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[摘 要]安全是机场发展永恒的第一主题，是一切发展的前提，机场围界是保障飞行区飞行器等安全的重要屏障，当有非法入侵时进行报警并进行及时处理。本文旨在阐述ZigBee网络在机场围界入侵报警系统中的应用，对ZigBee网络在机场围界入侵报警系统通信网络中的组网方式进行了研究和设计，同时进行了基于CC2530的网络节点的硬件设计。
[关键词]ZigBee 机场围界 入侵报警 设计
引言
近年来航空客流量逐步加大，为了保证机场安全运行，我国许多大中型机场都提升了安全防范等级，安装了机场围界入侵报警系统。入侵报警系统由前端探测器、报警信号传输网络和监控平台等组成。探测器的功能主要是探测是否有人入侵机场围界，当有人入侵时探测器将报警信号通过信号传输网络发送到网络监控平台。
探测器的种类有很多，机场目前用到的有震动电缆、震动光缆、张力围栏、激光对射器、泄露电缆等，无论是采用哪种设备，它们都需要把探测到的入侵报警信号通过信号传输网络发送到监控平台，这样监控平台才能反应前端设备的状态。目前大部分信号传输网络都采用的是485总线或者CAN总线，都属于有线通信网络。机场围界长度从几公里到几十公里，这种情况下采用有线通信方式，通信线缆是一笔敖贵的开销，而且也增加了施工的复杂程度。本文提出了一种基于Zigbee技术的无线信息传输网络，即降低了成本又减小了施工难度。
一、ZigBee技术简介
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗网络协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。
（1）ZigBee协议栈
ZigBee 协议结构采用OSI 七层模型，在这个基础上可根据应用的实际需要定义。ZigBee通讯基础是IEEE802.15.4标准，该标准定义了物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）的标准；ZigBee 联盟则定义了ZigBee 协议的网络层（NWK）、应用层（APL）和安全服务规范。
（2）网络节点类型
ZigBee网络节点的设备类型分为两种：全功能设备节点（FFD）和精简功能设备节点（RFD）。全功能设备节点可担任三种网络角色：网络协调器，网络路由器或网络终端节点。全功能设备节点可以和精简功能设备节点进行通讯也可以和其它全功能设备节点进行通讯。精简功能设备节点只能和全功能设备节点进行通讯。精简功能设备节点只能作为网络终端节点。其主要是为了那些功能非常简单，通信数据量小，每次只需和全功能设备节点进行通讯的应用。精简功能设备节点的实现只需最小的资源和存储容量。
（3）网络拓扑结构
ZigBee网络支持星型、树型和网状三种网络拓扑结构。对于星型网络，整个网络由一个全功能设备节点担任网络协调器，负责网络的建立、初始化及维护，其它全功能设备节点和精简功能设备节点将直接与网络协调器进行通讯。对于树型或网状网络，网络由一个全功能设备节点担任网络协调器，负责建立、初始化和设置网络，但网络的扩展由全功能设备节点担任的路由器设备负责。
（4）技术特点
ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。
ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。传输速率每秒250kbps，安全可靠，提供了数据完整性检查及鉴权功能， 加密算法采用AES-128， 具体应用可灵活确定采用何种安全机制。
与CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每片ZigBee芯片售价约1至2美元。
二、系统方案设计
机场围界入侵报警系统网络采用ZigBee无线信息传输网络，信息传输网络由报警探测器配备的ZigBee基站组成，在这个网络里所有的ZigBee节点都是全功能节点，它们同时起到网络协调、网络路由和网络终端的作用。ZigBee基站和报警探测器之接通过TTL电平USART连接，报警探测器将信息通过USART发送到ZigBee基站，再由ZigBee无线网络将数据发送到网关，通过网关将ZigBee网络的信息传送到机场内部有线网上，最后传送到报警监控平台。
三、基于CC2530的网络节点设计
（1）网络节点方案设计
本设计无线通信模块采用CC2530 芯片外加射频前端放大电路CC2591，用来放大输出功率，大大简化了射频电路的设计。两个LED状态显示灯用来显示通信模块的工作以及通信状态，有线通信接口采用TTL电平USART接口，和报警探测器做通信。
（2）主要芯片性能
CC2530是德州仪器（TI）日前推出的完整的用于2.4GHz IEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee 的第二代片上系统解决方案。它结合了高性能的2.4GHz直接序列扩频射频收发器和一个高性能低功耗的8051 微控制器，用于搭建功能健全价格低廉的网络节点。
CC2591 是TI 公司推出的一款高性能、低成本的RF 前端模块，集成了开关、电感器、平衡/不平衡网络、匹配网络、PA 功率放大器等功能。可将输出功率提高+22dBm，接收灵敏度提高+6dB。CC2591 可与TI 公司的所有2.4GHzRF 收发器直接连接，大大改善了RF 性能，用极少的外围电路实现高输出功率。
（3）网络节点电路设计
网络节点电路图主要由CC2530以及外围电路组成，如图5所示。晶体Y2和电容C4、C5组成震荡电路，为CC2530的51内核提供始终电路。LED指示灯D1、D2是？ZigBee通信状态指示等。数字IO口P0_0-P0_4连接射频功率放大模块的数字接口，CC2530的天线端连接CC2530的模拟接口，通过信号放大后ZigBee的通信距离从75米扩大到了将近1km。
四、结束语
本文是笔者对ZigBee网络在机场围界报警系统中应用的设计方案的拙见，在介绍ZigBee网络相关知识的基础上，以CC2530 模块为硬件基础，外加CC2591 功放模块，进行ZigBee通信模块的设计。如何完善机场围界的安全需全民航工作者的共同努力，欢迎阅提出宝贵的意见和建议。
参考文献：
[1] IEEE Std 802.15.4-2003. Wireless Medium Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY）Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks （LR-WPANs）[S]. New York，USA：The Institute of Electrical and Electronics Engineers， Inc.， 2003.5.
[2] ZigBee-Specification V1.0[Z]. USA：ZigBee Alliance， Inc.， 2005.6.
[3] SWRS081B –APRIL 2009–REVISED FEBRUARY 2011.
作者简介： 张娟（1975年），女，北京市人，2010年毕业于中国民航大学交通运输工程专业，硕士研究生，工程师，从事民航机场工程项目管理工作。
[关键词]ZigBee 机场围界 入侵报警 设计
引言
近年来航空客流量逐步加大，为了保证机场安全运行，我国许多大中型机场都提升了安全防范等级，安装了机场围界入侵报警系统。入侵报警系统由前端探测器、报警信号传输网络和监控平台等组成。探测器的功能主要是探测是否有人入侵机场围界，当有人入侵时探测器将报警信号通过信号传输网络发送到网络监控平台。
探测器的种类有很多，机场目前用到的有震动电缆、震动光缆、张力围栏、激光对射器、泄露电缆等，无论是采用哪种设备，它们都需要把探测到的入侵报警信号通过信号传输网络发送到监控平台，这样监控平台才能反应前端设备的状态。目前大部分信号传输网络都采用的是485总线或者CAN总线，都属于有线通信网络。机场围界长度从几公里到几十公里，这种情况下采用有线通信方式，通信线缆是一笔敖贵的开销，而且也增加了施工的复杂程度。本文提出了一种基于Zigbee技术的无线信息传输网络，即降低了成本又减小了施工难度。
一、ZigBee技术简介
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗网络协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。
（1）ZigBee协议栈
ZigBee 协议结构采用OSI 七层模型，在这个基础上可根据应用的实际需要定义。ZigBee通讯基础是IEEE802.15.4标准，该标准定义了物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）的标准；ZigBee 联盟则定义了ZigBee 协议的网络层（NWK）、应用层（APL）和安全服务规范。
（2）网络节点类型
ZigBee网络节点的设备类型分为两种：全功能设备节点（FFD）和精简功能设备节点（RFD）。全功能设备节点可担任三种网络角色：网络协调器，网络路由器或网络终端节点。全功能设备节点可以和精简功能设备节点进行通讯也可以和其它全功能设备节点进行通讯。精简功能设备节点只能和全功能设备节点进行通讯。精简功能设备节点只能作为网络终端节点。其主要是为了那些功能非常简单，通信数据量小，每次只需和全功能设备节点进行通讯的应用。精简功能设备节点的实现只需最小的资源和存储容量。
（3）网络拓扑结构
ZigBee网络支持星型、树型和网状三种网络拓扑结构。对于星型网络，整个网络由一个全功能设备节点担任网络协调器，负责网络的建立、初始化及维护，其它全功能设备节点和精简功能设备节点将直接与网络协调器进行通讯。对于树型或网状网络，网络由一个全功能设备节点担任网络协调器，负责建立、初始化和设置网络，但网络的扩展由全功能设备节点担任的路由器设备负责。
（4）技术特点
ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。
ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。传输速率每秒250kbps，安全可靠，提供了数据完整性检查及鉴权功能， 加密算法采用AES-128， 具体应用可灵活确定采用何种安全机制。
与CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每片ZigBee芯片售价约1至2美元。
二、系统方案设计
机场围界入侵报警系统网络采用ZigBee无线信息传输网络，信息传输网络由报警探测器配备的ZigBee基站组成，在这个网络里所有的ZigBee节点都是全功能节点，它们同时起到网络协调、网络路由和网络终端的作用。ZigBee基站和报警探测器之接通过TTL电平USART连接，报警探测器将信息通过USART发送到ZigBee基站，再由ZigBee无线网络将数据发送到网关，通过网关将ZigBee网络的信息传送到机场内部有线网上，最后传送到报警监控平台。
三、基于CC2530的网络节点设计
（1）网络节点方案设计
本设计无线通信模块采用CC2530 芯片外加射频前端放大电路CC2591，用来放大输出功率，大大简化了射频电路的设计。两个LED状态显示灯用来显示通信模块的工作以及通信状态，有线通信接口采用TTL电平USART接口，和报警探测器做通信。
（2）主要芯片性能
CC2530是德州仪器（TI）日前推出的完整的用于2.4GHz IEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee 的第二代片上系统解决方案。它结合了高性能的2.4GHz直接序列扩频射频收发器和一个高性能低功耗的8051 微控制器，用于搭建功能健全价格低廉的网络节点。
CC2591 是TI 公司推出的一款高性能、低成本的RF 前端模块，集成了开关、电感器、平衡/不平衡网络、匹配网络、PA 功率放大器等功能。可将输出功率提高+22dBm，接收灵敏度提高+6dB。CC2591 可与TI 公司的所有2.4GHzRF 收发器直接连接，大大改善了RF 性能，用极少的外围电路实现高输出功率。
（3）网络节点电路设计
网络节点电路图主要由CC2530以及外围电路组成，如图5所示。晶体Y2和电容C4、C5组成震荡电路，为CC2530的51内核提供始终电路。LED指示灯D1、D2是？ZigBee通信状态指示等。数字IO口P0_0-P0_4连接射频功率放大模块的数字接口，CC2530的天线端连接CC2530的模拟接口，通过信号放大后ZigBee的通信距离从75米扩大到了将近1km。
四、结束语
本文是笔者对ZigBee网络在机场围界报警系统中应用的设计方案的拙见，在介绍ZigBee网络相关知识的基础上，以CC2530 模块为硬件基础，外加CC2591 功放模块，进行ZigBee通信模块的设计。如何完善机场围界的安全需全民航工作者的共同努力，欢迎阅提出宝贵的意见和建议。
参考文献：
[1] IEEE Std 802.15.4-2003. Wireless Medium Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY）Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks （LR-WPANs）[S]. New York，USA：The Institute of Electrical and Electronics Engineers， Inc.， 2003.5.
[2] ZigBee-Specification V1.0[Z]. USA：ZigBee Alliance， Inc.， 2005.6.
[3] SWRS081B –APRIL 2009–REVISED FEBRUARY 2011.
作者简介： 张娟（1975年），女，北京市人，2010年毕业于中国民航大学交通运输工程专业，硕士研究生，工程师，从事民航机场工程项目管理工作。