基于Zigbee技術的熱釋電紅外報警器設計

王 勇，于良杰，莊汝科，李小偉，孫 睿，歐陽紅晉

（山東省汽車電子技術重點實驗室 山東省科學院自動化研究所，山東 濟南 250014）

在物聯網成為熱點的今天，安全報警設備也向著智能化、數字化和網絡化的方向發展，設計便于組網的新型安防設備符合發展要求和市場需求。Zigbee作為一種低功耗、低速率的無線通訊協議，其特點使其能夠在智能家居、公共安全、工業監測等眾多物聯網應用領域有所作為[1]；因此，將Zigbee技術應用到紅外報警設備的設計中，能夠滿足報警設備對于低功耗以及網絡化的需求。熱釋電紅外傳感器制作簡單、成本低，而且性能穩定、抗干擾能力強、靈敏度高，在報警設備中具有較高的應用價值。基于Zigbee技術和熱釋電紅外傳感器設計的報警器，具有功耗低、安全可靠和便于組網的優點，可廣泛應用于智能家居和其他監控領域。

1 設計方案

Zigbee是基于IEEE802.11.4協議的一簇擴展集，主要針對于低成本、低功耗的射頻應用[2]。低成本使之廣泛適用于無線監控的方向的應用；低功耗使之有更長的工作周期；其支持的無線網狀網絡有更強的可靠性和更廣的覆蓋范圍。報警設備普及到普通的家庭和用戶，需要低廉的成本和價格；報警設備需要很低的功耗，一般需要支持工作一年以上；報警器使用無線連接的方式，以便于安裝；報警設備需便于加入網絡，實現控制和遠程報警。基于這些需求分析，Zigbee技術非常適合應用于報警器的設計。

該設備的總體結構圖如圖1所示。主要包括傳感器部分、信號調理部分、Zigbee網絡處理部分和電源管理部分。人體正常體溫37攝氏度，會發出波長為10 μm左右的紅外線，這種紅外線通過菲涅爾濾光片增強后聚集到熱釋電紅外傳感器上[3]，由于紅外線具有很強的熱效應，熱釋電紅外傳感器將熱量變化轉化為電量的變化；產生的電信號通過信號調理電話的處理和放大，以中斷信號的形式傳遞給Zigbee處理器，處理器將報警信息處理后通過Zigbee網絡發送給網關設備。

圖1 報警器總體結構圖Fig.1 Alarm structure diagram

2 硬件設計

設備的硬件主要有兩大功能部分組成，一部分為熱釋電紅外報警電路，一部分為Zigbee電路。在報警器的外殼上有一片菲涅爾透鏡，熱釋電紅外傳感器位于菲尼爾透鏡的焦點位置，菲尼爾透鏡使用聚乙烯塑料片制成，一般為乳白色，呈現半透明狀，但對于波長為10微米左右的紅外線來說是透明的[3]。本設備使用的熱釋電紅外傳感器為RE200B，RE200B采用熱釋電材料極化隨溫度變化的特性探測紅外輻射，并配合雙靈敏元互補方法抑制溫度變化產生的干擾，提高了傳感器的工作穩定性。

人體產生的紅外線，通過菲尼爾透鏡聚焦到紅外傳感器RE200B上，RE200B將熱量的變化轉化為電信號送到信號處理器BISS0001中。熱釋電紅外報警電路如圖2所示。BISS0001是紅外傳感信號處理器，是由運算放大器、電壓比較器和狀態控制器、延遲時間定時器、封鎖時間定時器及參考電壓源等構成的數模混合專用集成電路[4]。電信號輸入到14引腳，經過兩級運算放大器放大后，進入電壓比較器，在狀態控制器和時間延時器的控制下，輸出正確的波形信號。圖中RR1、RC1所接的電容和電阻用來確定信號延遲時間，圖中參數信號延時時間大約為1 s；RR2、RC2所接的電容和電阻用來確定信號封鎖時間，圖中參數信號封鎖時間大約為5 s。這樣紅外傳感器RE200B產生有效電信號輸入時，BISS0001的輸出端會輸出1 s左右的高電平，并且在5 s左右的時間內只能輸出一次。輸出的模擬信號經過后續電路的處理轉變為數字信號，以中斷信號的形式提供給Zigbee處理器。

圖2 熱釋電紅外報警電路Fig.2 Alarm circuit of pyroelectric infrared

本設備選用的Zigbee芯片為德州儀器公司的CC2530。CC2530是一個真正的用于 IEEE802.15.4、Zigbee和RF4CE應用的片上系統，它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點；CC2530集成了業內領先的RF收發器、增強工業標準的8051 MCU，在系統可編程Flash存儲器，8-KBRAM和許多其他強大功能[5]。CC2530部分的電路圖如圖3所示，兩個晶振32 MHz和32.768 kHZ，其中32.768 kHZ的晶振主要應用于睡眠定時器，在實際應用中如果不需要可以去掉以降低成本；RF端經過處理后接收發天線，天線可以是外置天線，也可以是PCB天線，本設備設計的是倒F形狀的PCB天線，倒F天線具有結構簡單、重量輕、可共形、制造成本低、輻射效率高、容易實現多頻段工作等獨特優點，非常適合應用到本設備中。

3 軟件設計

圖3 Zigbee CC2530分電路Fig.3 Circuit of CC2530

CC2530片上系統結合德州儀器公司的Zigbee協議棧，可以提供強大和完整的Zigbee解決方案。本設備在軟件上移植了德州儀器的zSTACK協議棧，該協議棧提供了一個名為操作系統抽象層OSAL的協議棧調度程序，OSAL提供任務調度、時間管理、原語通信等系統功能，基于OSAL可以方便完成各種軟件任務[6]。

設備的主要軟件流程如圖4所示，系統完成硬件等的各種初始化任務后，尋找Zigbee網絡中的的協調器設備，將本節點的基本信息通知協調器，成功加入到該網絡；系統處理完各個任務后，進入到低功耗休眠狀態，以節省電量；當處理器接收到紅外報警信號處理器發過來的中斷信號時，結束休眠狀態進入中斷處理程序，處理程序將報警信息通過射頻發送到網絡中的協調器；系統處理完后再次進入到休眠狀態。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow chart

低功耗設計為軟件設計的重點和難點，在此重點介紹一下。zStakc提供了兩種sleep模式，LITE和DEEP。當系統需要喚醒去執行一些周期性的事件時，使用LITE sleep；當系統沒有被定制周期事件而是通過外部中斷來喚醒設備，使用DEEP sleep。本設備的大部分時間都是處于DEEP sleep狀態，這樣才能降低功耗。實現低功耗的具體步驟為：在編譯選項中添加POWER_SAVING，開啟系統低功耗支持；在系統配置文件中關閉自動輪詢消息功能，將DPOLL_RATE、DQUEUED_POLL_RATE、DRESPONSE_POLL_RATE 3 個 參數設置為0，并將DRFD_RCVC_ALWAYS_ON參數設置為FALSE；關閉系統的按鍵輪詢任務，確定系統沒有周期性的激勵事件。設置成功后，系統在沒有喚醒事件是就會進入低功耗休眠狀態。

4 設備應用

將本設備主要應用于智能家居系統中。本設備上電工作之前，應該確定Zigbee網絡已經建立，設備上電后會自動加入該Zigbee網絡，并向網絡中的協調器發送自身的設備信息，協調器保存設備信息用于管理和控制設備；該報警設備可以覆蓋周圍角度120度、范圍4～10 m的空間，當設備處于布防狀態時，如果有人體進入布防空間報警器會產生報警信號，并上報；報警器設備采用兩節5號干電池供電，設備在休眠狀態的電流消耗僅為10 μA，可以正常工作一年以上的時間。

本設備在實際時，要符合安裝要求。一般應安裝在離地面2 m左右的位置；設備應遠離空調、射燈等空氣溫度變化敏感的地方；避免有大型遮擋物和正對窗口；避免陽光照射。符合安裝條件的設備，可以達到最佳檢測效果。

5 結 論

本熱釋電紅外防盜報警器基于Zigbee技術，在硬件上選用德州儀器的CC2530片上系統作為解決方案，在軟件設計上移植了zSTACK協議棧，提供了完整的Zigbee網絡服務。該報警器已經通過測試，實際應用中表明該報警器具有功耗低、靈敏度高、便于組網[7]、穩定可靠等特點，達到了設計要求。

[1]馬駒.Zigbee在物聯網中的應用 [J].科協論壇，2011（2）：34-35.

MA Ju.The application of Zigbee in Internet of things[J].Technology Association Forum，2011（2）：34-35.

[2]葉興貴，繆希仁.基于Zigbee的智能家居物聯網系統[J].現代建筑電氣，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]呂凡.熱釋電紅外報警器的設計 [J].廊坊師范學院學報，2009，9（3）：62-64.

LV Fan.Pyroelectric infrared detectors designed[J].Journal of Langfang Teachers College，2009，9（3）：62-64.

[4]李育紅.基于BISS0001的熱釋電紅外開關 [J].科學之友，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，王飛.直驅型風電系統低電壓穿越技術仿真分析[J].陜西電力，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.