调器进行直接通信。网络中的全功能节点可以做路由器、协调器和终端，而简化功能节点只能作终端设备。

ZigBee无线网络的实现，是建立在ZigBee协议栈的基础上的。ZigBee协议栈是建立在OSI(Open System Interconnect，开放系统互联)基本参考模型的基础上的，是OSI七层模型的精简网络模型。IEEE 802．15．4定义了最低两层：物理层和MAC层，位于最低层，且与硬件相关；ZigBee联盟在此基础上定义了网络层(NWK)和应用层(APL)，建立在PHY和MAC层之上，并且完全与硬件无关。分层的结构脉络清晰、一目了然，给设计和调试带来极大的方便。ZigBee标准使用IEEE802．15．4的物理层和MAC层协议作为ZigBee协议栈的一部分，并自己定义了网络层、应用层和安全协议，因此任何ZigBee设备和IEEE标准都是兼容的。

2 系统的整体框架
笔者设计的无线红外防盗报警系统网络采用星型网络拓扑结构，主要由服务器、路由器和若干个终端信息采集节点组成。

用户端报警节点主要包括两部分：探测器和报警主机，结构如图2所示。每个监控区域都可进行移动人体的探测，报警主机可进行现场声光报警。这样一个星型网络报警系统，可在一个ZigBee结点上集成红外信息，形成一个无线红外防盗报警系统。另外，本系统具有联网能力，利用ZigBee路由设备可以无线连接到值班室的服务器上。
系统主要功能包括：
1)红外探测器快速准确地检测到异常状态，经确认后无线发送给主机；
2)主机接收到信号后进行识别，现场立刻发出警报(声光报警或其他方式)并在显示屏上显示报警防区和警情；
3)报警主机上的ZigBee无线模块通过区域内布设的ZigBee路由设备将数据无线传送到值班室的服务器，ZigBee路由设备就是网络中具备路由功能的ZigBee协调设备；
4)值班人员可以通过监控软件进行区域安全的监控，一旦报警，监控软件上将显示报警地点，及时处理突发事件。

3 系统硬件设计
在基于ZigBee的无线红外防盗报警系统中，众多传感器节点是整个网络的基础。本节的主要内容是设计其中单个节点的硬件结构并画出电路图。
在硬件确定过程中，首先确定节点采集人体红外线的热释电红外传感器型号，第2步确定用来完成系统的设计的支持ZigBee协议的芯片的具体型号，第3步查阅热释电红外传感器的资料和芯片的数据手册，设计出原理图，并画出PCB(Printed cireuit board)图。
CC2430是芯片巨人TI公司收购无线单片机公司CHIPCON后推出的全新概念新一代ZigBee无线单片机系列芯片。在CC2420的基础上绑定了ZigBee协议栈，具有128 kB可编程闪存和8 kB的RAM和其他一些功能，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。