基于ZigBee協議的紅外入侵檢測系統的設計

在研究無線傳感器網絡（WSN）及ZigBee協議的基礎上，提出了一種基于ZigBee技術的紅外入侵檢測系統的設計方案。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了對入侵物體的實時檢測及報警。

????? 近年來隨著科技的發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中[1]。現有的紅外入侵檢測系統多采用有線技術進行聯網。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建的無線入侵檢測網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境、事件、監控、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、低數據速率、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,適合于承載數據流量較小的業務，所以ZigBee技術非常適合用在無線傳感器網絡的相關應用上。

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

1 系統設計方案

　　如圖1所示為一大樓平層，該層有8個監控點（房間）。針對這種情況，系統可采用星型結構組網。整個系統由無線紅外入侵檢測節點、調節器節點、監控主機和PC機組成。其中，在每個房間安裝一個無線紅外入侵檢測節點作為終端節點，對房間進行安全監控，并定時發送一個安全狀態信號到調節器節點。調節器節點作為整個網絡的中心節點，負責組建網絡、接收終端設備（紅外入侵檢測節點）加入網絡和數據的傳輸及轉發。測控主機也是一個終端設備，但與無線紅外入侵節點不同的是，它負責接收調節器發送的監控情況并通過串口發送給PC機。在PC上可實時查看到各監控點的安全狀態，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。

????? 如果要監控的是多層建筑或者是小區，可采用樹形拓撲結構進行組網，每一層或每一棟設一個協調器，負責收集數據，與中心協調器交換數據并把數據轉發給監控主機。

2 硬件節點的設計

　　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。該單元包括紅外發射部分和紅外接收部分，發射部分采用交流方式激發，用NE555組建脈沖產生電路，并加上一對透鏡增強發射距離。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正輸入管腳產生的電壓將小于參考電壓，Vout輸出為低電平，此時將產生報警信號。

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????? 2.2 無線發射部分

　　Microchip公司的射頻芯片MRF24J40是一個針對ZigBee協議及專有無線協議的2.4GHz IEEE 802.15.4收發器，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結構、數據總線和指令總線分離的哈佛總線(Harvard)結構，使指令具有單字長的特性，且允許指令碼的位數可多于8位。這與傳統的采用CISC結構的8位單片機相比可以達到2:1的代碼壓縮，速度提高4倍。基于上述特點，采用PIC 8位單片機和MRF24J40組成節點無線發射部分。

?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。控制器實現了IEEE 802.15.4 MAC 層和ZigBee 協議層。它還包含了特定應用的邏輯。它使用SPI 總線與MRF24J40收發器交互。通過較少的連線即可實現無線通信功能。

3 軟件部分的設計

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

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

　　傳感器網絡是影響人類未來生活的重要技術之一，它結合了傳感器、微控制器、射頻通訊、網絡等多種新的技術，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絡及基于ZigBee協議的紅外入侵檢測系統的設計方案，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，能為安全監控提供可信的數據資料。