在研究無(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)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。
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)多采用有線技術(shù)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。這類方案的缺點(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)。
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(gè)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。
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)。
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。基于上述特點(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。控制器實(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。通過較少的連線即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能。
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。基于上述特點(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)器通過發(fā)送NLME-NETWORK-FORMATION. request原語(yǔ)啟動(dòng)組網(wǎng)，然后發(fā)送MLME-SCAN. request 原語(yǔ)開始信道檢測(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)過這樣一個(gè)過程便建立了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。
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。