基于Zigbee技术的热释电红外报警器设计
2012-09-26于良杰庄汝科李小伟欧阳红晋
王 勇,于良杰,庄汝科,李小伟,孙 睿,欧阳红晋
(山东省汽车电子技术重点实验室 山东省科学院自动化研究所,山东 济南 250014)
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[1];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[2]。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[3],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。
图1 报警器总体结构图Fig.1 Alarm structure diagram
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[3]。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[4]。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1 s;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。
图2 热释电红外报警电路Fig.2 Alarm circuit of pyroelectric infrared
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[5]。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
图3 Zigbee CC2530分电路Fig.3 Circuit of CC2530
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[6]。
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。
图4 软件流程图Fig.4 Software flow chart
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DPOLL_RATE、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10 μA,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[7]、稳定可靠等特点,达到了设计要求。
[1]马驹.Zigbee在物联网中的应用 [J].科协论坛,2011(2):34-35.
MA Ju.The application of Zigbee in Internet of things[J].Technology Association Forum,2011(2):34-35.
[2]叶兴贵,缪希仁.基于Zigbee的智能家居物联网系统[J].现代建筑电气,2010,1(9):25-27.
YE Xing-gui,MIAO Xi-ren.Smart home IoT technology system based on ZigBee[J].Modern Architecture Electric,2010,1(9):25-27.
[3]吕凡.热释电红外报警器的设计 [J].廊坊师范学院学报,2009,9(3):62-64.
LV Fan.Pyroelectric infrared detectors designed[J].Journal of Langfang Teachers College,2009,9(3):62-64.
[4]李育红.基于BISS0001的热释电红外开关 [J].科学之友,2011(7):22-23.
LI Yu-hong.BISS0001 based pyroelectric infrared switch[J].Friend of Science Amateurs,2011(7):22-23.
[5]Texas Instruments.CC253x System-on-chip Solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 and Zigbee Applications User’s Guid[EB/OL].(2009-04) [2012-02-08].http://www.ti.com/lit/ds/swrs086a/swrs086a.pdf.
[6]Texas Instruments.Z-Stack Developer’s Guide[EB/OL].(2009-09) [2012-02-08].http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/swra176/swra176.pdf.
[7]栗然,王飞.直驱型风电系统低电压穿越技术仿真分析[J].陕西电力,2011(11):35-38.
LI Ran,WANG Fei.Simulation analysis on low voltage ridethrough technologies for direct drive wind power system[J].Shaanxi Electric Power,2011(11):35-38.