在研究無線傳感器網(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)的紅外入侵檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案,。該方案借助ZigBee技術(shù)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(shù)的入侵檢測及報警技術(shù)已開始應(yīng)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(shù)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng),。這類方案的缺點是擴(kuò)展性能差,布線繁瑣,,當(dāng)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(luò)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(yīng)移動或變化的需要。但是,,無線通信技術(shù)在安全領(lǐng)域的應(yīng)用相對還是很少,。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是信息感知及采集技術(shù)的一場革命,因其具有部署靈活,、維護(hù)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(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、低成本的雙向無線通信技術(shù)[2],,可以嵌入各種設(shè)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(shù),,ZigBee技術(shù)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(wù),,所以ZigBee技術(shù)非常適合用在無線傳感器網(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)議的主動式紅外入侵檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案,,該方案具有比較好的擴(kuò)展性及較低的誤報警率。
1 系統(tǒng)設(shè)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(jī)和PC機(jī)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(jìn)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(luò)的中心節(jié)點,負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò),、接收終端設(shè)備(紅外入侵檢測節(jié)點)加入網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的傳輸及轉(zhuǎn)發(fā),。測控主機(jī)也是一個終端設(shè)備,但與無線紅外入侵節(jié)點不同的是,,它負(fù)責(zé)接收調(diào)節(jié)器發(fā)送的監(jiān)控情況并通過串口發(fā)送給PC機(jī),。在PC上可實時查看到各監(jiān)控點的安全狀態(tài),,當(dāng)有物體入侵時,立刻啟動報警裝置并在PC機(jī)上顯示被入侵的房間號,,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)點的設(shè)計
硬件節(jié)點的設(shè)計[3]是一個關(guān)鍵。其中,,終端設(shè)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(fù)責(zé)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(fù)責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點各部分的工作,,進(jìn)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(yīng)模塊為其他功能單元提供工作所必需的能源,。
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(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將接收的微弱信號作20 000倍放大,,U3是電壓比較器,,參考電壓是0.8V。當(dāng)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(dāng)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,。
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(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,采用PIC 8位單片機(jī)和MRF24J40組成節(jié)點無線發(fā)射部分,。
如圖4所示,,PIC單片機(jī)通過SPI總線和一些離散控制信號與MRF24J40相連??刂破鞒洚?dāng)SPI 主器件而MRF24J40充當(dāng)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(yīng)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,。
軟件部分設(shè)計[4]的重點是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:支持簡化功能設(shè)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(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,本系統(tǒng)采用該協(xié)議棧構(gòu)建一個星型網(wǎng)絡(luò),。調(diào)節(jié)器節(jié)點作為整個網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點,,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(dāng)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(luò)層,,當(dāng)接收到該原語后,網(wǎng)絡(luò)層實體(NLME)將選擇最佳的信道來建立一個新的網(wǎng)絡(luò),,為該網(wǎng)絡(luò)選擇一個PAN ID和邏輯地址,,并將NLME-NETWORK-FORMATION. confirm 原語發(fā)送回應(yīng)用層。經(jīng)過這樣一個過程便建立了一個新的網(wǎng)絡(luò),。
本文提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及基于ZigBee協(xié)議的紅外入侵檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案,該設(shè)計能夠減少紅外報警的誤報警率,,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,。