基于ZigBee的安防系统

1、WSN课程设计说明书基于ZigBee的安防系统学 院： 计算机科学与工程学院 专业班级： 物联网（13-2）班 学 号： 2013303047 学生姓名： 董舜波 指导教师： 张金伟 2015 年11月 8日安徽理工大学课程设计（论文）任务书计算机科学与工程 学院学 号2013303047学生姓名董舜波专业（班级）物联网13-2设计题目 基于ZigBee的安防系统 设计技术参数（1）用C+或C语言实现设计任务；（2）所设计的程序可读性好，执行效率高；（3）有良好的操作界面；（4）设计说明书能很好地反映设计内容。设计要求（1）实现各种内部排序。包括冒泡排序，直接选择排序，希尔排序，快速排序，堆排

2、序；（2） 待排序的元素的关键字为整数。其中的数据要用随机数产生(如10000个)，至少用5组不同的数据做比较，再使用各种算法对其进行排序，动态显示其排序过程；（3） 演示程序以人机对话的形式进行。每次测试显示各种比较指标值的列表；（4） 使用MFC编制图形界面，界面友好，易与操作。采用菜单方式进行选择。工作量课程设计报告要求不少于3000字；源程序要求不少于300行。工作计划2014.12.06-12.12 根据课程设计大纲的要求，查找相关资料，完成需求分析；2014.12.13-12.15 进行系统的概要设计；2014.12.16-12.31 进行系统的详细设计和源代码的书写；2015.0

3、1.01-01.08 对系统进行调试分析，写出课程设计报告。参考资料1谭浩强编著.C程序设计（第二版）.北京：清华大学出版社,1999.2严蔚敏,吴伟民编著.数据结构（C语言版）北京：清华大学出版社,2007.3温秀梅，丁学钧编.C/C+程序设计教程（第三版）北京:清华大学出版社,2013.指导教师签字教研室主任签字 2014年 10 月1日 安徽理工大学课程设计（论文）成绩评定表学生姓名： 董舜波 学号： 2013303047 专业班级： 物联网13-2 课程设计题目： 基于ZigBee的安防系统 指导教师评语 成绩： 指导教师： 年 月 日目录1.引言I2 系统总体方案设计I2.1系统设计

4、原则II2.2网络拓扑结构III2.3通信技术的选取IV2.3.1蓝牙（Bluetooth）IV2.3.2ZigBee技术V2.3.3WiFi技术V2.3.4无线技术的比较V2.4总体设计方案VI2.4.1ZigBee无线网络VII2.4.2 传感器节点VII2.4.3 中心处理单元VII2.4.4 远程客户端VII2.1模块叙述：VIII2.2数据需求：VIII2.3形式需求：VIII3.算法分析：IX3.1抽象数据类型：IX;IX3.2核心算法：IX3.3过程分析：X4.演示内容：XII5.综合评论：XVI6.总结：XVII参考文献XVIII1.引言1 随着社会的不断发展以及经济的高速增长

5、，智能家居已经越来越得到人们的重视。一般来讲，一个完整的智能家居系统主要包含智能家居（中央）控制系统，家庭网络系统，家庭布线系统，家庭照明系统，背景音乐系统，家庭安防系统，家庭环境控制系统，家庭影院与多媒体等八大系统。而根据调查表明，在这八大系统中，人们最重视的往往是家庭安防系统中的防盗报警子系统。家庭安防系统作为智能家居中重要的子系统，其自动、及时、稳定等特性对保障人们的生命财产安全起着尤为重要的作用。针对该系统低成本、低功耗的要求，ZigBee 技术在这方面与其他短距离无线通信技术相比，有着明显的优势，并且可以比较容易的嵌入各种设备，有着较强的扩展性。因此，本文在此基础上设计了基于无线传感

6、器网络的家庭安防系统。首先与传统的家庭安防系统相比，一般的安防系统功能比较单一，针对此情况，加入了控制家中现有电器设备的功能。从节约成本、可靠性高的角度出发，在硬件方面该设计选用 IT 公司的 CC2530 芯片、通信模块 SIM900，该组合可以良好的完成室内的组网及远程的互联；系选择在 IAR 开发环境下对软件进行设计，在 Z-Stack 协议栈基础上对各个节点进行组网，各个节点可以根据用户的实际需要加入或退出网络，利用 AT 指令对 SIM900 模块进行指令的控制，完成对报警信息的发送。接下来开发了安卓手机的界面，报警信息通过该界面直观的显示出来，用户可以观察到是家中的哪一个位置，在什

7、么时间发生了入侵事件；并且手机界面加入了一系列控制按钮，用户可以直接点击按钮，控制家中的特定电器完成开关状态，电器将开关状态返回给手机，方便用户了解操作是否成功。最后通过对软、硬件的调试，成功的实现了入侵报警及远程控制的功能。对系统进行了完整的测试，测试表明系统稳定性强，报警信息准确，用户可以轻松的对家中设备进行控制。本文所设计的基于无线传感器网络的家庭安防系统具有自动组网、灵活高效等特性，各个子节点可以随时断开或加入到网络中，传感器网络的规模可以根据家庭中的实际需要扩大或减小，传感器节点位置可以随意变换，盲区少，与一般的家庭报警设备相比，还具有远程控制功能，因此具有较为广阔的应用前景。 2

8、系统总体方案设计近几年安防系统已经逐渐得到人们的重视，也有一些家庭报警设备不断的涌现，但从中也可以发现一些问题，电话线及总线方式在传输速率及应用范围等方面存在缺陷，IP 网络在耗电及安全性方面有着不可忽视的问题。随着 GSM 报警设备的出现，安防系统已经得到了很好的提升，但也存在一些不足：1 设备利用率。报警设备安放在家中的各个位置对家庭状况进行监控，但一般情况下，用户的家中不会时时出现特殊状况，随着设备的普及、治安的提高，设备容易出现闲置的情况，考虑到这点，本文所设计的家庭安防报警设备增加了远程控制的功能，不仅可以起到报警的作用，用户还可以随时随地的对与报警系统相连的设备进行控制，提高设备的

9、利用率；2 操作简单。现有的防盗报警设备往往只对室内部分做工作，忽视了用户接受报警信息的方式，作为用户最直接接触的部分，本文对手机应用程序进行了设计，报警信息通过该程序直接显示出来，用户同样也可以通过此程序对该系统进行控制；3 室内组网方式。在室内组网方面各种报警设备所采用的方式也往往不同，考虑家庭安防系统的特点，特别对几种短距离无线通信技术进行了研究，通过对比，本文采用ZigBee组网；4 低功耗设计。目前常见的报警设备往往只是简单的组网，着重考虑设备成本，忽视芯片功耗，是安防设备的一大隐患，本文在考虑芯片成本的同时，对系统的低功耗进行了设计，增强设备的可靠性。2.1系统设计原则本文所设计的

10、是基于无线传感器网络的家庭安防系统，而报警信息及控制信息的传输都是通过无线通信技术来实现的，因此，我们首先要找到一种最为恰当的方式作为本设计的通信技术。在室内部分，无线传感器节点往往分布在各个位置，这就需要无线传感器节点满足体积小、灵敏度高、低功耗等特性，本次设计主要需要解决以下几个问题：(1)功耗与成本。在家庭安防系统中，传感器往往需要根据家中的实际情况放置在一些特定的位置，并且数目可能会较多。在本文所设计的安防系统中，采用了热释电红外传感器、CC2530 芯片、GSM 通信模块等设备，而为了防止一些特殊的情况，如断电或人为的干扰破坏等，这些模块都需要采用电池供电，因此在本设计中，我们首先需

11、要考虑的是低成本与低功耗的问题。(2)网络的重组能力。一套性能良好的家庭安防系统，应该可以根据用户的实际需要，随时添加传感器节点，提高系统的安全性，这就需要我们所搭建的网络可以允许节点的加入，我们还应考虑到，在某些特殊情况下，个别节点会因为故障等原因退出网络，这就需要所设计的网络可以有效融入节点 ID 号，以此来保证系统的安全性与可靠性。(3)网络覆盖范围。本次设计的安防系统，主要的应用环境为家庭住宅，考虑到一般情况，该网络应保证数据至少在 50m的范围内可以稳定传输，因此在考虑到成本等问题的同时，还应该保证网络足够大的覆盖范围，以免造成安全隐患。(4)系统的可扩展性。近几年涌现出的家庭安防设

12、备，虽然与早先的有线设备相比有了飞跃式的进步，但还存在着诸多不足，如设备的功能往往比较单一，为此，我们在设计的过程中，应该丰富系统的功能，提高设备的扩展能力。如我们可以为有需要的用户提供烟雾、煤气等传感器节点，这些节点可以方便的加入已有的网络中；防盗设备除了长时间处于监测状态外，我们还可以通过远程的手机，利用该系统直接控制家中已有的电器设备，从而形成一套相对完整的智能家居系统下的家庭安防子系统，避免设备功能单一所造成的浪费。2.2网络拓扑结构无线通信技术在数据的传输方式上主要分为两类：点到点的数据通信方式与点到多点的主从通信方式。其中数据点到点的通信方式相对比较简单，从字面上我们就可以了解，在

13、整个的网络中，两个节点所处的地位是相同的，当通信双方建立好他们之间相应的协议后，数据就可以在两点之间采用无线的方式进行传输，数据点到点的通信模式也为主从通信模式的基础。主从通信模式主要用来完成点到多点的数据传输，在这种网络结构中，我们一般将节点划分为子节点、汇聚节点和中心节点，各个节点均按照他们之间的通信协议进行数据间的交换，这种模式下数据的传输按照时分的方式进行，即在同一个时间内，数据仍采用点到点的通信方式。在家庭安防系统中，子节点为众多传感器节点，它们需要在家中的各个位置进行数据的采集、传输与判断，因此我们需要找到一种合理的网络拓扑结构来保证网络高效、稳定的特性。网络拓扑结构指的是在构建的

14、网络模型中各节点之间数据的通信方式，目前应用较多的主要有以下三种网络拓扑结构：(1) 星形网络图2.2.1从图 2.2.1中我们可以看出，该网络由若干个子节点和一个中心节点构成。中心节点的作用是负责对整个网络进行维护，在这种拓扑结构中，各个子节点之间不能直接进行数据通信，节点间所有的数据交换都必须经过中心节点，因此该中心节点必须要覆盖网络中的所有子节点。中心节点除了负责接收各个子节点所发送过来的数据外，还可以向网络中的各个子节点发送数据。在星形网络拓扑结构中，若中心节点损坏，整个网络都将瘫痪，因此这种网络模型往往对中心节点的要求较高。(2) 树形网络如图 2.2.2所示为树形网络拓扑结构。树形

15、网络一般是由一个根节点、若干个枝节点及多个叶节点组成。我们可以将一个树形结构看成是由若干个星形网络组合而成，该模型属于分布式的网络拓扑结构，其中根节点相当于星形网络拓扑结构中的中心节点，枝节点用来负责该分支内节点之间的数据通信，在各个叶节点之间仍然不能够直接进行数据的传输。树形网络拓扑结构中对根节点的要求最高，其次为枝节点，一旦这它们发生损坏，整个网络或网络中的某一分支将会瘫痪。 图2.2.2 图2.2.3(3) 网状网络图 2.2.3 为网状网络拓扑结构示意图。从图中我们可以看出，任意节点之间均可以直接或间接的进行数据通信，形成一个相对完整的局域网。网状网络与之前介绍的两种拓扑结构相比，不同

16、之处在于节点间的地位平等，不存在某一特定的中心节点，任意节点间都可以通过多跳跃的方式进行连接，如果该网络结构中某一节点发生损坏时，可以采用跳跃的方式形成一条新的路由，仍然可以进行数据的传输，因此这种网络结构往往是最可以高度信赖的网络模型。但在实际应用中，我们还应考虑成本等问题，如果不需要任意节点间都进行数据传输，这种网络拓扑结构会造成资源的浪费。2.3通信技术的选取2.3.1蓝牙（Bluetooth）蓝牙(Bluetooth)技术由瑞典爱立信公司于 1994 年启动。蓝牙技术有效的融合了无线通信技术与计算机技术，令 3C 设备之间在短距离的范围内有效的对视频、音频等数据进行传输。其通信媒介是频

17、率为 2.4GHz 的多点电磁波，当它的发射功率为 1mW 时，传输距离可以达到 10m，若应用于笔记本等会经常性变换环境的设备时，发射功率一般为 100mW。蓝牙技术的调频速度较快且抗干扰能力较强，它通过无线的方式，将进行数据传输的设备形成一个微微网，若干个这种网络又可以形成一个分布式的网络，但是应用蓝牙技术所构建的网络有着一个不可忽视之处，该网络一般情况下最多只可以供 8 个设备连接，一旦尝试超过这个数目，设备间数据的传输速度将会极度的降低甚至会掉出该网络。就目前来看，应用蓝牙技术的设备成本依然较高，主要应用于娱乐产品上，因此在应用蓝牙技术组网之前，首先要考虑到的是组网规模的大小，还要考虑

18、到成本以及传输速率等的要求，避免造成不必要的浪费。2.3.2ZigBee技术由 IEEE802.15.4 无线通信标准发展出来的 ZigBee 通信协议，目前多应用于低功耗环境下的无线局域网。IEEE802.15.4 无线通信标准只定义了两个底层环境：物理层(Physical Layer)和媒体接入控制层(MediaAccess Control，MAC)。ZigBee 在此基础上添加了数据应用层和网络层。与蓝牙技术类似的是 ZigBee也是使用 2.4GHz 无线数据频带，其采用跳频、扩频的技术。与其他常见的短距离无线通信技术相比，ZigBee 技术在协议算法方面有着较低的复杂度，所需资源较少

19、。其突出的特点为低功耗、自组织，但也存在着近距离与低传输速率的问题，所以一般应用于远程控制或自动控领域，能够方便的嵌入到各种设备之中。在对传输速率不高的应用场合，ZigBee 技术非常适用于低功耗、低成本的短距离无线通信网络中。2.3.3WiFi技术Wi-Fi (Wireless Fidelity)又称 802.11b，我们常称其为无线高保真技术。与其他短距离无线通信技术相比，其传输距离相对较远且传输速度快，使用 2.4GHz的 ISM 频段，主要工作在 OSI(Open System Interconnect)中的数据链路层及物理层，并且可以按照工作中网络的信号强弱自行对其带宽进行调整。80

20、2.11b 可以方便的与以太网进行融合，并且具有良好的兼容特性，我们只需要在原有网络的基础上添加无线接入点(AP)就可以提供高速的无线网络服务，在用户实际应用时，为终端机配备一个无线网卡，便可以轻松的访问网络资源，不需要额外进行布线的工作。最近几年，Wi-Fi 技术正逐步走进人们的生活，但一般来讲设备都相对比较贵，并且耗电量较大，往往不采用电池供电，所以在数据量不是很大，传输速度不要求特别快的低功耗网络环境下，可以采用其他通信技术来替代。2.3.4无线技术的比较上一小节中我们主要介绍了三种最为常见的短距离无线通信技术，我们可以看出，在这三种通信协议之间，既存在着竞争，又在某些领域上有着一定的互

21、补关系。因此在实际的应用过程中具体选择哪种通信技术，应该全面的考虑到应用环境、成本要求、功耗等诸多方面的问题。在表 2.3.4.1 中列出了目前比较广泛应用的 5 种短距离无线通信协议的技术指标。从对以上五种通信技术的对比中我们可以看出，他们基本都能满足稳定、可靠的传输要求，但自身也都存在着不足之处，因此，需要在应用中根据实际情况，选择出最为合理的解决方案。在本文所设计的家庭安防系统中，传感器节点需要安装在室内的各个主要部位，要求网络覆盖范围大，盲点少，但对数据的传输速率要求不高，综合考虑整个设备的成本、功耗等方面的问题，在室内部分，将采用 ZigBee 技术作为该网络的通信标准，在中心处理节

22、点加入 GSM 通信模块，使该网络可以与外界相互通信。表2.3.4.12.4总体设计方案下面将介绍该系统的总体设计方案，如图 2.4.1所示。该系统主要由以下几部分组成：ZigBee、GSM、终端控制单元、监测单元、中心处理单元和远程客户端。在这里，我们初步设定有两个终端控制单元、两个监测单元和一个中心处理单元，这几部分通过 ZigBee 协议搭建起室内无线网络部分。远程手机通过 GSM网络与中心处理单元进行数据交换，从而形成一套完整的家庭安防系统。图2.4.1系统总体方案示意图2.4.1ZigBee无线网络本文所设计的家庭安防系统中，在室内部分采用 ZigBee 技术搭建无线网络。通过对几种

23、常见的网络拓扑结构的比较，将采用星形网络进行无线组网，这样可以最大化的节约成本，其中监测单元和控制单元为子节点，中心处理单元为中心节点。当系统开始正常工作后，中心节点负责整个无线传感器网络的建立与维护工作，安装在各个位置的子节点必须在中心节点所覆盖的范围之内。各个子节点作用基本相同，所以不需要相互通信，因此中心节点只负责与各个子节点一对一通信。2.4.2 传感器节点在本次设计中，将终端控制单元与监测单元合并，在传感器节点芯片的 I/O口上连接继电器，来模拟控制单元开关部分的打开与闭合状态。传感器节点主要由热释电红外传感器、内嵌 51 内核的 ZigBee 通信模块 CC2530 等硬件单元构成

24、。传感器节点安放在室内的关键位置，当有人员入侵时，将报警信号传递给中心点；在控制方面，传感器节点接收中心节点发送过来的命令后，对该指令进行相应的操作。2.4.3 中心处理单元本系统最为核心的部分为中心处理单元，它是整个系统的大脑，主要由CC2530 芯片及 GSM 通信模块构成。它是整个网络的中心处理节点，负责整个网络中数据的汇总与传递，是内部网络与外部网络连接的纽带。在用户住宅内，中心处理单元会通过 ZigBee 无线网络对各个传感器节点的监测状态(有人、没人)进行实时的监控，还可以将远程手机发送过来的命令判断后，对相应的子节点发出控制指令。在外部网络环境中，中心处理单元是唯一与远程客户端进

25、行数据通信的部分，当建立好连接后，中心节点将传感器节点发送过来的报警信息处理、判断后，将最终的信息通过 GSM 网络传递至远程手机客户端，远程手机同样利用该网络向中心节点发送控制指令，完成对家中相关电器的控制。2.4.4 远程客户端远程客户端为该系统使用者可以直接进行操作的部分，主要目的是为了方便用户快捷直观的发现是家中的哪个位置发生了人员入侵情况，还可以轻松的控制家中用电器的开关。现在市面上主流手机大部分采用 Android 系统，考虑到市场占有率的问题，本文所设计的家庭安防系统的远程客户端采用一部安卓系统的手机。通过程序的编译，设计出便于用户操作的 APP，用户可以利用此软件，通过GSM

26、网络与该系统的中心处理单元进行数据通信。 2.1模块叙述： （1）模块一：实现菜单内容； （2）模块二：实现随机数的产生，并实现希尔排序、快速排序、直接选择排序、冒泡排序、堆排序的算法； （3）模块三：分成显示排序具体结果和排序直接显示结果部分，仍以菜单形式给出； 2.2数据需求： （1）数据为随机整数； （2）至少5组不同数据做比较；输出比较、移动次数； 2.3形式需求： 演示程序以人机对话的形式进行。每次测试完都要输出结果，结果用柱状图表示，以便比较各种排序的优劣。3.算法分析：3.1抽象数据类型：（1）struct record_node Keytype key; /排序码的字段 Dat

27、atype info; /记录的其他字段; struct Sort_object int n; /n为文件中记录的个数 record_node * record; /采用顺序存储结构;3.2核心算法：1.产生随机数： random(Sort_object * pvector)2.希尔排序 ShellInsert(Sort_object * pvector,int * compare_num,int * move_num)3.快速排序 Partition(Sort_object * pvector,int l,int r,int * compare_num,int * move_num)4.直接

28、选择排序 direct_select_sort(Sort_object * pvector,int * compare,int * move)5.堆排序 heap_select_sort(Sort_object * pvector,int *compare,int *move)6.冒泡排序 Bubble(Sort_object * pvector,int * compare_num,int * move_num) 7.再使用函数Order和Selection分别表示排序具体结果和排序直接结果；8.在Yes函数中加入功能选择菜单；9.在主函数中加入是否进入程序的菜单；3.3过程分析： 功能1：选

29、择并运行功能1的序号，输出结果是希尔排序，直接选择排序，冒泡排序以及堆排序，快速排序各种排序算法的排序结果，同时输出移动或比较次数，兼重排序和移动及比较次数的共同输出； 功能2：选择并运行功能2的序号，输出结果，其结果就是希尔排序，直接选择排序，冒泡排序以及堆排序，快速排序各种排序算法的移动比较次数，较为直观； 一趟功能1和功能2操作结束后，在进行5次，即可完成本次课程设计的基本要求。之后选择退出序号即可。3.4算法原理流程图：4.演示内容：图 3-1 开始菜单，选择进入程序与否图 3-2 功能菜单，图示为选择“排序结果”功能图 3-3 产生随机数图 3-4 希尔排序排序结果图 3-5 直接选择排序排序结果图 3-6 堆排序排序结果图 3-7 冒泡排序排序结果图 3-8各排序算法排序结果一览图 图 3-9 功能1结束，弹出功能菜单，选择“直观