无线传感器网络在智能家居安防系统中的应用

常州机电职业技术学院 毕业设计 论文 作 者 周臻元 学 号 50911220 系 部 信息工程系 专 业 计算机网络技术 题 目 无线传感器网络在智能家居安防系统中的应 用 中央控制平台模块设计 指导者 顾卫杰 评阅者 2012 年 4 月 毕业设计 论文 中文摘要 智能家居系统是由智能家居安防系统 网络服务系统和家庭自动化系统等子 系统组成的家庭综合服务与管理集成系统 其中 智能家居安防系统担负着保护 人们生命财产安全的职责因此成为智能家居系统的首选组成部分 论文采用了一种 系统控制中心 ZigBee 无线传感器网络 的方案对系统进 行了总体设计 介绍了方案的总体框架 并对系统各组成部分进行了详细的阐述 系统采用 ZigBee 技术构建家庭监控网络 并设计了 ZigBee 网络节点的应用 程序 系统控制中心以 PXA270 为处理器 通过与之相连接的 ZigBee 模块 接收 家庭内部网络采集到的报警信息 再通过 GPRS 模块以短信或彩信的形式实现报警 及控制信息的远程传输 关键词 智能家居安防系统 网络节点 远程传输 毕业设计 论文 外文摘要 TitleTitle The Application of Wireless Sensor Networks in Security System of Smart Home The Design of Center Control Platform Module AbstractAbstract Smart home system is composed of intelligent home security systems network services systems and home automation systems subsystems and integrated services of family management integration system Among them the intelligent home security system to protect people charged with the responsibilities of life and property become the first choice for the smart home system components Paper uses a system control center ZigBee wireless sensor network program of the overall system design Describes the program s overall framework and system components were described in detail System using ZigBee technology to build home monitoring networks and design of ZigBee network node applications System control center for the PXA270 processor connected with the ZigBee modules networking within the family gathered to receive the alarm information through SMS or MMS GPRS module to form an alarm and remote control information transmission KeywordsKeywords Intelligent household security system network nodes remote transmission 目录目录 1 绪论 1 1 1 研究背景 1 1 2 选题的意义和目的 3 1 3 论文的主要工作和结构 4 2 关键技术介绍 5 2 1 IEEE802 15 4 网络简介 5 2 2 ZigBee 协议 6 2 3 ZigBee 网络拓扑结构 7 2 4 ZigBee 网络的自适应机制 9 3 传感器节点和网关设计 11 3 1 系统功能 11 3 2 系统结构 11 3 3 系统的开发环境 11 4 智能家居安防子系统中央控制平台总体设计 13 4 1 控制平台功能与结构 13 4 2 涉及到的软硬件介绍 17 5 智能家居安防子系统详细设计 19 5 1 硬件设计 19 5 2 软件设计 24 5 3 Web 远程控制 31 6 系统功能测试 35 总结 36 致谢 37 参考文献 37 1 1 1 绪论绪论 随着我国国民经济和人民生活水平的不断提高 人们越来越追求高品质的 生活 对居住环境的舒适性 便利性 安全性也有了更高的要求 进入二十一 世纪 社会信息化的进程在逐步深入 人们充分的享受信息时代下工作 生活 的便利 计算机技术 网络技术 及其应用的迅猛发展和日趋成熟 为人们更 高的生活需求提供了有效的手段 计算机和计算机网络 不仅给人们生活带来 极大的便利 还实现了人类一直以来跨越空间限制的梦想 目前智能家居是一般指在家庭范围内 实现信息设备 通信设备 娱乐设 备 家用电器 自动化设备 照明设备 监控设备 以及水 电 气 热表等 设备 家庭求助报警设备的互联和管理 以及数据和多媒体信息共享的系统 将各种与家庭生活工作相关的子系统有机结合在一起组成一个舒适的环境 是 数字化家庭的发展方向 其相关的技术研究成为了 IT 技术领域的一大热点 智 能家居系统的应用和普及更将大大提高人们的生活质量 改变我们的工作和生 活方式 1 11 1 研究背景研究背景 随着科学技术的发展和人民生活水平的不断提高 越来越多的智能家电产 品和高科技产品进入了我们的生活 同时 人们的生活理念也在发生着变化 家居生活的网络化与智能化成为人们新的需求 智能家居系统也由此成为了目 前世界范围内的一个热门的研究领域 智能家居是以家庭住宅为平台 融合计 算机 信息家电 网络通信和自动控制等技术 将与家庭生活相关的各种应用 子系统有机地结合起来 为人们提供更加舒适 便捷 高效和安全的现代居住 环境 从目前的发展趋势来看 在未来的 20 年时间里 智能家居行业将成为中 国的主流行业之一 智能家居系统是由家居安防系统 网络服务系统和家庭自动化系统等子系 统组成的家庭综合服务与管理集成系统 其中 家居安防系统担负着保护人们 生命财产安全的职责 由此成为智能家居系统的首要组成部分 其市场的发展 前景是非常广阔的智能家居安防系统 是指由各种先进的 智能化的电子保安 设备对住宅各要害部位进行多种监测 一旦监测到异常情况就触发报警服务的 2 智能系统 它集防盗 防劫 防火 防燃气泄漏等功能于一体 一旦遇到异常 即刻自动报警 系统中各安防设备相互通信配合 让居住者高枕无忧闭 1 1 1 智能家居安防系统的应用需求 家居安防涵括众多子系统 以视频监控系统为例 在设计方案时 必须同 时依据国家法规及结合业主的需求 充分考虑系统应用的安全性 以下是设计 方案时需要兼顾的几点普适性思路 安防监控系统的设置要全面 考虑要周全 堵住防范漏洞 制造安全居住环境 在整体防范的要求上 对家中各个位置进 行重点监视 在发生警情时必须能立即通过防范系统掌握警情 案发现场的具 体情况以及采取相应措施 也就是说 必须快速准确地做出反应 系统技术先 进 功能齐全 操作使用维修维护方便 具有良好的兼容性 易扩展性 具有 良好的性价比 具体来说 在实际项目中 根据建筑物的具体布局 需要设计 多重防护 要注重人防和技防的结合 首先 在大门口设置摄像机 作为第一 道防护屏障 其次 在各个房间门口设置摄像机 作为整个建筑体的第二道防 护屏障 另外 还要结合周界防范 可视对讲 电子巡更及报警系统等形成更 多重防护屏障 通过层层设防 人防与技防结合 设计出一个性价比高 功能 实用 设计全面 安全防护水平高的综合管理体系 使管理 保安人员能快速 反应各类突发事件 并提供准确的现场资料 1 1 2 智能家居安防系统的研究及应用现状 智能家居与安防子系统包括 闭路监控电视子系统 门禁子系统和入侵报 警子系统 在众多子系统中 闭路电视监控系统在智能家居安防中的比重越来越大 在家中 视频监控主要安装在出入口 将图像传送到信息中心平台 进行统一 的全方位监控监测 形成幕帘状警戒面包围建筑 以立体空间监视建筑内部 使管理人员全面掌握建筑内各处的动态 阻止治安事件发生 并为迅速排除治 安事件提供科学的依据 从安全上考虑 在一个大型的小区中 监控系统已经不再是小范围的完成 音视频监控功能便可了 它需要集成报警 实现多系统的联动 并且 随着网 络的发展 数字化监控获得更快速发展 安防监控与 110 报警中心的联动开始 得到应用 总的来说 方案必须要综合考虑各种因素 使系统达到安全可靠 3 技术先进 功能齐全 性价比高 操作维护简便等效果 1 21 2 选题的意义和目的选题的意义和目的 1 2 1 本课题的研究意义 在我们的日常生活中 安全是至关重要的 离开了安全 那么生活就会毫 无幸福 快乐的可言 它关系到每个人的生活及财产是否得以保障 没有人希 望自己辛辛苦苦得来的成果 所拥有的一切在突然间变得一无所有 所以说安 全是美好生活的前提条件 安全标志着生活的质量 我们所说的安防 就是安 全防范 是指防盗 防入侵 防火 防煤气泄漏等 传统住宅的自我保护方式 就是安装防盗门 防盗窗栏杆等 把住宅搞得像鸟笼一样 一旦发生火灾 反 而变成了逃生的障碍 要不就搞得像兵营一样 保安日夜到处巡视 也不知道 谁是盗贼 谁是保安 这些 都是处于被动的防卫 而降低犯罪有效率最有效 的方法就是预防 防患于未然 现在 随着生活水平的逐步提高以及人们对家 庭安全意识的加强 一套可靠的家庭安防系统已经成为人们生活的必需品 随 着社会形态的成长 人口流动提速 安防监控形势日益严峻 在现今社会形态 许多人遍及缺少安全感 家就成了咱们最后的港湾 然 而 因为犯法份子已经将魔手伸向了每个死角 家也需要咱们来主动防备保护 于是 越来越多的家庭选择了安装家庭安防体系来保障家的安全 1 2 2 本课题的研究目的 智能家居安防系统是指通过各种报警探测器 报警主机 摄像机 读卡器 门禁控制器 接警中心及其它安防设备为住宅提供入侵报 警系统服务的一个综 合性的系统 包含了三大子系统 闭路监控电视子系统 门禁子系统和入侵报 警子系统 另外需要说明的是一个好的家庭安防系统是需要一个综合型的接警 中心 如果发生盗贼闯入 抢劫 烟雾 燃气泄漏 玻璃破碎等紧急事故 传 感器就会立即获知并由报警系统即刻触发声光警报以有效阻吓企图行窃的盗贼 而现场保安系统的密码键盘立即显示相应报警区域 使您的家人保持警戒 系 统还会迅速向报警中心传送报警信息 报警中心接到警情后立即自动进行分辨 处理 迅速识别判定警报类型 地点 用户 电子地图显示报警位置并瞬间检 索打印用户报警信息 中心据此派出机动力量采取相应解救措施 系统具备 24 小时防破坏功能并自我监视 一旦有任何被破坏的迹象也会即刻报警 总之 4 无论白天黑夜 您离家在外还是在家休息 电子保安时时刻刻保护您的安全 这正是您能为您的家人 家庭 财产所做的最有效的安全防盗保护措施 通过 在住宅内门窗及室内其他部位安装各种探测器进行昼夜控制 当监测到警情时 通过住宅内的报警主机传送至智能管理中心的报警接收计算机 接收将 准确显 示警情发生的住户名称 地址和警报类型 提示保安人员迅速确认警情 及时 赶赴现场 以确保住户和人身安全 同时 住户也可通过固定式紧急呼叫报警 系统 在住宅内发生抢劫案件和病人突发疾病时 向智能化管理中心呼叫报警 中心可根据情况迅速处理 1 31 3 论文的主要工作和结构论文的主要工作和结构 论文按照上面所述研究内容组织章节 各章内容安排如下 第一章 绪论 介绍论文的选题背景及研究意义 分析了智能家居安防行 业的发展动态和现有产品存在的问题 以及论文的研究内容及结构安排 第二章 关键技术介绍 主要介绍 ZigBee 涉及到多个领域的技术 本章 介绍了实现智能家居安防系统所用到的关键技术 第三章 传感器节点和网关设计 对 ZigBee 协议栈进行了分析 给出了 ZigBee 无线传感器网络的构建方法及网络节点的设计 第四章 智能家居安防子系统中央控制平台总体设计 介绍了整个系统的 功能和结构 分别从软件和硬件两方面对系统控制中心的设计进行了论述 第五章 智能家居安防子系统详细设计 从硬件 软件和 Web 平台介绍了 安防系统的应用 第六章 系统功能测试 5 2 2 关键技术介绍关键技术介绍 2 12 1 IEEE802 15 4IEEE802 15 4 网络简介网络简介 IEEE 802 15 4 网络是指在一个 POS 内使用相同无线信道并通过 IEEE 802 15 4 标准相互通信的一组设备的集合 又名 LR WPAN 网络 在这个网络 中 根据设备所具有的通信能力 可以分为全功能设备 full function device FFD 和精简功能设备 reduced function device RFD FFD 设备之间以 及 FFD 设备与 RFD 设备之间都可以通信 RFD 设备之间不能直接通信 只能 与 FFD 设备通信 或者通过一个 FFD 设备向外转发数据 这个与 RFD 相关联 的 FFD 设备称为该 RFD 的协调器 coordinator RFD 设备主要用于简单的控制 应用 如灯的开关 被动式红外线传感器等 传输的数据量较少 对传输资源 和通信资源占用不多 这样 RFD 设备可以采用非常廉价的实现方案 IEEE 802 15 4 网络中 有一个称为 PAN 网络协调器 PAN coordinator 的 FFD 设备 是 LR WPAN 网络中的主控制器 PAN 网络协调器 以后简称网络 协调器 除了直接参与应用以外 还要完成成员身份管理 链路状态信息管理以 及分组转发等任务 无线通信信道的特征是动态变化的 节点位置或天线方向的微小改变 物 体移动等周围环境的变化都有可能引起通信链路信号强度和质量的剧烈变化 因而无线通信的覆盖范围不是确定的 这就造成了 LR WPAN 网络中设备的数 量以及它们之间关系的动态变化 IEEE802 15 4 网络是指在一个 POS 内使用相同无线信道并通过 IEEE 802 15 4 标准相互通信的一组设备的集合 在这个网络中 根据设备所具有的 通信能力 可以分为全功能设备 Full Function Device FFD 和精简功能设备 Reduced Function Device RFD FFD 设备之间以及 FFD 设备与 RFD 设备之 间都可以通信 RFD 设备之间不能直接通信 只能与 FFD 设备通信 或者通过 一个 FFD 设备向外转发数据 这个与 RFD 相关联的 RFD 设备称为该 RFD 的 协调器 coordinator RFD 设备主要用于简单的控制应用 如灯的开关 被动式 红外线传感器等 传输的数据量较少 对传输资源和通信资源占用不多 这样 RFD 设备可以采用非常廉价的实现方案 6 2 22 2 ZigBeeZigBee 协议协议 无线传感器网络节点要进行相互的数据交流就要有相应的无线网络协议 包 括 MAC 层 路由 网络层 应用层等 传统的无线协议很难适应无线传感器 的低花费 低能量 高容错性等的要求 这种情况下 ZigBee 协议应运而生 Zigbee 的基础是 IEEE 802 15 但 IEEE 仅处理低级 MAC 层和物理层协议 因此 Zigbee 联盟扩展了 IEEE 对其网络层协议和 API 进行了标准化 Zigbee 是一种 新兴的短距离 低速率的无线网络技术 主要用于近距离无线连接 它有自己 的协议标准 在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信 这些传感器只需 要很少的能量 以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传 感器 所以它们的通信效率非常高 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 十分类似现有的移动通信的 CDMA 网或 GSM 网 每一个 Zigbee 网络数传模块类似移动网络的一个基站 在整个网络 范围内 它们之间可以进行相互通信 每个网络节点间的距离可以从标准的 75 米 到扩展后的几百米 甚至几公里 另外整个 Zigbee 网络还可以与现有的其 它的各种网络连接 通常 符合如下条件之一的应用 就可以考虑采用 Zigbee 技术做无线传输 需要数据采集或监控的网点多 要求传输的数据量不大 而 要求设备成本低 要求数据传输可性高 安全性高 设备体积很小 不便放置 较大的充电电池或者电源模块 电池供电 地形复杂 监测点多 需要较大的 网络覆盖 现有移动网络的覆盖盲区 使用现存移动网络进行低数据量传输的 遥测遥控系统 使用 GPS 效果差 或成本太高的局部区域移动目标的定位应用 值得注意的是 在已经发布的 ZIGBEE V1 0 中并没有规定具体的路由协议 具 体协议由协议栈实现 ZigBee 一开始是由 Honywell 所发起 ZigBee 联盟成立于 2001 年 8 月 2002 年下半年 英国 Invensys 公司 日本三菱电气公司 美国摩托罗拉公司以 及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布 30 它们将加盟 ZigBee 联盟 以研发名为 ZigBee 的下一代无线通信标准 这一事件成为该项技术发展过 程中的里程碑 到目前为止 除了 Invensys 三菱电子 摩托罗拉和飞利浦等 国际知名的大公司外 该联盟大约已有 150 家成员企业 并在迅速发展壮大 其中涵盖了半导体生产商 IP 服务提供商 消费类电子厂商及 OEM 商等 7 基于 IEEE802 15 4 标准 可在数千个微小的传感器之间实现相互协调通信 另外 采用接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器 可使得通信效率非常高 一般而言 随着通信距离的增大 设备的复杂度 功 耗以及系统成本都在增加 相对于现有的各种无线通信技术 ZigBee 技术的低 功耗 低速率是最适合作为传感器网络的标准 2 32 3 ZigBeeZigBee 网络拓扑结构网络拓扑结构 ZigBee 的基础是 IEEE802 15 4 这是 IEEE 针对低速无线个人区域网 Low Rate Wireless Personal Area Network LR WPAN 工作组的一项标准 被称作 IEEE802 15 4 ZigBee 技术标准 该标准把低能量 低速率和低成本作为重点目 标 旨在为个人或家庭范围内不同设备之间低速互联提供统一标准 其典型的 传输数据类型有周期性数据 如传感器数据 间歇性数据 如照明控制 和重复性 低反应时间数据 如鼠标 IEEE802 15 4 规范是一种经济 高效 低数据速率 250kbps 工作在 2 4GHz 和 868 915MHz 的无线技术 网络层以上协议由 ZigBee 联盟制定 IEEE802 15 4 负责物理层和链路层标准 完整的 ZigBee 协议 套件由高层应用规范 应用会聚层 网络层 以及数据链路层和物理层组成 1 物理层 物理层采用 DSSS Direct Sequence Spread Spectrum 直接序列扩展频谱 技 术 可提供 27 个信道用于数据收发 IEEE802 15 4 定义了 2 4GHz 频段和 868 915MHz 频段两种物理层标准 物理层的主要功能包括 激活和休眠频收发 器 信道能量检测 信道接收数据包的链路质量指示 空闲信道评估 收发数 据 2 数据链路层 IEEE802 系列标准把数据链路层分为媒质接入层 MAC 和逻辑链路控制层 LLC IEEE802 15 4 的 MAC 子层支持多种 LLC 标准 MAC 子层使用物理层提 供的服务实现设备之间的数据帧传输 而 LLC 子层在 MAC 子层的基础上 给 设备提供面向连接和无连接的服务 MAC 子层功能具体包括 协调器产生并发 送信标帧 普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步 支持 PAN 网络的关联 和取消关联 支持无线信道的通信安全 使用 CSMA CA 机制 支持保护时隙 GTS 机制 支持不同设备的 MAC 层之间的可靠传输 LLC 子层功能包括 传 8 输可靠性保障和控制 数据包的分段与重组 数据包的顺序传输 在 IEEE802 15 4 网络中 有一个称为 PAN 网络协调器 PAN coordinator 的 FFD 设 备 是 LR WPAN 网络中的主控制器 PAN 网络协调器除了直接参与应用以外 还要完成成员身份管理 链路状态信息管理以及分组转发等任务 3 IEEE 802 15 4 网络拓扑结构 IEEE 802 15 4 网络可以根据应用的需要可以组织成星型拓扑结构网络 还可 以组织成点对点网络 如下图 2 1 所示 在星型结构中 所有设备都有中心设 备 PAN 网络协调器通信 在这种网络中 网络协调器一般使用持续电力系统供 电 而其他设备采用电池供电 星型网络适合家庭自动化 个人计算机的外设 以及个人健康护理等小范围的室内使用 图 2 1 IEEE 802 15 4 网络拓扑结构 与星型网络不同 点对点网络只要彼此都在对方的无线辐射范围之内 任 何两个设备之间都可以直接通信 点对点网络中也需要网络协调器 负责实现 管理链路状态信息 认证设备身份等功能 点对点网络模式可以支持 Ad hoc 网 络 允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据 不过一般认为自组织问题由 网络层来解决 不在 IEEE 802 15 4 标准讨论范围之内 点对点网络可以构造更 复杂的网络结构 适合于设备分布范围广的应用 比如在工业检测与控制 货 物库存跟踪和智能农业方面有非常好的应用前景 4 IEEE802 15 4 网络协议栈 IEEE802 15 4 网络协议栈基于开放系统互连参考模型 OSI 每一层实现一 部分通信功能 并向上层提供服务 IEEE802 15 4 标准只定义了物理层 PHY 和 数据链路层的 MAC 子层 PHY 层由射频收发器以及底层的控制模块构成 MAC 子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口 9 MAC 子层以上的几个层次 包括特定服务的聚合子层 Service Specific Convergence Sublayer SSCS 链路控制子层 Logical Link Control LLC 等 只是 IEEE802 15 4 标准可能的上层协议 并不在 IEEE802 15 4 标准的定义范围 之内 SSCS 为 IEEE802 15 4 的 MAC 层接入 IEEE802 15 4 标准中定义的 LLC 子层提供聚合服务 LLC 子层可以使用 SSCS 的服务接口访问 IEEE 802 15 4 网 络 为应用层提供链路层服务 物理层定义了物理无线信道和 MAC 子层之间的接口 提供物理层数据服 务和物理层管理服务 物理层数据服务从无线物理信道上收发数据 物理层管 理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库 在 IEEE802 系列标准中 OSI 参考模型的数据链路层进一步划分为 MAC 和 LLC 两个子层 MAC 子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传 输 而 LLC 子层在 MAC 子层的基础上 在设备间提供面向连接和非连接的服 务 2 42 4 ZigBeeZigBee 网络的自适应机制网络的自适应机制 2 4 1 网络负载问题 所谓的网络自适应机制主要是为解决网络的负载平衡而专门为 zigbee 网络 而设置的一种均衡机制 该机制对 zigbee 网络主要在这两种情况下适应 一种 是网络形成时是网络负载均衡 另一种是网络形成后的网络的自我调节的负载 均衡 当 zigbee 网络形成时 假如终端设备节点加入网络主设备过程无约束无 组织 这样就会使主设备所加入的终端设备的数量出现很大的差距 进而使主 设备处理所负载的所有的终端设备通讯数据有很大差距 这样在大量的节点长时 间通讯时就更会出现网络负载的不均衡现象 使整个网络的数据在各个设备间 传输时出现严重的不平衡状态 一个主设备数据已经传输完毕 而另一个主设 备还有大量的数据要处理 中心设备等待少量的主设备的数据而不能进行下面 的工作 造成 zigbee 网络的数据传输瓶颈问题 为了解决这一问题在网络的建 立时采用一种机制 zigbee 网络自适应 使整个网络中的主设备负载均衡 解 决网络瓶颈问题 另一方面在网络建立后由于种种原因 比如网络终端设备脱离 网络 终端设备出现故障等 这些都有可能引起网络的不均衡 网络数据传输的 瓶颈问题 当出现这种现象时自适应机制也要能使网络的各个部分负载均衡 10 2 4 2 均衡过程 1 对于中心设备在建立网络过程时发起网络建立消息 使各个主设备加入 网络 这时中心设备封闭所有主设备的终端设备加入信号 计算单位时间内各 个主设备数据总量 并计算单位时间内的数据值 存储该值 扫面存储所有主 设备的这个值 搜索一个最小值 打开相对应的主设备的终端设备加入信号 一个设备加入 关闭该信号 再重新扫描所有主设备的这个值 再搜索一个单 位时间内数据值最小的一个主设备打开终端设备加入信号 接受终端设备加入 反复操作 直到所有的终端设备加入整个网络 建立起整个 zigbee 网络 这时 记下最大值和最小值之间的差值 在网络建立后通讯过程中设置定时器定期扫 面所有主设备单位时间内的通讯数据值 假如最大值和最小值的差大于差值 那么就让最大值相对应的主设备的某个终端设备脱离该主设备而加入最小值的 主设备 如此反复使网络始终处于一个平衡状态 2 对于终端设备来说 按一定的采集频率采集数据发送到主设备 主设备 把所有的终端设备的数据全部发送到中心设备 中心设备存储这些数据处理 2 4 3 结果分析 Zigbee 大型网络的搭建需要一定的环境 在软件模拟的情况下对所设计的自 适应机制进行测试 在三种状态下对自适应机制进行测试 分别是理想状态 自 适应机制状态和无自适应机制状态 得到 zigbee 网络的数据处理效率图 理想状态下效率 自适应网络的效率 无自适应网络的效率 0 TatolDate 2 2 Zigbee 网络的数据处理效率图 zigbee 自适应机制的网络与无自适应机制情况下相比通讯效率要高的多 有效的解决了 zigbee 网络在数据传输中的瓶颈问题 11 3 3 传感器节点和网关设计传感器节点和网关设计 3 13 1 系统功能系统功能 智能家居安防系统主要由前端传感器 网络信号传输系统和系统控制中心 等组成 它是一个综合性的应用系统 涉及网络技术 嵌入式技术和传感器技 术等多方面的技术 主要包括被动式热释电红外传感器 门磁传感器 感烟传 感器 感温传感器 可燃气体传感器等 3 23 2 系统结构系统结构 智能家居安防系统可以在物业管理 消防 水 电 煤等方面提供多方位 的服务 为人们提供高效 安全 便利的生活空间 给用户带来全新的时尚 舒适 智能的生活体验 红外 烟雾 可燃气体 感温 控制节点 控制节点 控制节点 控制节点 终 端 节 点 控制平台 中心 图 3 1 智能家居系统结构模拟图 3 33 3 系统的开发环境系统的开发环境 CodeBlocks 是一个免费开源功能强大的跨平台的标准 C 集成开发环境 在同类的 IDE 中 算得上时佼佼者 虽然 Code Blocks 从一开始就追求跨平台目标 但是最初的开发重点是 Windows 系统下的版本 从 06 年 3 月 21 日版本 1 0 revision 2220 开始 CodeBlocks 在它的每日构建中正式提供 Linux 版本 分两个版本 ubuntu deb 和 fc4 rpm 这样 CodeBlocks 在 1 0 发布时就会是跨越平台的 C C IDE 它 将支持 Windows 和 Linux 的主要版本 长期以来 C 开发员在 Linux 没有好用 12 通用的 C IDE 的局面就要结束 而这个 IDE 对于 Windows 下的用户同样重 要 由于它开放源码的特点 Windows 用户可以不依赖于 VS NET 编写跨平 台 C 应用 CodeBlocks 提供了许多工程模板 这包括 控制台应用 DirectX 应用 动态连接库 FLTK 应用 GLFW 应用 Irrlicht 工程 OGRE 应用 OpenGL 应 用 QT 应用 SDCC 应用 SDL 应用 SmartWin 应用 静态库 Win32GUI 应用 wxWidgets 应用 wxSmith 工程 另外它还支持用户自定义工程模板 在 wxWidgets 应用中选择 UNICODE 支持中文 CodeBlocks 支持语法彩色醒目显示 支持代码完成 目前正在重新设计过 程中 支持工程管理 项目构建 调试 CodeBlocks 支持插件 目前的插件包括代码格式化工具 AStyle 代码分析 器 类向导 代码补全 代码统计 编译器选择 复制字符串到剪贴板 调试 器 文件扩展处理器 Dev C DevPak 更新 安装器 DragScroll 源码导出器 帮助插件 键盘快捷键配置 插件向导 To Do 列表 wxSmith wxSmith MIME 插件 wsSmith 工程向导插件 WindowsXP 外观 CodeBlocks 具有灵活而强大的配置功能 除支持自身的工程文件 C C 文件外 还支持 AngelScript 批处理 CSS 文件 D 语言文件 Diff Patch 文件 Fortan77 文件 GameMonkey 脚本文件 Hitachi 汇编文件 Lua 文件 MASM 汇编文件 Mathlab 文件 NSIS 开源安装程序文件 Ogre Compositor 脚本文件 Ogre Material 脚本文件 OpenGL Shading 语言文件 Python 文件 Windows 资 源文件 XBase 文件 XML 文件 nVidiacg 文件 识别 Dev C 工程 MS VS 6 0 7 0 工程文件 工作空间 解决方案文件 CodeBlocks 基于 wxWidgets 开发 正体现了 wxWidgets 的强大 以前 Borland C Builder X 宣称基于 wxWidgets 开发跨平台 兼容性好 最优秀的 C IDE 环境 但没有实现 现在 Code Blocks GNU GCC 正在实现这个理想 让我们拭目以待 国内的 CodeBlocks 爱好者和跨平台开发员应该尽快建立中文 CodeBlocks 网站 提供 CodeBlocks 中文化支持 促进 CodeBlocks 在国内的发 展 13 4 4 智能家居安防子系统中央控制平台总体设计智能家居安防子系统中央控制平台总体设计 4 14 1 控制平台功能与结构控制平台功能与结构 家庭监控网络可以看作是一种传感器网络 网络的节点和各种与家庭环境 相关的传感器相连 可以随机或固定地布置在需要监控的环境中 各节点之间 通过特定的协议自组织起来 获取家庭环境的信息并且相互协同工作 完成对 家庭环境进行监控的任务 家庭监控网络具有传输的数据量较小 要求数据传 输的实时性好 网络容量大等特点 而且还应保证数据传送过程中的安全性和 可靠性 根据家庭监控网络的特点 本文设计的家庭监控网络架构如图所示 其中 网络中的终端节点构成了信息采集模块 各个终端节点连接监测家庭环境的传 感器等设备 负责将收集到的安防信息通过路由节点发送至系统控制中心 图 4 1 家庭监控网络 14 图 4 2 家庭网络监控节点图 目前 家庭监控网络主要包括有线和无线两种实现方式 随着大量 廉价 和高度集成的无线模块的普及 无线网络技术应用于家庭监控网络已经成为势 不可挡的趋势 这不仅仅因为无线网络可以提供更大的灵活性 省去了花在综 合布线上的费用和精力 而且它更符合家庭监控网络通信的特点 4 1 1 短距离无线通信技术选择 由于家庭监控网络的覆盖范围仅限于家庭内部 所以对于通信距离的要求 不高 在家庭监控网络中传输的数据只是一些报警信息 数据量很小 因此对于 数据传输速率的要求也不高家庭监控网络中的各个节点分布在每个家庭需要监 控的区域 节点比较分散 采用电池供电 因此要求网络节点的功耗不能太大 蓝牙 BlueTooth 主要应用于高服务质量 多样的任务周期 中等数据传输 率的平等静态的具有活跃节点的无线网络中 它的传输距离和功耗都无法满足 家庭监控网络的要求 Wi Fi 主要应用于有稳定电源 要求较高数据处传输速率的场合 它是一 15 种高速率传输协议 用在家庭监控网络上有些大材小用 而且价格昂贵 功耗 太大 Z ware 主要应用于中等数量设备 不频繁使用 小数据量的场合 酮 比 较适合用于构建家庭监控网络 然而各国对无线频段的使用都有严格的规定 大部分频段需要许可才可以使用 不过各国的无线电管理部门也规定了一些不 需要许可就可以使用的频段 中国目前可以使用的免费频段是 433MHZ 2 4GHZ 和整个低于 135kHz 的频段 Z ware 的工作频段在国内不属 于免费频段 因此 Z ware 技术也不适合组建本系统的家庭监控网络 而 ZigBee 则主要是应用在低能耗 低花费的静态及动态的具有很多活跃节 点的无线网络中 它看起来更接近于蓝牙 但比蓝牙更为简单 具有更低的传 输速率和功率消耗 大多数时间处于睡眠状态 尤其适用于那些不需要实时传 输或连续更新的场 Z 根据上述各种技术的特点 本系统最终选用 ZigBee 技术 构建智能家居监控网络 ZigBee 技术基本解决了现有无线家居安防系统存在的一些问题 更符合家 庭监控网络的要求 1 采用 ZigBee 技术构建家庭监控网络 避免了综合布线的麻烦 也减少 了系统安装成本 2 ZigBee 网络是主从式网络 最多可以支持超过 64 000 个 ZigBee 网络 节点 符合家庭监控网络的要求 同时也足以满足系统扩展的要求 3 ZigBee 芯片是超低功耗的无线收发芯片 而且具有休眠模式 加之设备 的搜索 休眠激活和信道接入时延都很短 减少了电池使用的成本 4 ZigBee 的媒体接入控制层 MAC 层 采用 CSMA 以接入算法 避开了发 送数据的竞争和冲突 而且 MAC 层支持确认的数据传输模式 如果传输过程 中出现问题可以进行重发 从而建立起可靠的数据通信模式 5 ZigBee 采用直接序列扩频技术保证信号传输 避免了在 2 4GHz 公用频 段的干扰 也解决了现有无线安防产品采用 ASK 调制技术所造成的同频干扰问 题 6 ZigBee 提供了基于循环冗余校验 CRC 的数据包完整性校验 支持鉴权 和认证 并在数据传输中采用 AES 一 128 加密技术 保证了安防系统的安全性 16 能 4 1 2 ZigBee 开发平台的建立 ZigBee 提供了一个标准化的网络和应用框架 可以在此基础上建立应用而 无须担心联网和射频问题的烦扰 然而 单靠其自身 ZigBee 标准化框架不能 保证产品的顺利开发 为了创建兼容 ZigBee 的应用 不同供应商提供了各种各 样的产品 包括 RF 收发器 微控制器 闪存 ROM 供应商专有的协议栈和应 用开发工具 为了使系统具有更好的兼容性和可扩展性 系统采用了一个集成 的硬件 软件平台来进行设计和开发 4 1 3 信息采集模块的技术方案 信息采集模块最为主要的目的就是将传感器所采集到的报警信息通过 ZigBee 网络发送给系统控制中心 它为智能家居安防系统提供了进行处理和决 策所必需的原始信息 因此 它是智能家居安防系统中的关键环节 信息采集模块又可以分为防盗 防燃气泄漏和防火几个功能模块 各个功 能模块都是由传感器节点构成的 用户可以根据自己的需求选择不同的功能模 块 这样既可以最大化地满足用户需求 又可以减少系统成本 传感器节点的通用硬件结构形式如图所示 CC2430 芯片内置有增强型的 8051 微控制器 通过其 1 0 口就可以读取传感器单元输出的数字信号 供电单 元采用的是电池供电 而传感器单元则根据不同的功能需求 采用了不同的传 感器 图 4 3 信息采集模块结构图 传感器获得信息的正确与否 直接影响整个系统的精度 如果传感器的误 17 差较大 则随后的测量电路 放大电路以及微处理器的精确度再高也是徒劳的 因此正确选用传感器尤为重要 在设计和选用传感器时重点考虑以下几个方面 的因素 1 测量条件 如果传感器选择不当将会降低系统的可靠性 为此 要从系 统总体考虑 明确使用的目的以及使用传感器的必要性 这首先需要明确传感 器的测量条件 测量条件包括 测量目的 测量的范围 输入信号的带宽 要求 的精度 测量所需要的时间等 2 传感器的性能 设计和使用传感器时要考虑传感器的下列性能 精度 稳 定性 响应速度 模拟信号或者数字信号 输出量及其电平和被测量对象特性 的影响等 3 传感器的使用条件 传感器的使用条件包括传感器设置的场所 环境 与其它设备的连接方式以及供电电源容量等 4 24 2 涉及到的软硬件介绍涉及到的软硬件介绍 4 2 1 主要硬件 1 中央处理器 系统控制中心的硬件部分是以中央处理器为核心的 因为所有的设备控制 任务调度 通信协议转换和数据收发等任务都需要中央处理器来完成 所以处 理器的选择在系统控制中心的设计中是至关重要的 以往的安防系统绝大多数 是由单片机控制的 但随着新功能的不断增加和性能的不断提升 单片机的处 理能力已经不能满足系统需求 处理器的选择主要考虑下面几方面的因素 是否便于实现 是否能提供足够 的性能 是否有合适的操作系统支持 是否有大量合适的开发工具支持 除了上 述通用的选型标准外 由于本系统可以作为智能家居系统中的一个子系统 系 统控制中心不仅可以处理安防系统的数据信息 还可以作为智能家居控制器来 使用 因此 处理器应该具有较高的工作频率及大容量的片内存储器以满足快 速处理功能 要具有大量的 I O 接口 以满足扩展性要求 片内集成众多外设 控制器 以实现外设连接而不增加其他外部控制器 要具有良好的电源管理功 能 以达到最小的功耗控制 2 GPRS 模块 18 GPRS 模块采用英国 Simeom 公司开发的 Simeom300 的 GPRS 芯片 通过 串口与家庭网关控制器相连 本 GPRS 模块的特性如下 1 GPRS 网络的传输速度最快将达到 171 ZKbpS 速率的高低取决于移动 运营商的网络设置 根据中国移动的网络情况 目前可提供 20 40KbpS 的稳定 数据传输 2 可拨号上网 一直在线 断线重拨连接 按照接收和发送数据包的数量来 收取费用 没有数据流量传递时 不收费用 3 不依赖于运营商交换中心的数据接口设备 通过工 nternet 网络随时随地 的构建覆盖全中国的虚拟移动数据通信专用网络 4 动态 IP 地址管理 自动识别终端设备 保证虚拟专用网络的连接和安全 性 5 内置看门狗 具备异常重启 6 除了提供标准的通用功能外 还可根据用户的特殊需求定制功能 4 2 2 主要软件 1 无线传感网软件 无线传感器网络采用 2 4G ISM 频段 通过软件可实现点对点 以及一点对 多点的多形式组网控制 2 嵌入式网关软件 嵌入式网关软件包括 WINCE6 0 系统软件 3 PC 数据管理与分析软件 该软件能在 PC 上实现数据的管理与维护 通过数字和图表的方式 可多 方位显示无线传感器网络的状态 及控制传感网上的设备 还有配套的波形存 储与分析工具 19 5 5 智能家居安防子系统详细设计智能家居安防子系统详细设计 5 15 1 硬件设计硬件设计 5 1 1 传感器节点的硬件设计 根据应用场合的不同 传感器节点的构成不尽相同 但一般都是由以下几 部分构成 电源模块 数据处理模块 数据采集模块 数据收发模块以及其他 的一些外围电路 如图 5 1 所示 图 5 1 传感器模块电路图 数据采集模块根据应用场合的不同主要由各种传感器构成 对安防参数检 测 如烟雾 有毒气体浓度等 采集到的数据转换成数字信号后转由数据处理 模块处理 数据处理模块由微处理器构成 是整个传感器节点的控制中枢 负责数据 处理操作 任务管理调度 节点工作状态 动态或者休眠等 调节等功能 数据收发模块负责与其他节点进行无线通信 接收主控制器发送的命令 将数据信息反馈回主控制器等 电源模块根据不同节点的应用场合有所不同 协调器节点采用的是跟主控 制器同一交流或直流电源 终端节点采用 3V 的电池供电 不同的节点中其他模块不完全相同 如 RS 232 串口扩展模块 节点用来跟 20 主控制器进行串口通信 协调器节点 或者跟 PC 机进行串口通讯 设置节点参数 JTAG 下载接口 按键 LED 等模块 5 1 2 处理器单元的设计 处理器单元采用的是 TI 公司生产的单片机 MSP430F1232 TI 公司的 MSP430 系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器 其中包括一系列器件 它们针对不同的应用而由各种不同的模块组成 这些微控制器被设计为可用电 池工作 而且可以有很长使用时间的应用 它们具有 16 位 RISC 结构 CPU 中 的 16 个寄存器和常数发生器使 MSP430 微控制器能达到很高的代码效率 灵活 的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗 数字控制的振荡器 DCO 可使器件 从低功耗模式迅速唤醒 在少于 6us 的时间内激活到活跃的工作模式 MSP430F1232 单片机具有以下的突出特点 1 低电压 超低功耗 MSP430F1232 单片机在 1 8 3 6V 电压 1MHz 的时钟条件下运行 耗电 电流 在 130 1 400uA 之间 因不同的工作模式而不同 具有 16 个中断源 并 且可以任意嵌套 使用灵活方便 用中断请求将 CPU 唤醒只要 6us 可编制出 实时性特别高的原代码 可将 CPU 置于省电模式 以中断方式唤醒程序 2 强大的处理能力 MSP430F1232 单片机为 16 位 RISC 结构 具有丰富的寻址方式 7 种源操 作数寻址 4 种目的操作数寻址 简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令 大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算 还有高效的查表处理方 法 有较高的处理速度 在 8MHz 晶体驱动下 指令周期为 125ns 这些特点 保证了可编制出高效率的源程序 3 系统工作稳定 上电复位后 首先由 DCOCLK 启动 CPU 以保证程序从正确的位置开始 执行 保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间 然后软件可设置适当的寄存 器的控制位来确定最后的系统时钟频率 如果晶体振荡器在用作 CPU 时钟 MCLK 时发生故障 DCO 会自动启动 以保证系统正常工作 如果程序跑飞 可用看门狗将其复位 4 丰富的片内外设 21 MSP430F1