??? 摘?要： 在研究傳感器網(wǎng)絡(luò)" title="無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)">無(wú)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(cè)" title="入侵檢測(cè)">入侵檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,。該方案借助ZigBee技術(shù)在短距離無(wú)線通信方面的優(yōu)勢(shì),，利用Microchip公司的射頻芯片MFR24J40，采用主動(dòng)紅外入侵探測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)入侵物體的實(shí)時(shí)檢測(cè)及報(bào)警,。
??? 關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)? ZigBee協(xié)議? 入侵檢測(cè)? MFR24J40? PIC單片機(jī)
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??? 近年來(lái)隨著科技的發(fā)展和人們安全防范意識(shí)的提高,，基于紅外線技術(shù)的入侵檢測(cè)及報(bào)警技術(shù)已開(kāi)始應(yīng)用到防盜系統(tǒng)中[1]。現(xiàn)有的紅外入侵檢測(cè)系統(tǒng)" title="入侵檢測(cè)系統(tǒng)">入侵檢測(cè)系統(tǒng)多采用有線技術(shù)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng),。這類(lèi)方案的缺點(diǎn)是擴(kuò)展性能差,，布線繁瑣,，當(dāng)線路老化或遭到磨損時(shí)，誤報(bào)警率高,。采用無(wú)線傳輸方式構(gòu)建的無(wú)線入侵檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)則可以避免這些問(wèn)題,。相對(duì)而言，無(wú)線方式比較靈活,，可以適應(yīng)移動(dòng)或變化的需要,。但是，無(wú)線通信技術(shù)在安全領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)還是很少,。
??? 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是信息感知及采集技術(shù)的一場(chǎng)革命,，因其具有部署靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)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(wú)線通信技術(shù)[2]，可以嵌入各種設(shè)備中,，同時(shí)支持地理定位功能,。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)具有超低功耗和成本的特點(diǎn),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(wú)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(dòng)式紅外入侵檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,，該方案具有比較好的擴(kuò)展性及較低的誤報(bào)警率,。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
??? 如圖1所示為一大樓平層，該層有8個(gè)監(jiān)控點(diǎn)（房間）,。針對(duì)這種情況,，系統(tǒng)可采用星型結(jié)構(gòu)組網(wǎng)。整個(gè)系統(tǒng)由無(wú)線紅外入侵檢測(cè)節(jié)點(diǎn),、調(diào)節(jié)器節(jié)點(diǎn),、監(jiān)控主機(jī)和PC機(jī)組成。其中,，在每個(gè)房間安裝一個(gè)無(wú)線紅外入侵檢測(cè)節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn)，對(duì)房間進(jìn)行安全監(jiān)控,，并定時(shí)發(fā)送一個(gè)安全狀態(tài)信號(hào)到調(diào)節(jié)器節(jié)點(diǎn),。調(diào)節(jié)器節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn),，負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)、接收終端設(shè)備（紅外入侵檢測(cè)節(jié)點(diǎn)）加入網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的傳輸及轉(zhuǎn)發(fā),。測(cè)控主機(jī)也是一個(gè)終端設(shè)備,，但與無(wú)線紅外入侵節(jié)點(diǎn)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(guò)串口發(fā)送給PC機(jī),。在PC上可實(shí)時(shí)查看到各監(jiān)控點(diǎn)的安全狀態(tài),，當(dāng)有物體入侵時(shí)，立刻啟動(dòng)報(bào)警裝置并在PC機(jī)上顯示被入侵的房間號(hào),，安防人員可迅速作出反應(yīng),。
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??? 如果要監(jiān)控的是多層建筑或者是小區(qū)，可采用樹(shù)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(gè)協(xié)調(diào)器" title="協(xié)調(diào)器">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(diǎn)的設(shè)計(jì)
??? 硬件節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[3]是一個(gè)關(guān)鍵,。其中，終端設(shè)備（無(wú)線紅外入侵檢測(cè)節(jié)點(diǎn)）與協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)類(lèi)似,，但是比協(xié)調(diào)器多一個(gè)入侵檢測(cè)單元,。如圖2所示，紅外檢測(cè)節(jié)點(diǎn)由四部分構(gòu)成：入侵檢測(cè)單元負(fù)責(zé)感知監(jiān)控點(diǎn)的安全狀態(tài),，并通過(guò)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(diǎn)各部分的工作，進(jìn)行必要的處理,、保存,；無(wú)線通訊單元采用專(zhuān)用的ZigBee射頻芯片MRF24J40與其他節(jié)點(diǎn)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,。
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2.1 入侵檢測(cè)單元
??? 如圖3所示,，入侵檢測(cè)單元采用主動(dòng)式紅外傳感電路，它的特點(diǎn)是誤報(bào)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(duì)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(hào)作20 000倍放大，U3是電壓比較器,，參考電壓是0.8V,。當(dāng)無(wú)物體入侵時(shí)，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(gè)高于參考值0.8V的電壓，此時(shí)Vout輸出為高電平,。當(dāng)有物體入侵時(shí),，將部分或完全遮住所發(fā)射的紅外光線，此時(shí)光二極管接收的信號(hào)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(shí)將產(chǎn)生報(bào)警信號(hào),。
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2.2 無(wú)線發(fā)射部分
??? Microchip公司的射頻芯片MRF24J40是一個(gè)針對(duì)ZigBee協(xié)議及專(zhuān)有無(wú)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(zhǎng)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(diǎn),，采用PIC 8位單片機(jī)和MRF24J40組成節(jié)點(diǎn)無(wú)線發(fā)射部分。
??? 如圖4所示,，PIC單片機(jī)通過(guò)SPI總線和一些離散控制信號(hào)與MRF24J40相連,。控制器充當(dāng)SPI 主器件而MRF24J40充當(dāng)從器件,?？刂破鲗?shí)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(guò)較少的連線即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能。
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3 軟件部分的設(shè)計(jì)
??? 軟件部分設(shè)計(jì)[4]的重點(diǎn)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(diǎn)：支持簡(jiǎn)化功能設(shè)備和協(xié)調(diào)器；在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰接表和綁定表的非易失性存儲(chǔ),；支持非時(shí)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(diǎn),，本系統(tǒng)采用該協(xié)議棧構(gòu)建一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò),。調(diào)節(jié)器節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，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(guò)發(fā)送NLME-NETWORK-FORMATION. request原語(yǔ)" title="原語(yǔ)">原語(yǔ)啟動(dòng)組網(wǎng),，然后發(fā)送MLME-SCAN. request 原語(yǔ)開(kāi)始信道檢測(cè)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有合適可用的信道時(shí),，MAC層將發(fā)送MLME-SCAN. confirm原語(yǔ)到網(wǎng)絡(luò)層,，當(dāng)接收到該原語(yǔ)后，網(wǎng)絡(luò)層實(shí)體（NLME）將選擇最佳的信道來(lái)建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò),，為該網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)PAN ID和邏輯地址,，并將NLME-NETWORK-FORMATION. confirm 原語(yǔ)發(fā)送回應(yīng)用層。經(jīng)過(guò)這樣一個(gè)過(guò)程便建立了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò),。
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??? 圖6是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主程序流程圖,。當(dāng)協(xié)調(diào)器建立了一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)后，終端設(shè)備（無(wú)線紅外入侵檢測(cè)節(jié)點(diǎn)）請(qǐng)求加入該網(wǎng)絡(luò),。當(dāng)設(shè)備成功加入該網(wǎng)絡(luò)后,，協(xié)調(diào)器定時(shí)采集各檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到有物體入侵時(shí),，協(xié)調(diào)器將被入侵的監(jiān)控點(diǎn)信息（房間號(hào)）傳送到監(jiān)控主機(jī),，安防人員可實(shí)時(shí)查看到監(jiān)控點(diǎn)的安全情況并做出反應(yīng)。
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??? 傳感器網(wǎng)絡(luò)是影響人類(lèi)未來(lái)生活的重要技術(shù)之一,，它結(jié)合了傳感器,、微控制器、射頻通訊,、網(wǎng)絡(luò)等多種新的技術(shù),，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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及基于ZigBee協(xié)議的紅外入侵檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,，該設(shè)計(jì)能夠減少紅外報(bào)警的誤報(bào)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。
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