一种基于ZigBee技术的智能安防报警系统

0 前言

目前，安防报警系统通常分为有线和无线两种方式。有线方式具有抗干扰性强、可靠性高的特点，但存在着成本高、布线繁杂、不易组网等问题;而采用RF、WiFi等无线方式的主要优势在于安装灵活方便、无需布线，但传输距离短、稳定性较差。随着无线网络技术的进步和电子器件的发展，ZigBee作为一种数据传输可靠、低成本、低功耗的新兴无线通信技术，可以解决现有无线报警系统存在的数据传输稳定性差、可扩展性差等问题。

1 ZigBee技术简介

1.1 概述

ZigBee协议由物理层、媒体访问控制层、传输层、网络层和应用层等组成。它的基础是IEEE802.15.4，但IEEE仅制定了网络层以下协议，ZigBee联盟在此基础上进行了完善和扩展，对其网络层协议和应用层进行了标准化，制定了上层协议规范，并负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作。ZigBee技术是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术方案，是一种低速率、自组网的双向无线通讯技术，主要用于近距离无线连接，适合应用于自动控制和远程控制等领域，可以嵌入各类设备。ZigBee技术主要有如下特点：

(1)数据传输可靠。控制层运用了完全确认的数据传输避开碰撞策略，并为固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据的竞争和冲突，同时优化了时延敏感的应用，缩短了通信时延。

(2)功耗低。在待机模式下，ZigBee节点处于休眠状态，耗电量仅为1μW。普通干电池供电可使用6个月～2年。

(3)速率低。ZigBee设备工作于直接序列扩频的2.4GHz的ISM频段，数据传输速率为250kbps，专注于低传输速率应用，适合无线传感器网络。

(4)容量大。一个ZigBee网络可支持255个设备，如果通过网络协调器构建无线传感器网络，则一个ZigBee网络可以支持超过6.5万个节点。在室内，ZigBee网络有效覆盖距离达到10～80m。

(5)自动组网、自主路由。在节点损坏或能量耗尽时，可以使节点退出网络且不影响剩余节点通信;若有新节点加入，可以自动搜索和获得报文转发路由。

1.2 ZigBee网络拓扑

在ZigBee网络中，有协调器、路由器、终端设备三种设备类型。协调器负责网络的建立与维护;路由器负责网络中数据的转发，并可以拓展网络的范围;终端设备是实现具体功能的单元。ZigBee设备分为两种类型：全功能设备(FFD)和简化功能设备(RFD)，其中协调器和路由器必须是FFD，终端设备可以是FFD或RFD。FFD可以与FFD或RFD直接进行通信，而RFD只能与FFD进行通信。

ZigBee有星型、树簇型型、网状型三种网络拓扑结构。星型网络的各子节点之间不能通信，必须经过协调节点转发信息;在树簇型网络中，路由节点完成数据的路由功能，通过路由节点转发子节点信息到协调节点;网状型网络的路由节点之间可以相互通信。

2 系统硬件设计

本系统是在现有安防报警系统中加入ZigBee网络，无线传感网络由前端传感器、后端上位机、远端基站组成。传感器负责采集数据、安全信息，利用ZigBee网络将这些数据和信息传送到基站，然后经过串口通信由基站发送到上位机，最后由上位机对数据信息进行实时监控，并对异常情况进行声光报警。

基于ZigBee技术的智能安防无线报警系统如图1所示，它是由传感器、ZigBee网络、报警控制主机和PC控制中心组成的无线传感器网络。在系统前端配置红外入侵、火焰、门磁开关等不同类型传感器，负责采集入侵、温度、烟雾等信号，当系统置于布防模式时，这些传感器就连续不断地进行检测，一旦检测到异常信号时，就通过ZigBee网络将收集到的数据和报警信息传送到报警控制主机，同时通过PC机设置和运行软件，对相关参数状态进行实时监控以及显示数据。

3 系统软件设计

安防报警系统的无线报警程序流程如图2所示，其具体报警程序如下：

(1)传感器向报警控制主机发送信息，并等候其命令;然后报警主机分配路由，选择加入新路由;

(2)在传感器加入设定路由后，报警主机打开警戒功能，则传感器进入省电模式，每10s检测红外入侵传感器、火焰传感器状况;

(3)若红外入侵传感器、火焰传感器探测到危险情况时，经过路由器可以向报警主机传送报警信息，由报警主机实时处理，实现声光报警;

(4)40s后，读取I/O口接收到的门磁开关等传感器数据，若检测有险情时，则经过路由向报警主机转送报警信息，由报警主机实时处理，实现声光报警;

(5)若各传感器检测到的信息均正常，那么传感器向报警主机发送安全信息，等待报警主机下一步指令。

4 电路实例

在本系统设计中，实现ZigBee物理层功能的芯片选用TI公司的CC2530，它是嵌入式的片上系统，集成了增强型的8051内核，结合TI Z—STACK协议栈，可以组建自己的无线通信网络。无线通信GSM模块选用西门子的TC35i，该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，可以快速、可靠地实现系统方案中短消息与传真服务、数据与语音传输。安防报警系统电路硬件结构图如图3所示。

以火焰传感器模块为例，火焰传感器电路连接如图4所示，图中J1为火焰传感器模块与CC2530单片机之间的接口，CC2530的P0_0端口从火焰传感器的阴极引脚进行电压采样。火焰传感器的原理是利用热释电效应，通过目标与背景的温差变化来探测目标，以确定火灾的发生情况。当火焰传感器检测到火源时，其周围温度会明显升高，若温差变化大于安全阈值，则火焰传感器的阴极有电压输出，将数据传送至协调器，同时报警。

5 结语

本系统通过软硬件的设计，实现了基于ZigBee技术的智能无线报警系统。系统具有设计简单、性价比高、安全可靠等优点，可以对非法入侵、火灾、燃气泄漏等灾情隐患进行实时监控及声光报警，为家居、小区、安防、工业等领域的安全监控与防护提供了一种实用的解决方案，具有很好的应用与推广价值。