随着无线通信技术的发展，特别是数字通信技术的进步，无线产品性能价格比更趋合理，利用无线技术进行监控、跟踪、定位成为现实。在Zigbee技术之前实现的无线防盗技术，从稳定性、可控对象数目、成本、功耗等方面有着诸多不可逾越的障碍。而Zigbee技术具有低功耗、通信可靠、网络容量大、数据安全等优点，它在这些方面提供了较完美的解决方案。

1 Zigbee技术简介

Zigbee技术是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它的基础是IEEE 802.15.4 ，这是IEEE无线个人区域网PAN(Personal Area Network)工作组的一项标准。IEEE 802.15.4仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee技术联盟对其网络层协议和API进行了标准化，并且负责Zigbee技术的高层应用及市场推广工作。ZigBee技术具备了强大的设备联网功能，它支持星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluster tree)三种主要的自组织无线网络类型。特别是网状结构，它具有很强的网络健壮性和系统可靠性。Zigbee采用了CSMA-CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。ZigBee采用的是直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)技术，可使用的频段有三个，分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段及美国的915MHz频段。不同频段可使用的信道数分别是16、10、1个。ZigBee的传输速率介于20～250Kbps之间，具有低速率、低功耗、高链接数、传输距离远等优点。因此，将Zigbee技术应用在感应式网络(Sensor Network)上，具有相当大的优势。

2 无线防盗系统的构成

该无线防盗系统原理架构图示于图1，该系统由监控座机和监控子机组成。通过将监控子机粘贴在被控对象的内侧或外侧，实现对被控对象的实时监控。系统在监控对象被移动、监控对象超出监控范围、监控对象与子机分离、监控座机和监控子机的电压下降到一定值、监控现场停电等情况时，通过本地响铃、无线警铃、固定电话和手机通知相关人员。该系统可监控子机数目最多可达254个，监控范围半径可达100米，报警响应时间不大于2秒，子机在一节普通锂电池供电下可工作2个月以上。

图1 系统的架构

3 无线防盗系统的工作原理及软硬件设计

座机开机初始化完毕后就进入监控状态，此时如果发现有子机请求添加，则我们可以通过座机面板(操作座机按键须输入密码，下同)的按键做出是否同意添加的判断。如果同意添加，则该子机就处于被监控状态，如果拒绝添加，则该子机就处于休眠状态。处于被监控状态下的子机将每隔10秒定时向座机发送报告正常的信息。

已处于被监控状态下的子机如果被非法移动、丢失或者电压过低，则子机将向座机发出子机异常的信号，座机收到该信号后，通过多种方式向相关人员发出报警。如果需合法移动子机，操作人员可通过座机删除子机，则子机不处于被监控状态，这时操作人员可随意移动子机而不会产生报警。如需重新将子机置于被监控状态，则可通过重启子机，然后操作座机面板按键将子机添加。

3.1 监控座机工作原理及主要功能

监控座机主要完成以下功能：

①通过座机上的面板按键，可以对正在请求增加的子机做出判断，允许或者禁止其加入；也可以删除已加入到网络中的子机。

②对已加入到网络中的子机进行实时监控，正确判断监控子机是否处于监控座机的监控范围内，如果子机超出座机的监控范围、子机被移动或者子机电压过低，则座机发出相应的报警信息，同时将报警信息存人系统FLASH中，并通过本地响铃、无线警铃和有线电话或者手机通知相关人员。

③实现座机的管理密码、座机时间和报警电话的修改、设定。

④实现对报警信息的读取、删除。

图2 监控座机框图

监控座机主要由单片机测控系统组成，包括MCU模块、Zigbee射频模块、语音报警模块、键盘显示电路模块、电源／充电电池模块和Modem拨号模块。监控座机框图示于图2，各模块说明如下。

① MCU模块 采用MC9S08GB60型单片机，采用该芯片作为座机的CPU，使外围电路十分简单。座机的原理图示于图3。

图3 座机的原理图

座机MCU的软件开发环境是Freescale公司的CodeWarrior环境，采用Freescale已经编写好的MAC层软件，通过C语言编程完成应用层的开发。MCU软件流程示于图4。

图4 MCU软件流程图

②Zigbee模块 采用Freescale公司的MC13192芯片。MC13192符合IEEE 802.15.4标准，它选择的工作频率是2.405～2.480GHz，数据传输速率为250Kbps，采用O-QPSK调试方式。这种具有丰富功能的双向2.4GHz收发器带有一个数据调制解调器，可以在ZigBee技术应用中使用，它还具有一个优化的数字核心，有助于降低MCU处理功率，缩短执行周期。内部集成4个定时比较器，使其可以和性能较低、价格低廉的MCU配合使用，以降低成本，广泛的中断服务使MCU编程更为容易。芯片和MCU之间使用SPI接口，使得在MCU选择上具有更大的余地。芯片集成的连接质量和电源检测功能可以为组网和维护提供必要的数据。除此之外，芯片还具有以下的特性：全频谱编码和译码；经济高效的CMOS设计，几乎不需要外部组件；可编程的时钟，供基带MCU使用；标准的4线SPI(以4MHz或更高频率运行)；扩展的范围性能(使用外部低噪音放大器功率放大器)；可编程的输出功率，通常为0dBm，最大可达3.6dBm；超低功率模式；7条GPIO线路；芯片采用2.7V供电，接收状态耗电37mA，发射状态耗电30mA，功耗很低。

③语音报警模块采用ISD1110语音芯片，芯片中存储有语音报警用的语音数字信号，如“现在有报警，请速回现场”等语音数字信息，以备MCU调用。

④键盘及显示模块控制键盘采用数字控制面板，由数字键0-9及确定和取消键组成；显示模块采用可以显示两行字符的LCD，每行可以显示14个字符。

⑤Mt8880拨号模块 由Modem将需发送的数字信号调制成模拟信号通过拨号连接到PSTN公用电话网，完成电话报警，将接收的模拟信号解调为数字信号传给MCU。

3.2 监控子机工作原理及主要功能

监控子机主要完成以下功能：

①定时联络，子机每10秒向座机发送一个正常存在命令帧用以确定子机还处于座机的监控范围内。

②子机被移动报警，如果子机被非法移动，则向座机发送被移动的信号。

③子机超出监控范围报警，如果子机超出规定的范围，则座机便会发现子机超出安全活动范围，发出报警。

④子机低电压报警，如果子机电压低于正常的工作电压时，则向座机发出请求更换电池的信号。

⑤子机丢失报警，如果子机脱离座机监控范围并且超过一定时间，则座机就认为子机已经丢失，座机就会发出报警，通知相关人员进行处理，确保重要设备的安全。

图5 子机框图

子机主要包括MCU模块、Zigbee射频模块、感应模块和电源／充电电池模块4个模块。子机框图示于图5，各模块说明如下：

①MCU模块子机MCU同样采用MC9S08GB60型单片机。子机原理图示于图6。

图6 子机的原理图

子机MCU的软件开发环境为Freescale公司的CodeWarrior环境，采用Freescale已经编写好的MAC层软件，通过c语言编程完成功能 。MCU软件流程示于图7。

图7 MCU软件流程图

②Zigbee模块 同样采用Freescale公司的MC13192芯片。

③感应模块主要由水银开关组成，通过水银开关的断开与闭合，子机完成对被监控设备是否被移动的判断。

④电源／充电电池模块子机由锂电池供电，正常情况下电池可以工作2个月以上。如果电池电压过低，则监控座机将向相关人员发出报警信息，提醒工作人员给子机充电或者更换子机电池。

4 该无线防盗系统的优点

该无线防盗系统利用Zigbee技术在短距离内传送测量数据和控制信息，它具有以下优点：

①安全子机直接粘贴到被控设备的表面或者内部，当被控设备被非法移动甚至丢失时，座机都会通过本地响铃、无线警铃和固定电话或者手机向相关人员发出报警，确保重要设备的安全，这是设计该无线防盗系统的一个重要的原因。长时间的试验结果表明，该系统漏报率和误报率均低于1％ 。

②功耗低 由于ZigBee的传输速率低，发射功率极低，而且采用了休眠模式，因此ZigBee设备非常省电。通过试验，该系统子机仅靠一块普通锂电池就可以维持长达2个月到半年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。

③时延短通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此，该系统子机能快速加入到座机的网络中并且能快速对报警做出响应。

④网络容量大该无线防盗系统最多可以容纳254个从设备和1个主设备，而且网络组成灵活。这也是其它无线设备所达不到的。

⑤检查功能ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES一128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。因此可以确保该系统的无线报警信息不被破解。在我们的防盗系统中又加入了密码本，所有加入到防盗系统的子机都必须知道密码本的内容，否则被拒绝加入。这样可防止恶意设备加入。

⑥多重报警系统中采用了多重的报警方式，在利用本地的报警警铃和电话报警的同时，还增加了无线遥控警铃报警方式(控制半径可达200米)，这样不但可以确保报警可靠，同时还对盗贼起到威慑作用。