基於Zigbee技術的無線防盜系統的實現方案

    隨著無線通信技術的發展，特別是數字通信技術的進步，無線產品性能價格比更趨合理，利用無線技術進行監控、跟蹤、定位成為現實。在Zigbee技術之前實現的無線防盜技術，從穩定性、可控對象數目、成本、功耗等方面有著諸多不可逾越的障礙。而Zigbee技術具有低功耗、通信可靠、網路容量大、數據安全等優點，它在這些方面提供了較完美的解決方案。
    該無線防盜系統直接用於需要重點監控、防止丟失的貴重設備。將含有Zigbee模塊的子機粘貼在重要設備當中或者表面，當被監控設備被非法移動或者丟失時，監控座機將以多種形式向有關人員發出報警信息，從而確保了重要設備的安全，真正地實現了對重要設備的全天候、全空間、針對性強的監控和保護。

1 Zigbee技術簡介
    Zigbee技術是一種新興的短距離、低速率無線網路技術，它的基礎是IEEE 802.15.4 ，這是IEEE無線個人區域網PAN(Personal Area Network)工作組的一項標準。IEEE 802.15.4僅處理低級MAC層和物理層協議，因此Zigbee技術聯盟對其網路層協議和API進行了標準化，並且負責Zigbee技術的高層應用及市場推廣工作。ZigBee技術具備了強大的設備聯網功能，它支持星型結構、網狀結構(Mesh)和簇狀結構(Cluster tree)三種主要的自組織無線網路類型。特別是網狀結構，它具有很強的網路健壯性和系統可靠性。Zigbee採用了CSMA-CA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和衝突；MAC層採用了完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。ZigBee採用的是直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum)技術，可使用的頻段有三個，分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段及美國的915MHz頻段。不同頻段可使用的通道數分別是16、10、1個。ZigBee的傳輸速率介於20～250Kbps之間，具有低速率、低功耗、高鏈接數、傳輸距離遠等優點。因此，將Zigbee技術應用在感應式網路(Sensor Network)上，具有相當大的優勢。

2 無線防盜系統的構成
    該無線防盜系統原理架構圖示於圖1，該系統由監控座機和監控子機組成。通過將監控子機粘貼在被控對象的內側或外側，實現對被控對象的實時監控。系統在監控對象被移動、監控對象超出監控範圍、監控對象與子機分離、監控座機和監控子機的電壓下降到一定值、監控現場停電等情況時，通過本地響鈴、無線警鈴、固定電話和手機通知相關人員。該系統可監控子機數目最多可達254個，監控範圍半徑可達100米，報警響應時間不大於2秒，子機在一節普通鋰電池供電下可工作2個月以上。
 
圖1 系統的架構

3 無線防盜系統的工作原理及軟硬體設計
    座機開機初始化完畢后就進入監控狀態，此時如果發現有子機請求添加，則我們可以通過座機面板(操作座機按鍵須輸入密碼，下同)的按鍵做出是否同意添加的判斷。如果同意添加，則該子機就處於被監控狀態，如果拒絕添加，則該子機就處於休眠狀態。處於被監控狀態下的子機將每隔10秒定時向座機發送報告正常的信息。
    已處於被監控狀態下的子機如果被非法移動、丟失或者電壓過低，則子機將向座機發齣子機異常的信號，座機收到該信號后，通過多種方式向相關人員發出報警。如果需合法移動子機，操作人員可通過座機刪除子機，則子機不處於被監控狀態，這時操作人員可隨意移動子機而不會產生報警。如需重新將子機置於被監控狀態，則可通過重啟子機，然後操作座機面板按鍵將子機添加。

3.1 監控座機工作原理及主要功能
監控座機主要完成以下功能：
①通過座機上的面板按鍵，可以對正在請求增加的子機做出判斷，允許或者禁止其加入；也可以刪除已加入到網路中的子機。
②對已加入到網路中的子機進行實時監控，正確判斷監控子機是否處於監控座機的監控範圍內，如果子機超出座機的監控範圍、子機被移動或者子機電壓過低，則座機發出相應的報警信息，同時將報警信息存人系統FLASH中，並通過本地響鈴、無線警鈴和有線電話或者手機通知相關人員。
③實現座機的管理密碼、座機時間和報警電話的修改、設定。
④實現對報警信息的讀取、刪除。
 
圖2 監控座機框圖
    監控座機主要由單片機測控系統組成，包括MCU模塊、Zigbee射頻模塊、語音報警模塊、鍵盤顯示電路模塊、電源／充電電池模塊和Modem撥號模塊。監控座機框圖示於圖2，各模塊說明如下。
① MCU模塊 採用MC9S08GB60型單片機，採用該晶元作為座機的CPU，使外圍電路十分簡單。座機的原理圖示於圖3。
 
圖3 座機的原理圖
    座機MCU的軟體開發環境是Freescale公司的CodeWarrior環境，採用Freescale已經編寫好的MAC層軟體，通過C語言編程完成應用層的開發。MCU軟體流程示於圖4。
 
圖4 MCU軟體流程圖
②Zigbee模塊 採用Freescale公司的MC13192晶元。MC13192符合IEEE 802.15.4標準，它選擇的工作頻率是2.405～2.480GHz，數據傳輸速率為250Kbps，採用O-QPSK調試方式。這種具有豐富功能的雙向2.4GHz收發器帶有一個數據數據機，可以在ZigBee技術應用中使用，它還具有一個優化的數字核心，有助於降低MCU處理功率，縮短執行周期。內部集成4個定時比較器，使其可以和性能較低、價格低廉的MCU配合使用，以降低成本，廣泛的中斷服務使MCU編程更為容易。晶元和MCU之間使用SPI介面，使得在MCU選擇上具有更大的餘地。晶元集成的連接質量和電源檢測功能可以為組網和維護提供必要的數據。除此之外，晶元還具有以下的特性：全頻譜編碼和解碼；經濟高效的CMOS設計，幾乎不需要外部組件；可編程的時鐘，供基帶MCU使用；標準的4線SPI(以4MHz或更高頻率運行)；擴展的範圍性能(使用外部低噪音放大器功率放大器)；可編程的輸出功率，通常為0dBm，最大可達3.6dBm；超低功率模式；7條GPIO線路；晶元採用2.7V供電，接收狀態耗電37mA，發射狀態耗電30mA，功耗很低。
③語音報警模塊採用ISD1110語音晶元，晶元中存儲有語音報警用的語音數字信號，如“現在有報警，請速回現場”等語音數字信息，以備MCU調用。
④鍵盤及顯示模塊控制鍵盤採用數字控制面板，由數字鍵0-9及確定和取消鍵組成；顯示模塊採用可以顯示兩行字元的LCD，每行可以顯示14個字元。
⑤Mt8880撥號模塊 由Modem將需發送的數字信號調製成模擬信號通過撥號連接到PSTN公用電話網，完成電話報警，將接收的模擬信號解調為數字信號傳給MCU。

3.2 監控子機工作原理及主要功能
監控子機主要完成以下功能：
①定時聯絡，子機每10秒向座機發送一個正常存在命令幀用以確定子機還處於座機的監控範圍內。
②子機被移動報警，如果子機被非法移動，則向座機發送被移動的信號。
③子機超出監控範圍報警，如果子機超出規定的範圍，則座機便會發現子機超出安全活動範圍，發出報警。
④子機低電壓報警，如果子機電壓低於正常的工作電壓時，則向座機發出請求更換電池的信號。
⑤子機丟失報警，如果子機脫離座機監控範圍並且超過一定時間，則座機就認為子機已經丟失，座機就會發出報警，通知相關人員進行處理，確保重要設備的安全。
 
圖5 子機框圖
    子機主要包括MCU模塊、Zigbee射頻模塊、感應模塊和電源／充電電池模塊4個模塊。子機框圖示於圖5，各模塊說明如下：
①MCU模塊子機MCU同樣採用MC9S08GB60型單片機。子機原理圖示於圖6。
 
圖6 子機的原理圖
    子機MCU的軟體開發環境為Freescale公司的CodeWarrior環境，採用Freescale已經編寫好的MAC層軟體，通過c語言編程完成功能 。MCU軟體流程示於圖7。
 
圖7 MCU軟體流程圖
②Zigbee模塊 同樣採用Freescale公司的MC13192晶元。
③感應模塊主要由水銀開關組成，通過水銀開關的斷開與閉合，子機完成對被監控設備是否被移動的判斷。
④電源／充電電池模塊子機由鋰電池供電，正常情況下電池可以工作2個月以上。如果電池電壓過低，則監控座機將向相關人員發出報警信息，提醒工作人員給子機充電或者更換子機電池。

4 該無線防盜系統的優點
    該無線防盜系統利用Zigbee技術在短距離內傳送測量數據和控制信息，它具有以下優點：
①安全子機直接粘貼到被控設備的表面或者內部，當被控設備被非法移動甚至丟失時，座機都會通過本地響鈴、無線警鈴和固定電話或者手機向相關人員發出報警，確保重要設備的安全，這是設計該無線防盜系統的一個重要的原因。長時間的試驗結果表明，該系統漏報率和誤報率均低於1％ 。
②功耗低 由於ZigBee的傳輸速率低，發射功率極低，而且採用了休眠模式，因此ZigBee設備非常省電。通過試驗，該系統子機僅靠一塊普通鋰電池就可以維持長達2個月到半年左右的使用時間，這是其它無線設備望塵莫及的。
③時延短通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30ms，休眠激活的時延是15ms，活動設備通道接入的時延為15ms。因此，該系統子機能快速加入到座機的網路中並且能快速對報警做出響應。
④網路容量大該無線防盜系統最多可以容納254個從設備和1個主設備，而且網路組成靈活。這也是其它無線設備所達不到的。
⑤檢查功能ZigBee提供了基於循環冗餘校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，採用了AES一128的加密演算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。因此可以確保該系統的無線報警信息不被破解。在我們的防盜系統中又加入了密碼本，所有加入到防盜系統的子機都必須知道密碼本的內容，否則被拒絕加入。這樣可防止惡意設備加入。
⑥多重報警系統中採用了多重的報警方式，在利用本地的報警警鈴和電話報警的同時，還增加了無線遙控警鈴報警方式(控制半徑可達200米)，這樣不但可以確保報警可靠，同時還對盜賊起到威懾作用。