基于Zigbee技术的热释电红外报警器设计

摘要：为了满足报警器智能化和网络化的发展需求，提出了一种基于zigbee技术的热释电红外报警器的设计方案，并完成了系统的软硬件设计。在硬件设计上，重点描述了热释电红外传感器和CC2530片上系统的电路设计；软件部分采用了zSTACk协议栈，描述了红外报警和zigbee组网的相关软件流程。实际应用表明，该系统具有功耗低、组网方便的特点，达到了设计要求。
关键词：物联网；热释电红外传感器；Zigbee；报警器

    在物联网成为热点的今天，安全报警设备也向着智能化、数字化和网络化的方向发展，设计便于组网的新型安防设备符合发展要求和市场需求。Zigbee作为一种低功耗、低速率的无线通讯协议，其特点使其能够在智能家居、公共安全、工业监测等众多物联网应用领域有所作为；因此，将Zigbee技术应用到红外报警设备的设计中，能够满足报警设备对于低功耗以及网络化的需求。热释电红外传感器制作简单、成本低，而且性能稳定、抗干扰能力强、灵敏度高，在报警设备中具有较高的应用价值。基于Zigbee技术和热释电红外传感器设计的报警器，具有功耗低、安全可靠和便于组网的优点，可广泛应用于智能家居和其他监控领域。

1 设计方案
    Zigbee是基于IEEE802．11．4协议的一簇扩展集，主要针对于低成本、低功耗的射频应用。低成本使之广泛适用于无线监控的方向的应用；低功耗使之有更长的工作周期；其支持的无线网状网络有更强的可靠性和更广的覆盖范围。报警设备普及到普通的家庭和用户，需要低廉的成本和价格；报警设备需要很低的功耗，一般需要支持工作一年以上；报警器使用无线连接的方式，以便于安装；报警设备需便于加入网络，实现控制和远程报警。基于这些需求分析，Zigbee技术非常适合应用于报警器的设计。

    该设备的总体结构图如图1所示。主要包括传感器部分、信号调理部分、Zigbee网络处理部分和电源管理部分。人体正常体温37摄氏度，会发出波长为10 μm左右的红外线，这种红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到热释电红外传感器上，由于红外线具有很强的热效应，热释电红外传感器将热量变化转化为电量的变化；产生的电信号通过信号调理电话的处理和放大，以中断信号的形式传递给Zigbee处理器，处理器将报警信息处理后通过Zigbee网络发送给网关设备。

2 硬件设计
    设备的硬件主要有两大功能部分组成，一部分为热释电红外报警电路，一部分为Zigbee电路。在报警器的外壳上有一片菲涅尔透镜，热释电红外传感器位于菲尼尔透镜的焦点位置，菲尼尔透镜使用聚乙烯塑料片制成，一般为乳白色，呈现半透明状，但对于波长为10微米左右的红外线来说是透明的。本设备使用的热释电红外传感器为RE200B，RE200B采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，并配合双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。

    人体产生的红外线，通过菲尼尔透镜聚焦到红外传感器RE200B上，RE200B将热量的变化转化为电信号送到信号处理器BISS0001中。热释电红外报警电路如图2所示。BISS0001是红外传感信号处理器，是由运算放大器、电压比较器和状态控制器、延迟时间定时器、封锁时间定时器及参考电压源等构成的数模混合专用集成电路。电信号输入到14引脚，经过两级运算放大器放大后，进入电压比较器，在状态控制器和时间延时器的控制下，输出正确的波形信号。图中RR1、RC1所接的电容和电阻用来确定信号延迟时间，图中参数信号延时时间大约为1s；RR2、RC2所接的电容和电阻用来确定信号封锁时间，图中参数信号封锁时间大约为5 s。这样红外传感器RE200B产生有效电信号输入时，BISS0001的输出端会输出1 s左右的高电平，并且在5 s左右的时间内只能输出一次。输出的模拟信号经过后续电路的处理转变为数字信号，以中断信号的形式提供给Zigbee处理器。

    本设备选用的Zigbee芯片为德州仪器公司的CC2530。CC2530是一个真正的用于IEEE802．15．4、Zigbee和RF4CE应用的片上系统，它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点；CC2530集成了业内领先的RF收发器、增强工业标准的8051 MCU，在系统可编程Flash存储器，8-KBRAM和许多其他强大功能。CC2530部分的电路图如图3所示，两个晶振32 MHz和32．768 kHZ，其中32．768 kHZ的晶振主要应用于睡眠定时器，在实际应用中如果不需要可以去掉以降低成本；RF端经过处理后接收发天线，天线可以是外置天线，也可以是PCB天线，本设备设计的是倒F形状的PCB天线，倒F天线具有结构简单、重量轻、可共形、制造成本低、辐射效率高、容易实现多频段工作等独特优点，非常适合应用到本设备中。

3 软件设计
    CC2530片上系统结合德州仪器公司的Zigbee协议栈，可以提供强大和完整的Zigbee解决方案。本设备在软件上移植了德州仪器的zSTACK协议栈，该协议栈提供了一个名为操作系统抽象层OSAL的协议栈调度程序，OSAL提供任务调度、时间管理、原语通信等系统功能，基于OSAL可以方便完成各种软件任务。
    设备的主要软件流程如图4所示，系统完成硬件等的各种初始化任务后，寻找Zigbee网络中的的协调器设备，将本节点的基本信息通知协调器，成功加入到该网络；系统处理完各个任务后，进入到低功耗休眠状态，以节省电量；当处理器接收到红外报警信号处理器发过来的中断信号时，结束休眠状态进入中断处理程序，处理程序将报警信息通过射频发送到网络中的协调器；系统处理完后再次进入到休眠状态。

    低功耗设计为软件设计的重点和难点，在此重点介绍一下。zStakc提供了两种sleep模式，LITE和DEEP。当系统需要唤醒去执行一些周期性的事件时，使用LITE sleep；当系统没有被定制周期事件而是通过外部中断来唤醒设备，使用DEEP sleep。本设备的大部分时间都是处于DEEP sleep状态，这样才能降低功耗。实现低功耗的具体步骤为：在编译选项中添加POWER_SAVING，开启系统低功耗支持；在系统配置文件中关闭自动轮询消息功能，将DPOLLRATE、DQUEUED_POLL_RATE、DRESPONSE_POLL_RATE 3个参数设置为0，并将DRFD_RCVC_ALWAYS_ON参数设置为FALSE；关闭系统的按键轮询任务，确定系统没有周期性的激励事件。设置成功后，系统在没有唤醒事件是就会进入低功耗休眠状态。

4 设备应用
    将本设备主要应用于智能家居系统中。本设备上电工作之前，应该确定Zigbee网络已经建立，设备上电后会自动加入该Zigbee网络，并向网络中的协调器发送自身的设备信息，协调器保存设备信息用于管理和控制设备；该报警设备可以覆盖周围角度120度、范围4～10 m的空间，当设备处于布防状态时，如果有人体进入布防空间报警器会产生报警信号，并上报；报警器设备采用两节5号干电池供电，设备在休眠状态的电流消耗仅为10μA，可以正常工作一年以上的时间。
    本设备在实际时，要符合安装要求。一般应安装在离地面2 m左右的位置；设备应远离空调、射灯等空气温度变化敏感的地方；避免有大型遮挡物和正对窗口；避免阳光照射。符合安装条件的设备，可以达到最佳检测效果。

5 结论
    本热释电红外防盗报警器基于Zigbee技术，在硬件上选用德州仪器的CC2530片上系统作为解决方案，在软件设计上移植了zSTACK协议栈，提供了完整的Zigbee网络服务。该报警器已经通过测试，实际应用中表明该报警器具有功耗低、灵敏度高、便于组网、稳定可靠等特点，达到了设计要求。