基于ZigBee协议的红外入侵检测系统的设计
2008-07-18
作者：蔡彬彬， 包亚萍， 陶 卉， 金
摘 要： 在研究传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络（WSN）及ZigBee协议的基础上，提出了一种基于ZigBee技术的红外入侵检测" title="入侵检测">入侵检测系统的设计方案。该方案借助ZigBee技术在短距离无线通信方面的优势，利用Microchip公司的射频芯片MFR24J40，采用主动红外入侵探测装置实现了对入侵物体的实时检测及报警。
关键词： 无线传感器网络 ZigBee协议 入侵检测 MFR24J40 PIC单片机
近年来随着科技的发展和人们安全防范意识的提高，基于红外线技术的入侵检测及报警技术已开始应用到防盗系统中[1]。现有的红外入侵检测系统" title="入侵检测系统">入侵检测系统多采用有线技术进行联网。这类方案的缺点是扩展性能差，布线繁琐，当线路老化或遭到磨损时，误报警率高。采用无线传输方式构建的无线入侵检测网络则可以避免这些问题。相对而言，无线方式比较灵活，可以适应移动或变化的需要。但是，无线通信技术在安全领域的应用相对还是很少。
无线传感器网络（WSN）是信息感知及采集技术的一场革命，因其具有部署灵活、维护简单等特点而在环境、事件、监控、深水等许多方面有着广泛的应用前景。
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术[2]，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术具有超低功耗和成本的特点,适合于承载数据流量较小的业务，所以ZigBee技术非常适合用在无线传感器网络的相关应用上。
本文在研究ZigBee协议的基础上，提出了一种基于ZigBee协议的主动式红外入侵检测系统的设计方案，该方案具有比较好的扩展性及较低的误报警率。
1 系统设计方案
如图1所示为一大楼平层，该层有8个监控点（房间）。针对这种情况，系统可采用星型结构组网。整个系统由无线红外入侵检测节点、调节器节点、监控主机和PC机组成。其中，在每个房间安装一个无线红外入侵检测节点作为终端节点，对房间进行安全监控，并定时发送一个安全状态信号到调节器节点。调节器节点作为整个网络的中心节点，负责组建网络、接收终端设备（红外入侵检测节点）加入网络和数据的传输及转发。测控主机也是一个终端设备，但与无线红外入侵节点不同的是，它负责接收调节器发送的监控情况并通过串口发送给PC机。在PC上可实时查看到各监控点的安全状态，当有物体入侵时，立刻启动报警装置并在PC机上显示被入侵的房间号，安防人员可迅速作出反应。
如果要监控的是多层建筑或者是小区，可采用树形拓扑结构进行组网，每一层或每一栋设一个协调器" title="协调器">协调器，负责收集数据，与中心协调器交换数据并把数据转发给监控主机。
2 硬件节点的设计
硬件节点的设计[3]是一个关键。其中，终端设备（无线红外入侵检测节点）与协调器结构类似，但是比协调器多一个入侵检测单元。如图2所示，红外检测节点由四部分构成：入侵检测单元负责感知监控点的安全状态，并通过AD转换器发送给微控制器；微处理器部件负责协调节点各部分的工作，进行必要的处理、保存；无线通讯单元采用专用的ZigBee射频芯片MRF24J40与其他节点交换数据；能量供应模块为其他功能单元提供工作所必需的能源。
2.1 入侵检测单元
如图3所示，入侵检测单元采用主动式红外传感电路，它的特点是误报警率低。该单元包括红外发射部分和红外接收部分，发射部分采用交流方式激发，用NE555组建脉冲产生电路，并加上一对透镜增强发射距离。接收部分采用PIN光二极管负责接收红外光并由U2将接收的微弱信号作20 000倍放大，U3是电压比较器，参考电压是0.8V。当无物体入侵时，红外线被光二极管正常接收、放大、整流，并在U3正输入管脚产生一个高于参考值0.8V的电压，此时Vout输出为高电平。当有物体入侵时，将部分或完全遮住所发射的红外光线，此时光二极管接收的信号大幅度减弱或消失，于是U3正输入管脚产生的电压将小于参考电压，Vout输出为低电平，此时将产生报警信号。
2.2 无线发射部分
Microchip公司的射频芯片MRF24J40是一个针对ZigBee协议及专有无线协议的2.4GHz IEEE 802.15.4收发器，适用于要求低功耗和卓越射频性能的射频应用。 PIC 8位单片机具有独特的RISC结构、数据总线和指令总线分离的哈佛总线(Harvard)结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8位。这与传统的采用CISC结构的8位单片机相比可以达到2:1的代码压缩，速度提高4倍。基于上述特点，采用PIC 8位单片机和MRF24J40组成节点无线发射部分。
如图4所示，PIC单片机通过SPI总线和一些离散控制信号与MRF24J40相连。控制器充当SPI 主器件而MRF24J40充当从器件。控制器实现了IEEE 802.15.4 MAC 层和ZigBee 协议层。它还包含了特定应用的逻辑。它使用SPI 总线与MRF24J40收发器交互。通过较少的连线即可实现无线通信功能。
3 软件部分的设计
软件部分设计[4]的重点是ZigBee协议的移植及应用。Microchip公司提供了基于ZigBee的协议栈。该协议栈有如下特点：支持简化功能设备和协调器；在协调器节点中实现对邻接表和绑定表的非易失性存储；支持非时隙的星型网络；可以在大多数PIC18系列单片机之间进行移植。基于上述特点，本系统采用该协议栈构建一个星型网络。调节器节点作为整个网络的中心节点，负责组建网络、接收终端设备加入网络。如图5所示，协调器通过发送NLME-NETWORK-FORMATION. request原语" title="原语">原语启动组网，然后发送MLME-SCAN. request 原语开始信道检测。当发现有合适可用的信道时，MAC层将发送MLME-SCAN. confirm原语到网络层，当接收到该原语后，网络层实体（NLME）将选择最佳的信道来建立一个新的网络，为该网络选择一个PAN ID和逻辑地址，并将NLME-NETWORK-FORMATION. confirm 原语发送回应用层。经过这样一个过程便建立了一个新的网络。
图6是协调器节点的主程序流程图。当协调器建立了一个新网络后，终端设备（无线红外入侵检测节点）请求加入该网络。当设备成功加入该网络后，协调器定时采集各检测节点的检测数据。当检测到有物体入侵时，协调器将被入侵的监控点信息（房间号）传送到监控主机，安防人员可实时查看到监控点的安全情况并做出反应。
传感器网络是影响人类未来生活的重要技术之一，它结合了传感器、微控制器、射频通讯、网络等多种新的技术，为人们提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径。
本文提出了一种基于无线传感器网络及基于ZigBee协议的红外入侵检测系统的设计方案，该设计能够减少红外报警的误报警率，降低施工的复杂度，并具有很好的可扩展性，能为安全监控提供可信的数据资料。
参考文献
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