0 前言

目前，安防報警系統通常分為有線和無線兩種方式。有線方式具有抗干擾性強、可靠性高的特點，但存在著成本高、布線繁雜、不易組網等問題;而采用RF、WiFi等無線方式的主要優勢在于安裝靈活方便、無需布線，但傳輸距離短、穩定性較差。隨著無線網絡技術的進步和電子器件的發展，ZigBee作為一種數據傳輸可靠、低成本、低功耗的新興無線通信技術，可以解決現有無線報警系統存在的數據傳輸穩定性差、可擴展性差等問題。

1 ZigBee技術簡介

1.1 概述

ZigBee協議由物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網絡層和應用層等組成。它的基礎是IEEE802.15.4，但IEEE僅制定了網絡層以下協議，ZigBee聯盟在此基礎上進行了完善和擴展，對其網絡層協議和應用層進行了標準化，制定了上層協議規范，并負責高層應用、測試和市場推廣等方面的工作。ZigBee技術是一種介于無線標記技術和藍牙技術之間的技術方案，是一種低速率、自組網的雙向無線通訊技術，主要用于近距離無線連接，適合應用于自動控制和遠程控制等領域，可以嵌入各類設備。ZigBee技術主要有如下特點：

(1)數據傳輸可靠。控制層運用了完全確認的數據傳輸避開碰撞策略，并為固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據的競爭和沖突，同時優化了時延敏感的應用，縮短了通信時延。

(2)功耗低。在待機模式下，ZigBee節點處于休眠狀態，耗電量僅為1μW。普通干電池供電可使用6個月～2年。

(3)速率低。ZigBee設備工作于直接序列擴頻的2.4GHz的ISM頻段，數據傳輸速率為250kbps，專注于低傳輸速率應用，適合無線傳感器網絡。

(4)容量大。一個ZigBee網絡可支持255個設備，如果通過網絡協調器構建無線傳感器網絡，則一個ZigBee網絡可以支持超過6.5萬個節點。在室內，ZigBee網絡有效覆蓋距離達到10～80m。

(5)自動組網、自主路由。在節點損壞或能量耗盡時，可以使節點退出網絡且不影響剩余節點通信;若有新節點加入，可以自動搜索和獲得報文轉發路由。

1.2 ZigBee網絡拓撲

在ZigBee網絡中，有協調器、路由器、終端設備三種設備類型。協調器負責網絡的建立與維護;路由器負責網絡中數據的轉發，并可以拓展網絡的范圍;終端設備是實現具體功能的單元。ZigBee設備分為兩種類型：全功能設備(FFD)和簡化功能設備(RFD)，其中協調器和路由器必須是FFD，終端設備可以是FFD或RFD。FFD可以與FFD或RFD直接進行通信，而RFD只能與FFD進行通信。

ZigBee有星型、樹簇型型、網狀型三種網絡拓撲結構。星型網絡的各子節點之間不能通信，必須經過協調節點轉發信息;在樹簇型網絡中，路由節點完成數據的路由功能，通過路由節點轉發子節點信息到協調節點;網狀型網絡的路由節點之間可以相互通信。

2 系統硬件設計

本系統是在現有安防報警系統中加入ZigBee網絡，無線傳感網絡由前端傳感器、后端上位機、遠端基站組成。傳感器負責采集數據、安全信息，利用ZigBee網絡將這些數據和信息傳送到基站，然后經過串口通信由基站發送到上位機，最后由上位機對數據信息進行實時監控，并對異常情況進行聲光報警。

基于ZigBee技術的智能安防無線報警系統如圖1所示，它是由傳感器、ZigBee網絡、報警控制主機和PC控制中心組成的無線傳感器網絡。在系統前端配置紅外入侵、火焰、門磁開關等不同類型傳感器，負責采集入侵、溫度、煙霧等信號，當系統置于布防模式時，這些傳感器就連續不斷地進行檢測，一旦檢測到異常信號時，就通過ZigBee網絡將收集到的數據和報警信息傳送到報警控制主機，同時通過PC機設置和運行軟件，對相關參數狀態進行實時監控以及顯示數據。

3 系統軟件設計

安防報警系統的無線報警程序流程如圖2所示，其具體報警程序如下：

(1)傳感器向報警控制主機發送信息，并等候其命令;然后報警主機分配路由，選擇加入新路由;

(2)在傳感器加入設定路由后，報警主機打開警戒功能，則傳感器進入省電模式，每10s檢測紅外入侵傳感器、火焰傳感器狀況;

(3)若紅外入侵傳感器、火焰傳感器探測到危險情況時，經過路由器可以向報警主機傳送報警信息，由報警主機實時處理，實現聲光報警;

(4)40s后，讀取I/O口接收到的門磁開關等傳感器數據，若檢測有險情時，則經過路由向報警主機轉送報警信息，由報警主機實時處理，實現聲光報警;

(5)若各傳感器檢測到的信息均正常，那么傳感器向報警主機發送安全信息，等待報警主機下一步指令。

4 電路實例

在本系統設計中，實現ZigBee物理層功能的芯片選用TI公司的CC2530，它是嵌入式的片上系統，集成了增強型的8051內核，結合TI Z—STACK協議棧，可以組建自己的無線通信網絡。無線通信GSM模塊選用西門子的TC35i，該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標準的AT命令接口，可以快速、可靠地實現系統方案中短消息與傳真服務、數據與語音傳輸。安防報警系統電路硬件結構圖如圖3所示。

以火焰傳感器模塊為例，火焰傳感器電路連接如圖4所示，圖中J1為火焰傳感器模塊與CC2530單片機之間的接口，CC2530的P0_0端口從火焰傳感器的陰極引腳進行電壓采樣。火焰傳感器的原理是利用熱釋電效應，通過目標與背景的溫差變化來探測目標，以確定火災的發生情況。當火焰傳感器檢測到火源時，其周圍溫度會明顯升高，若溫差變化大于安全閾值，則火焰傳感器的陰極有電壓輸出，將數據傳送至協調器，同時報警。

5 結語

本系統通過軟硬件的設計，實現了基于ZigBee技術的智能無線報警系統。系統具有設計簡單、性價比高、安全可靠等優點，可以對非法入侵、火災、燃氣泄漏等災情隱患進行實時監控及聲光報警，為家居、小區、安防、工業等領域的安全監控與防護提供了一種實用的解決方案，具有很好的應用與推廣價值。