家居智能安防系统方案设计书

西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________第1章绪论1.1课题背景与研究意义随着国民经济的不断发展，人民生活水平在不断地提高；科学的发展和技术的进步，也让人民的生活观念发生了前所未有的变化。在如今这样一个电子化、信息化高速发展的时代，层出不穷的现代高科技产品，逐步走进了千家万户，给人们带来了在过去的时代无法想象的便利。但是，在高科技产品不断地应用在不计其数的家庭中的同时，随之而来的是，各种不安全因素也伴随着这些高科技产品进入了这些家庭，比如热水器，煤气灶等的使用以及其它一些大功率电器的使用，都会使得火灾、触电、煤气泄漏导致中毒，甚至爆炸的发生成为可能；同时由于各个城市和地区的一些不法分子的存在，导致各种各样的违法的和犯罪的行为都会经常发生，比如歹徒作案行凶、居民区附近或者闹市区抢劫、入室盗窃等等，这些都给人们的正常生活造成了严重干扰。现如今，人们需要的不仅仅是生活便利的住宅，更需要的是一个能够给人安全感的生活空间。因此，在现代化的智能小区和家庭中，家庭安防监控系统作为其重要组成部分，其研究意义就不言而喻了。在家庭和小区的内部引入智能化的安防系统，可以让人们的生命和财产的安全得到更可靠的保障。一般的家居安防系统主要由安全对讲系统、防盗报警系统、防火灾报警系统和防煤气泄漏报警系统等组成，它可以作为一种可靠且有效的方式让普通小区能够避免外界侵入和自然因素引起的灾害。这些年随着微电子技术、计算机技术、无线通信技术、网络技术和控制技术等的发展，为智能小区和家居安防系统的发展提供了很好的技术基础，其功能也变愈加丰富和完善，因此必须确保它的稳定性和可靠性，且其应该具有易操作性。稳定性和可靠性是指有异常情况发生的时候，一定能够产生报警，而没有异常情况发生的时候，也不会产生误报。系统具有易操作性是指用户可以简单、快捷和方便地对家庭内部的一些存在重要安全隐患的关键点做相应的撤销、布置和防范等具体操作。此外，智能家居安防系统适合我国国情，符合我国“未富先老”的社会特点。我国人口老龄化是在经济还不够发达、物质条件尚不充裕的情况下到来的，因此，单靠政府的力量来发展养老福利事业是不现实的。智能家居系统的老人看____________________________________________________________________________________________第 1页共 33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________护系统与机构养老服务相比，具有方便，现代化，智能，更加快速等优点。适应我国老年人的生活习惯和心理特征。 受中华民族传统的家庭伦理观念影响， 我国大多数老年人不愿离开自己的家庭和社区， 到一个新的环境去养老。智能家居安防系统采取让老年人在自己家里和社区接受生活照料的服务形式， 适应了老年人的生活习惯，满足了老年人的心理需求，有助于他们安度晚年。1.2智能家居安防系统的国内外发展现状1.2.1 国外的发展现状自从世界上真正意义上的第一幢智能建筑于1984年在美国诞生以后，紧接着美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚的一些比较发达的国家都陆续推出了各式各样的家居安防的方案，并且在很多国家和地区都有比较普遍的应用。美国家居安防行业的一家名为PARKS的专业咨询机构，在对其本国的情况做了大量的统计之后，其数据给我们提供了这样一些具体信息：上世纪九十年代中期，该国的一个普通用户如果安装一套家庭式的智能化系统，其整体的成本大约在七千至九千美元之间，但最近几年其成本费用已经大大地降低，并且在今后的四到五年内，家庭智能化行业的市场增长率，平均每年将可达到百分之八左右。由于家居安防的良好前景和巨大市场，国外的多家大中型公司都已经开始着手相关的准备工作，以便在抢占家居安防市场的时候能够领先。在如今这样一个互联网经济日益繁荣的时代，小区和家庭智能化的安防建设已经受到越来越多的重视，国外有很多家企业已经在该行业里站得一席之地，比如微软公司投资了一家Itran公司，该公司是专门做家居安防和家庭智能化方面的研发。IBM公司则选择与建筑开发商合作，为用户提供带有安防系统的智能化住宅解决方案，为众多小区和家庭提供全面的小区和家庭的安全防护和信息服务。现在，国外的家居安防行业已经处在一个飞速发展的时期。1.2.2 国内的发展现状通过多年的大力概念推广、普及和发展，智能家居在国内已经逐步为人们所认可并且接受。从上世纪的九八年智能家居这一新的概念在国内被推出开始， 同时也经过媒体的大力宣传和热炒， 大家已经对其有了一定程度的认识， 但一直没有相关的真正适合国内市场的产品， 所以其实际的应用并没有得到有效的推广和____________________________________________________________________________________________第 2页共 33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________普及，出乎意料的是作为智能家居的核心组成部分的家居安防以及小区安防倒是得到了快速的发展，并且是通过在智能防范小区中嵌入智能防范家居的技术表现形式，而受到国内市场的普遍青睐，并且其在市场上也表现出相当的市场竞争力。目前，家居安防系统已经成为民居设施建设中的一项极其受欢迎的产品，它也越来越多地被应用于各种各样的家庭和小区了。而且，这些安防系统的使用让人们真正地体验到生活在时代最前端的快乐与便捷。1.2.3 家居安防的发展趋势家居安防行业在近两年已经得到了飞速的发展，越来越多的智能住宅和智能小区等都是在这种形势下形成的。现在家居安防系统开始得到了众多开发商和消费者的青睐，而可接入因特网的基于嵌入式技术和无线传感网络的家居安防系统已经成为未来的家居安防系统发展的一大趋势，因为它不仅提供统一的标准化接口以及基于无线的网络连接机制，而且还可以实现专门应用于嵌入式设备的网络协议，这样系统就不必再依赖于传统的PC机，从而使得家居安防行业进入了嵌入式时代。到目前为止，已经陆续出现了各种不同的用于家庭设备互连的无线通信协议标准，这些标准促使家居安防行业控制系统朝着网络无线化的方向发展，并且其接口也朝着国际统一的标准化方向发展，通过无线的方式实现设备的相互连接，不仅给人们的生活带来了更多的方便，也让系统具备了良好的移动性能，而遵循国际统一标准的的无线通信接口，也使得众多厂家的产品能够相互兼容；现在各种不同的无线通信技术正迅猛发展，从先前的广域网到后来的基于IEEE802.11系列的无线局域网、基于蓝牙的无线个域网、再到后来的基于ZigBee的低速无线个域网等，这些新型无线通信技术的陆续出现，也给家居安防系统的设计带来了一种有别于传统家居安防系统设计的新理念，将家庭内部的家用电器、各种传感器以及各式各样的数字设备进行无线方式的互联，将会在不远的将来成为活生生的现实；而嵌入式技术的出现，使得未来家居安防的发展彻底摆脱了对传统PC机的依赖，生产厂家将能够以更低的成本来开发家居安防系统的主控系统部分，并且其各种设备和主控系统都能够在功耗极低的状态下运行， 这使得整个系统的运行成本得到有效的降低。无线家居安防控制系统也能够让以前的有线系统得到大幅度的拓展， 让整个____________________________________________________________________________________________第 3页共 33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________系统的设计更加具有灵活性，让人们能够生活在真正无线的方便且舒适的家庭环境中。基于上述各种原因，本课题采用 ZigBee技术实现家庭内部网络拓扑的无线家居安防系统的设计方案，该方案不仅克服了传统家庭网络采用有线的方式进行布线组网的困难，而且系统安装简单，性能稳定可靠，维护方便。1.3设计的主要内容本论文通过对当前智能家居安防中的控制技术和网络互联技术的发展进行了深入地研究和分析，并对比了当前发展较快的各种短距离无线通信技术的标准及其性能特点，在深入分析了 Zigbee技术之后，提出了一个能够让室内生活环境更为便利的基于短距离无线通信技术的家居安防控制网络方案， 然后结合无线传感器网络和嵌入式技术各自的优点， 实现了一个让用户能够通过远程终端对自己家庭状况实施远程监控的智能化的家居安防系统。____________________________________________________________________________________________第 4页共 33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________第2章智能家居系统总体设计方案家居安防系统可以看作为一个由各种传感器和设备实现互连的控制网络， 互连是实现数据通信的基础，控制是家庭智能化的关键所在， 所以先从两个方面对传统家居安防系统的特点和不足进行了阐述， 然后对与本设计方案相关的网络通信和控制等技术进行了比较和分析，最后提出了系统的整体设计方案 。2.1传统家居安防系统的缺点传统的家居安防系统的控制网络都是基于有线的方式实现互联的，如CAN总线、CEBus、LonWorks、X-10、以太网等。在这些技术中，X-10与其它技术相比，其应用最为广泛，因为其成本低廉并且部分用户可自行安装；CEBus技术虽然各方面的性能都比X-10好，但因其价格昂贵而使得其应用受到限制；而LonWorks主要用于工商业界，而且还需要专门的技术人员进行安装。CANBus用于自动化工业控制，技术发展比较成熟。以太网虽然是一种数据传输速率较高的网络标准，但其在一般家庭的应用中，也因为需要电缆布线而受到限制。到目前为止，虽然已经有些发展比较不错的技术，在行业内也具备了一定的标准型和通用性，但都还有些共同的缺点：（1）采用有线的方式组网会带来显而易见的麻烦：布线繁琐，撤销和添加设备会导致线路的重新布置，这会影响室内环境的美观度；扩展系统的性能也会比较麻烦，系统的安装和维护成本也较高，且不方便移动。（2）室内设备的信息传输和控制不具有国际统一的接口标准（3）家庭内部设备间的通信的编码方式也不尽相同目前的一些家居安防系统的监控需要依赖于传统的PC机，这样的话，PC机就要一天24小时连续不停的工作，才能实现室内的正常监控，这将导致系统的升级和维护都变得很困难，并且系统的运行成本也会很高。2.2系统设计需要考虑的因素对于系统的设计，应当从技术发展的角度来考查系统方案设计的基本原则。与家庭数据通信网络的目标不一样，家居安防系统的网络中的数据传输和控制，____________________________________________________________________________________________第 5页共 33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________仅仅只是需要以成本和速率都较低的方式来实现。虽然传输音视频等数据需采用高速的通信接口来实现，可家居安防系统的网络采用这样的通信技术会导致资源的浪费，所以是不必要的。以实际应用为目的的网络系统只需要成本低廉且安装和使用方便的网络。在实现家居安防系统的网络时，则应该遵循下面几条原则：（1）低成本：家庭安防系统的控制网络中的控制目标一般是布置在室内的众多传感器终端节点，因为节点数目较多，所以需要采用成本较低的节点来实现组网。（2）标准化：各个协调器节点、终端节点等之间会进行通信，所以标准化也是比较重要。（3）自组织：不能依赖用户对系统做相关的繁琐配置和管理，这就需要网络中各个节点之间的自组织和彼此的协调。（4）可扩展性：系统不用做任何的改动，就能实现系统的升级和功能的扩展。（5）嵌入式应用：系统采用嵌入式的方式，是指网络节点通过嵌入式设备，而不是PC机，来实现与因特网的信息交互，或者通过移动通信设备的方法，如GPRS等，接入GSM网络实现远程交互。这样可以让系统摆脱对PC机的依赖而导致的耗电量大的毛病，可以有效地节约系统的运行成本。2.3几种常用的短距离无线通信技术及其比较目前，已经出现了许多种适用于不同场合的短距离无线通信技术，在这里，将一些适用于本设计的相关通信技术的性能特点进行一番简单的比较， 以便挑选出最符合本系统功能需求的无线通信技术。2.3.1 红外技术上世纪九十年代初，由二十多个大厂商发起成立了红外数据协会， 统一了红外通信标准，即红外技术，该技术一般是在 850nm光波段上实现数据的传输的，值得注意的是，在传输红外信号数据的时候，发送方和接收方之间一定要是没有任何障碍物的直线型的通信信道，但就算是它们之间没有任何障碍物的情况下，彼此间的有效通信距离最大一般也不会超过十米， 并且通信的有效方向角度必须小于三十度。但红外技术还是具有较高的数据传输速率的，从最开始的 4Mbps，____________________________________________________________________________________________第 6页共 33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________到现在已经能达到 16Mbps。现在由于微软的多种操作系统均支持红外通信功能，特别是个人电脑对其的支持，已经使得红外通信逐渐趋向于网络发展了。红外技术的工作原理很简单、功耗也比较小且成本低廉，但是因其传输的有效距离非常短、在点对点的传输方向上其偏离的角度不能太大， 所以它在很多的无线应用领域里受到了很多的限制。2.3.2 家庭无线电射频技术家庭无线电射频无线通信协议标准是由Proxim、西门子、摩托罗拉、康柏电脑等大型IT企业于上世纪末发起组建的HomeRF工作组专门负责研发的，起初研发该技术标准的目的在于为家庭设备间的无线互联提供一种组建网络方便、容易使用，且成本低廉的通用性标准，它结合了IEEE802.11与数字增强无绳电话技术等无线通信技术的部分优点，可以有效地降低话音和数据的传输成本，能够提供1～2Mbps的数据传输带宽，现在的HomeRF2.x标准的最高数据传输带宽已经达到10Mbps，该技术工作频率为2.4GHz的ISM频率段，其主要的应用领域是家庭内部的无线网络组建。该无线通信技术标准刚推出的时候，便受到了广泛的关注，并且占有很高的市场份额。本世纪初，HomeRF的市场占有率曾一度达到百分之四十五，在家庭无线网络互联的市场中占据绝对的优势地位。但是，因为HomeRF技术标准并未公开，只有数十家公司对其支持，而且其抗干扰的能力等方面与其它技术标准相比要逊色不少，同时其后续的研发以及技术升级等方面的进度非常缓慢，在与其它的技术标准协议的市场竞争中节节败退，逐渐失去了其技术的优势地位，在不久的将来有可能被无线通信技术的市场所淘汰。2.3.3 蓝牙技术1998年5月，瑞典爱立信、芬兰诺基亚、日本东芝、美国 IBM和Intel 公司5家著名厂商，在联合拓展短距离无线通信技术的标准化活动时，提出了蓝牙技术。随后，一些大型的的IT企业微软、摩托罗拉、3COM、朗讯与蓝牙特别兴趣小组5家机构联合发起并专门组建了一个旨在推广蓝牙技术的组织， 其在世界无线通信领域掀起了一股新的热潮。 蓝牙技术是一种支持设备短距离通信的无线电技术，能在移动电话、无线耳机、笔记本电脑及相关外设等众多设备之间进行无线信息的交互。利用该技术，能够有效地简化设备与设备之间以及设备与网络____________________________________________________________________________________________第 7页共 33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________之间的通信。其同样工作在 2.4GHz的ISM频段上，使用1600次/秒的扩频调频技术，输出功率分为 3种，即1mw、10mw和100mw，通信距离大约在十到一百米之间，数据传输速率从最开始的 720kbps发展到现在的3Mbps；此外，其在传输数据信息的同时，还可以外加一路语音信号。2.3.4 超宽带无线通信技术超宽带无线通信技术可以说是一种新型的无线通信技术，从信号带宽的角度来看，UWB信号是指“功率在-10dB处的相对带宽大于百分之二十五或射频的绝对带宽大于1.5GHz”的信号。UWB技术一般工作在3.1～10.6GHz的频段范围内，工作带宽极宽，将近7.5GHz，超宽带系统容量大，并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰；数据传输速率也非常高，接近1Gbps，其有效的通信距离约十米左右，在工作带宽以内，具有极低的输出功率，其功率谱密度一般低于-41dbm。由于该技术具有较宽的信号带宽，较高的数据传输速率，而且消耗电能小、保密性好、抗干扰性能强等优点，因此而受到了行业各界的普遍关注。现在，关于该技术的标准问题各界还有一些不同的意见，主要是因为这一技术具有两种不同的用于发射的信号调制方式，一个是单脉冲直接序列调制发射方式，另一个是多载波调制发射方式，其实这两种用于信号发射的调制方式，都各有各的优点，也各有各的缺点，所以最终这两种不同的调制方式可能会长期并存。除此之外，基于超宽带单脉冲直接序列调制技术的低速率数据传输技术正逐渐为人们所关注。2.3.5ZigBee 技术ZigBee技术作为一种新型的短距离无线通信技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据传输速率以及低成本，主要适用于自动控制和远程控制领域，可嵌入各种设备中。该技术具有统一的标准，它可以说是 IEEE802.15.4的代名词，因为 ZigBee协议的PHY层和MAC层协议直接引用了 IEEE802.15.4，而网络层则由ZigBee技术联盟制定，至于应用层，则是根据用户本身的具体应用需求，对其进行相应的开发，因此该技术实际上为我们提供了更加灵活的组网方式。依据IEEE802.15.4标准协议的规定，ZigBee技术标准工作在3个相距较大的不同频段内，不同频段上的信道数目也不仅相同， 所以，该项技术标准中各个____________________________________________________________________________________________第 8页共 33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________频段所采用的调制方式和传输速率有所差别。 这三个频段分别为 868MHz、915MHz和2.4GHz，其中2.4GHz频段有16个通信信道，数据的传输速率为250kbps，是全球免费且通用的ISM频段；另外两个频段即915/868MHz，其分别有10个和1个通信信道，数据的传输速率分别为 40kbps和20kbps。该技术采用了免冲突多载波信道接入方式，可以有效地避免无线电载波间的冲突，同时，建立了完善的应答通信机制，以确保数据能够更可靠的传输。基于ZigBee技术的设备可组建星型或者点对点对等网络，因为其具有较长的地址码，所以网络中可以连接数目众多的节点设备。基于该技术的设备，其发射功率一般为0～3.6dBm，有效通信距离在三十到七十米之间，且具有能量检测和链路质量指示的功能，设备可以利用这些功能来获取相应的信息，并根据这些具体的信息来对本设备的发射功率进行自动的调整，在确保通信链路质量的前提下，能够将节点的能量消耗降到最低的限度。2.4系统总设计方案家居安防系统主要由家庭内部的控制网络和主控系统两部分组成， 并且基于上述对各方面相关技术的分析和比较所得出的结论，我们设计了结构如图 2.1所示的系统方案：PC机ZigBee气体传设备节感器点ZigBee红外传摄像ARM9主协调设备节感器器节ZigBee点头控平台点网络ZigBee压力传GPRS设备节感器模块点图2.1系统的结构框图此方案采用了基于 ZigBee的短距离无线通信技术，来实现家庭内部的网络组建，网络终端节点通过连接各种传感器的方式实现对室内环境信息的采集， 然____________________________________________________________________________________________第 9页共 33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________后将采集到的数据通过 ZigBee协议与主控系统也即协调器节点进行数据的传输、处理和存储。而主控系统同时又作为该网络的协调器节点，则通过程序的设计在特定的信道上建立PAN网络，并把从终端节点接收到的数据处理后，再通过GPRS模块发送给家庭主人。而在主控系统内部建立Web服务器功能，可以让用户通过远程PC机的浏览器发送具体的请求以查看居室内部的具体状况，并进行相应的控制。该方案不仅成本低、功耗低和标准统一，而且克服了传统的家居安防系统的不足。2.5家庭网络的拓扑结构在ZigBee协议里定义了三种网络拓扑结构，分别为星型网络、点对点网络和簇树网络，其中簇树网络可归为点对点网络。网络结构如图2.2所示：133113113点对点拓扑33星状拓扑2323RFD132树族网络协调器3路由器图2.2 三种典型的拓扑结构在星型结构的网络中，其协调器节点的能量供应必须具有不间断性， 而终端节点则可以采用普通的电池对其提供能量。 此种网络结构适合在比较小的范围内组建。而对于点对点的网络结构，只要双方的距离小于节点设备的最大通信距离，同时通信的基本条件得到满足， 则双方就可以实现彼此间的通信。 点对点网络中也有协调器节点，它主要用于管理链路状态信息， 认证设备身份等。此种网络与____________________________________________________________________________________________第 10页共33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________星型网络相比，结构要更加复杂，在节点分布范围较广的场合一般采用这种结构。在星型网络结构中，协调器作为中心节点，它可以和其它任何一个终端节点通信，但终端节点之间不能进行通信，所以要构成星型网络，首先要确立协调器节点。任意一个全功能设备即FFD设备都可以成为协调器节点，在一个星型的网络中，具体确定哪一个节点作为协调器节点是由上层的应用程序来设定的。一般的形成机制是：当一个全功能设备节点在第一次被激活之后，会通过广播查询的方式来查询协调器节点的请求信息，当接收到的信息显示网络中现在已经有协调器节点了，那么该设备节点就必须接受已经存在的协调器节点的认证，一旦认证成功，则该节点就加入该网络并成为网络中的一般节点即精简功能设备节点。当首次激活后并未接收到任何的回复信息时，亦或是认证失败时，该节点就会自动将自身作为网络的协调器节点，并进行以自身为中心节点的网络组建。协调器节点确立之后，其将为本星型网络确定一个唯一的网络标识符，在该星型网络中的所有节点都会用这一标识符来确定自己是否属于该网络。在确定了网络标识符之后，协调器节点就会准许其他节点加入到自己的网络里来，并负责为加入进网络的节点转发相应的数据。前面说到，终端节点与终端节点之间不能进行通信，实际是指不能直接进行通信，但可以通过协调器节点进行中转，以实现彼此间的间接通信。根据以上对网络拓扑结构的研究和分析，本系统选择采用星型的网络结构，因为该结构的具体实现方法，要比其它结构的方法简单。从实际应用的角度来看，由于家居安防系统的家庭控制网络所覆盖的范围很小， 因此，采用星型的网络结构，就完全可以达到家庭无线网络的功能需求。____________________________________________________________________________________________第 11页 共33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________第3章ZigBee网络节点与通信程序的设计基于ZigBee技术的家庭无线网络节点，即 ZigBee网络节点，分为协调器节点和终端节点两类，其中终端节点通过连接各种各样的传感器， 并将其安置在居屋内的相应的重要位置，以此来探测居屋内环境的相关信息， 一旦发生异常状况，终端节点便把通过传感器采集到具体的信息数据， 以无线传输的方式发送给协调器节点；协调器节点，可以将自身作为中心节点，建立自己的传感器网络，并为终端节点分配相应的网络地址等， 同时根据具体的情况，对接收到的由终端节点设备发送过来的数据信息做相应的处理。3.1ZigBee 网络节点的结构基于ZigBee的家居无线网络的设计，其关键在于网络节点的设计。作为家居无线网络的基本组成单元，它的主要功能包括了对家庭环境信息的数据采集、以及对采集到数据的处理和发送等。 网络节点设计的好坏直接关系到家庭无线网络的整体性能。ZigBee网络节点主要由传感器、信息处理单元、射频收发单元和电源组成。传感器的作用是采集家庭环境的相关数据信息， 之后将采集到的数据信息传送给信息处理单元；信息处理单元用于管理本节点的其它功能模块， 以保证各模块之间能够相互协调的工作，此外，它还会根据具体的情况对传感器传递过来的数据信息做相应的处理和保存；射频收发单元则主要用于发送和接收数据处理单元处理之后的数据信息。终端节点的结构框图如图 3.1所示。ADC转控制器数据传输单元传感器发送接收换电源图3.1 终端节点的结构框图____________________________________________________________________________________________第 12页共33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________3.2ZigBee 网络节点的硬件设计3.2.1 硬件的选型具体选择何种硬件来建立家居无线网络节点的硬件平台，是节点设计的首要工作，因为这直接关系到后面整个系统的开发能否顺利进行。（1）无线收发模块的选择基于ZigBee/IEEE802.15.4协议物理层的规定，网络节点的发射功率为0～3.6dbm，节点间能够通信的最大距离，因节点类型的不同从三十到六十米不等，并且可以通过检测信号的能量和网络通信链路的质量，来对节点的发射功率进行相应的配置。这样既可以保障网络通信链路的质量，又可以最大程度地降低节点的功耗。基于以上因素的考虑，本系统的无线收发模块选择了CC2420芯片，该芯片是由已被德州仪器公司收购的Chipcon公司研发出的符合IEEE802.15.4协议的射频芯片。该芯片不仅工作性能稳定可靠，更值得一提的是其能耗非常低，其各方面的性能指标均符合甚至优于IEEE802.15.4协议所定义的性能指标。该芯片不仅支持载波侦听多点接入/冲突检测，还集成有接受信号强度指示的模块，该模块可用于节点间的距离测量，此外包含有电源管理和信道变换等功能。（2）信息处理模块的选择在家庭无线网络的节点中，信息处理模块，即微处理器，是网络节点的核心部分，该模块不仅要控制和协调传感器和射频收发模块间的工作，还要根据具体的需求对其通过传感器所采集的环境数据做相应的处理和保存。由于协调器节点和终端节点具体功能需求差别很大，所以本系统决定选用不同的微处理器来分别作为协调器节点和终端节点的信息处理单元。对于协调器节点，由于本系统是在主控系统上扩展的协调器节点的功能，所以采用了应用范围极其广泛的ARM处理器。因为该类型的处理器不仅成本低，而且具备高性能、低功耗的特点。现在，ARM处理器几乎遍及工控、无线通信、网络应用等领域。而且，由于ARM优良的低功耗特性，使得ARM在应用于嵌入式系统的微处理器市场中占据了绝对的优势地位。ARM7系列的微处理器，当核电压为3.3V时，功耗只有1.1mW/MHz。____________________________________________________________________________________________第 13页共33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________本设计选用的 ARM处理器是以三星公司生产的以 ARM920T为内核的S3C2440芯片。对于终端节点，本设计选取了 51系列的单片机C8051F021作为家庭无线网络终端节点的微控制器，该控制器硬件实现的 SPI接口，能够非常方便的与CC2420的SPI接口之间进行数据的传递。（3）传感器的选择1.CO气体传感器——MQ-7型简要说明：一、尺寸：32mmX22mmX27mm长X宽X高二、主要芯片：LM393、MQ-7气体传感器三、工作电压：直流5伏四、特点：1、具有信号输出指示。2、双路信号输出（模拟量输出及 TTL电平输出）3、TTL输出有效信号为低电平。（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机）____________________________________________________________________________________________第 14页共33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________4、模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高。5、对一氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性。6、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性五、应用：用于家庭、环境的一氧化碳探测装置。适宜于一氧化碳、煤气等的探测。六、工作原理：气体传感器主要有半导体式、接触燃烧方式、化学反应式、光干涉式、热传导式、红外线吸收散式等。而这当中以半导体气体传感器应用更为广泛。半导体气体传感器由气敏部分、 加热丝以及防爆网等构成，它是在气敏部分的SnO2、Fe2O2、ZnO2等金属氧化物中添加Pt、Pd等敏化剂的传感器。传感器的选择性由添加敏化剂的多少进行控制，例如，对于ZnO2系列传感器，若添加Pt，则传感器对丙烷与异丁烷有较高的灵敏度；若添加 Pd，则对CO与H2比较敏感。气体传感器以陶瓷管为框架，外覆一层敏感膜的材料，利用膜两端的镀金引脚进行测量。敏感膜的材料最常用的有金属氧化物、 高分子聚合物材料和胶体敏感膜等。它的两个关键部分是加热电阻和气体敏感膜。 金电极连接气敏材料的两端，使其等效为一个阻值随外部待测气体浓度变化的电阻。 由于金属氧化物有很高的热稳定性，而且这种传感器仅在半导体表面层产生可逆氧化还原反应， 半导体内部化学结构不变，因此，长期使用也可获得较高的稳定性。原理简介如下：金属氧化物一旦加热，空气中的氧就会从金属氧化物半导体结晶粒子的施主能级中夺走电子，而在结晶表面上吸附负电子，使表面电位增高，从而阻碍导电电子的移动，所以，气体传感器在空气中为恒定的电阻值。这时还原性气体与半导体表面吸附的氧发生氧化反应，由于气体分子的离吸作用使其表面电位高低发生变化，因此，传感器的电阻值要发生变化。对于还原性气体，电阻值减小；对于氧化性气体，则电阻值增大。这样，根据电阻值的变化就能检测气体的浓度。____________________________________________________________________________________________第 15页共33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________红外热释电传感器——RE200B简要说明：一、主要参数型号RE200B灵敏元面积2.0×1.0基片材料 硅基片厚度0.5mm工作波长7-14um平均透过率 ＞75%输出信号 ＞2.5V(420°k黑体1Hz调制频率噪声＜200mV

0.3-3.0Hz

带宽

72.5db

增益)(mVp-p)(25

℃)平衡度 ＜20%工作电压

2.2-15V____________________________________________________________________________________________第 16页共33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________工作电流8.5-24uA(VD=10V,Rs=47kΩ,25℃)源极电压0.4-1.1V(VD=10V,Rs=47kΩ,25℃)工作温度-20℃-+70℃保存温度-35℃-+80℃视场139°×126°二、使用1、上述特性指标是在源极电阻 R2=47KΩ条件下测定的，用户使用传感器时，可根据自己的需要调整 R2的大小。2、注意灵敏元的位置及视场大小， 以便得到最佳光学设计。3、所有电压信号的测量都是采用峰一峰值定标。平衡度B中的EA和EB分别表示两个灵敏元的电压输出信号的峰一峰值。4、使用传感时，管脚的弯曲或焊接部位应离开管脚基部 4mm以上。5、使用传感器前，应先参考说明书，尤其要防止接错管脚。三、工作原理热释电红外传感器是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。 传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反， 环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同， 热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长 10uM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的 10uM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10uM左右的红外线通过菲涅尔透镜增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。____________________________________________________________________________________________第 17页共33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________烟感传感器——WL-FD-A简要说明：WL-FD-A物联无线烟雾（火警）探测器，是基于 ZigBee标准设计的一款产品。它广泛应用于智能家居、智慧旅店、智能建筑等系统中，实时探测空气中烟雾的浓度，即时发出报警信息。WL-FD-A物联无线烟雾（火警）探测器还可方便地与无线警报设备绑定，自动发出无线触发信号，启动警报器。功能特点：1.ZigBee设备类型：IASZone可与WULIAN报警设备共同使用兼容ZigBee智能家居协议运行可靠、性能稳定、误报率低专利设计、体积小、重量轻、美观大方具有漂移自动跟踪补偿功能抗干扰能力强，自动调节灵敏度技术参数:通信方式IEEE802.15.4(ZigBee)频宽2.4-2.4835GHz3.工作温度-10~150℃____________________________________________________________________________________________第 18页共33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________工作湿度最大95%RH通信距离50m状态显示LED探测类型WL-FD-A:光电式工作电压12V~24VDC产品尺寸直径105mm，高45mm工作原理：烟雾探测器的工作原理就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟雾探测器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室。干扰了带电粒子的正常运动，电流、电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。4.门磁传感器——WL-DWS-01简要说明：WL-DWS-01具有安装简便、功耗较低等特点，无需任何布线，并配备了最新的节电技术，只要 CR1/2AA的3V安防电池即可工作，能持续半年之久。____________________________________________________________________________________________第 19页共33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________同时，WL-DWS-01还具备良好的兼容性，完全符合IEEE802.15.4ZigbeeHA协议标准，适用任何ZigbeeHA协议的网络。使用作用：主要用于防入侵。当你在家时，门、窗磁会自动处于撤防状态，不会触发报警，当你离家后，门、窗磁会自动进入布防状态，一旦有人开门或开窗就会通知你的手机并发出报警信息。与传统的门窗磁相比，无线门窗磁无需布线，装上电池即可工作，安装非常方便，安装过程一般不超过2分钟。另外对于有保险柜的家庭来说，这种传感器还能够侦测并记录下保险柜每次被打开或者关闭的时间并及时通知授权手机。主要特点：1.ZigBee 设备类型：IASZone安装简便：无线通讯，无需任何布线，嵌入式安装；体积小巧：目前市面上最小的无线感应器；节能环保：只需3V安防电池即可工作半年；开放相容：能与任何基于ZigBee智能家居标准构建的智能家居系统兼容。无线网络摄像头——WL-WSHC-01可视可看一直是智能家庭的基本需求，虽然传统的DVR和摄像机能够在一定程度上满足现代家庭的需要，但离人们对于物联网智能家居的要求还有很大差____________________________________________________________________________________________第 20页共33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________距，为满足人们的期待，物联传感率先在全球推出首台结合了无线物联网技术的智能家居摄像机 WL-WSHC-01，该摄像机不仅具备传统网络摄像机的所有功能，而且融入了智能家居技术、云技术。从此，不仅关心看得见，而且感知立体化、全息化。功能特点：安装方便：采用无线方式，安装方便灵活，不需布设视频线和网络线使用简单：集成最新物联网技术，省掉了摄像机繁琐的配置，通电即可使用状态可见：受关注的智能家居设备状态和视频图像能够同步显示技术参数:支持ZigBee技术，可与所有ZigBeeHA产品轻松连接支持IEEE802.11b/gWiFi无线网络支持手机实时监看、录像回放支持SD卡录像、抓拍内置红外灯，支持夜间拍、录、看支持移动侦测报警、录像支持双向语音对讲3.2.2微处理器与射频芯片的连接无线收发芯片CC2420与微的连接比较简单。它以SFD、FIFO、FIFOP和CCA这四个引脚来表示收发数据的状态，通过SPI接口与CC2420进行数据通信和发送命令。如图3.2所示：FIFOGPIOFIFOPInterruptCCAGPIOSFDTimerCaptureCC2420uCGPIOCSnSIMOSISOMISOSCLKSCLK图3.2CC2420 和微控制器接口的连接SPI，即串行外围设备接口，是一种高速的，全双工，且同步的通信总线。该接口由CSn,SI,SO和SCLK四个引脚组成。微控制器可以通过该接口实现对____________________________________________________________________________________________第 21页共33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________射频芯片CC2420内部的寄存器和存储器的访问。微控制器不仅可以利用该接口与CC2420进行数据的传递，同时还可利用该接口向 CC2430发送命令以实现对CC2420的控制。SFD为接收帧的状态标志，当SFD为高电平的时候，则说明物理层此时接收到有效的数据帧，当该数据帧的接收过程完成时， SFD此时会从高电平跳转到低电平。FIFO和FIFOP引脚则表示接收FIFO的缓存区的状态。当RXFIFO缓存区中存有数据时，FIFO置高；当RXFIFO缓存区为空时，FIFO引脚则置低。当RXFIFO缓存区的数据超过事先设置的值时或是在 CC2420接收到一个完整的帧后，FIFOP会置高。CCA则在信道有信号时置高，它仅仅在接收状态下有效。3.2.3 微控制器与传感器的连接传感器模块与控制器的硬件电路连接如图 3.3所示Uc

DATASHT1xSCK图3.3 传感器和微控制器接口的连接传感器和微控制器的连接方法比较简单，主要涉及到串行时钟线SCK和串行数据先DATA两条线路。其中串行时钟输入线SCK用于微控制器与SHTxx之间通讯的同步，串行数据线DATA用于数据的读取。微控制器与SHT11之间的数据传输是单向的，主要有发送命令数据给传感器和从传感器那里读取温湿度数据。3.3ZigBee 网络节点的软件设计3.3.1 协调器节点的软件设计对于协调器节点，即本系统的主控模块，因为本方案中是在主控系统中扩展的协调器节点功能，所以采用了基于嵌入式技术的软件设计， 对应的软件框架结构如图3.4所示。其中协调器节点功能的软件包含了射频收发软件模块和协议栈软件模块，它们和主控系统其它的功能软件模块被划分为不同的任务， 由操作系____________________________________________________________________________________________第 22页共33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________统创建相应的进程，统一对其进行调度和管理。应用程序软件模块Zigbee嵌入式块GPRS块件模块栈模块Web射频收发协软议务器模块图像采集模程序模服操作系统HAL(硬件抽象层），Drivers，SPI，UART等底层硬件图3.4 协调器节点软件系统架构框图协调器节点的软件功能模块是在采用了嵌入式技术的主控系统中实现的， 所以该节点相应的软件设计是嵌入式软件开发环境中进行的。 所以协调器节点软件的设计要在完成了 Bootloader 和操作系统的移植之后，才可以进行相应的功能软件模块的设计，主要包括基于 ZigBee协议的无线通信、嵌入式 Web服务器功能模块、USB摄像头的图片采集功能以及 GPRS功能等功能软件的开发。在本章的第四节里将介绍协调器节点与终端节点基于 ZigBee协议通信的软件的设计，关于操作系统移植以及其它功能软件的设计，在下一章里将会进行详细地阐述。3.3.2 传感器模块的软件设计在使用传感器之前，必须先对其进行复位，按照其时序图将 DATA和SCK同时设为输出口，并将其都置为低电平，之后再将 DATA先置高，当SCK时钟循环九次之后，开始测量时序，同时向传感器发送复位命令， 再把DATA设为输入口，此时复位工作完成。当微控制器需向传感器发送一个字节的命令数据时，须先将 DATA线置为输出，根据发送的数据是 1或0，相应地将DATA线置高或者置低，每次发送一位，实现一次命令数据的发送，需有SCK控制循环发送八次，待发送完成之后，再将DATA线设为输入口。当微控制器要从传感器读取数据时，需先将 DATA线设为输____________________________________________________________________________________________第 23页共33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________入口，然后开始读取数据，每次读一位，由 SCK控制循环读取 8次，以完成一个字节的传感器数据的读取，最后，把 DATA线设置为输出口。3.4家庭无线网络的通信程序设计3.4.1PHY和MAC层功能分析由于本系统采用的星型网络只用到 IEEE802.15.4协议的PHY层和MAC层。所以在此先介绍一下这两层协议中的数据帧结构及协议功能的实现。（1）物理层物理层通过硬件提供 MAC层与物理层无线信道之间的接口。 从概念来看，物理层实质还包含了物理层管理实体 (PLME)，它为调用物理层管理服务功能提供接口；而且还管理着物理层 PAN信息库(PHYPIB)。该层的参考模型如图 3.5所示。物理层通过物理层数据服务访问点 (PD-SAP)提供物理层数据服务；通过物理层管理实体服务访问点(PLME-SAP)提供物理层管理服务。PD-SAPPLME-SAP物理层管理实体物理层(PHY)（PLME）PHYPIBRF-SAP图3.5物理层参考模型2）MAC层MAC层提供了特定服务会聚子层和物理层之间的接口。从概念上来看， MAC层实质还包含了MAC层管理实体(MLME)，其为调用MAC层管理服务功能提供接口。该层的参考模型如图 3.6所示。该层通过MAC公共部分子层的数据 SAP(MCPS-SAP)提供MAC数据服务；通过 MLME-SAP提供MAC管理服务。这两种服务通过物理层PD-SAP和PLME-SAP提供了SSCS和PHY之间的接口。除了这些外部接口外，MCPS和MLME之间还隐含了一个内部接口，用于 MLME调用MAC数据服务。____________________________________________________________________________________________第 24页共33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________MCPS-SAPMLME-SAPMAC层管理MAC公共部分实体（MLME）子层（MCPS）MACPIBPD-SAPPLME-SAP图3.6MAC层参考模型____________________________________________________________________________________________第 25页共33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________第4章主控系统的设计与实现主控系统是家居安防系统的中枢，其设计的好坏直接关系到系统整体性能的优劣。主控系统主要用于接收终端节点所发送的由传感器所采集的家庭环境的具体数据信息，如有异常情况发生，主控系统将通过与串口连接的 GPRS模块向户主发送短信进行报警；同时主控系统还可以通过 USB接口连接摄像头，以实现居屋内部的视频信息的采集和存储，同时用户可以通过远程终端开启浏览器的方式实现对家庭内部状况的远程监控。4.1主控系统的结构主控系统的硬件平台采用基于 ARM处理器的iView2440开发板，该开发板以S3C2440为核心，并预留了丰富的接口，以便扩展外部设备来丰富和完善系统的功能。其结构如图 4.1所示。64MFLASHJTAG接口 64MSRAMLED接口RJ45以太网接口

CS8900A以太网控制器SD卡接口S3C2440ARM920TGPRS 串口USB接口 USB摄像头8MNANDFLASHGPIO口ZigBee模块图4.1 主控系统的组成结构图如上图所示，本方案在主控系统上扩展了基于 USB摄像头的图像采集功能、GPRS短信发送功能、基于 IEEE802.15.4/ZigBee 协议的协调器节点功能以及需要通过以太网实现的嵌入式 Web服务器功能等等。4.2嵌入式开发平台的建立和系统移植进行嵌入式软件的开发的首要工作是构建其相应的开发环境， 嵌入式的软件____________________________________________________________________________________________第 26页共33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________开发环境是由目标板和宿主机所连接构成的交叉开发环境。 目标板用于运行嵌入式操作系统和应用程序，而应用程序的开发、编译、调试等工作则都是在宿主机上完成的。4.2.1 开发平台的建立本方案选择了以ARM处理器S3C2440为核心的iView2440开发板作为目标开发板。先把目标板和JTAG烧写器进行连接，以及把JTAG通过并口线将其连接到宿主机上，以便将开发的程序烧录到目标板上。然后用串口线将目标板和宿主机的串口相连接，这样可以通过Windows下的串口调试工具DNW对目标板进行控制。配置Linux服务器的tftp和NFS功能，利用该功能可以将编译好的程序文件通过以太网接口加载在目标板的内存中去。如果目标板跟Linux服务器是直接连接的，则应该采用具有交叉功能的网线进行连接，但服务器和目标板的网络接口如果是通过路由器等连接的，则可直接采用普通的直连网线来实现连接。这样就完成了开发平台的建立。4.2.2Linux 内核的移植Linux内核移植是指根据特定的目标平台对Linux内核做相应的修改后，然后利用u-boot将其加载到该目标板的内存中让其顺利的运行。其主要过程如下：首先下载到自己所需要的版本的Linux内核源码，根据特定的目标平台对所下载的源码进行相应的修改，需要修改的主要是与处理器的体系结构有关的代码部分，然后添加本系统方案设计所需要的一些外设的驱动模块， 最终将其改造成适合于本系统设计方案所需要的的新内核， 然后对该内核进行交叉编译，生成本系统所需的内核映像文件，并将其烧写到目标板的闪存中或者通过网络直接将其加载到目标板的内存中运行。4.3视频采集的设计与实现对于USB接口的摄像头，在其对应的驱动程序中必须提供有基本的 I/O操作接口函数 open()、read()、write() 、close() ，中断服务例程，内存映射功能和控制

I/O

的接口函数

ioctl()

等，并将其定义在结构体

structfile_operations

中。这样当应用程序对设备文件进行诸如

open()

等系统调用的操作时，Linux

内核将可以通过

file_operations

结构体来访问驱动程序所提供____________________________________________________________________________________________第 27页共33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________的对应的函数。4.3.1Video4Linux 编程Video4Linux(简称V4L)是Linux关于视频外设的驱动程序，当需要对音视频设备做相关的应用程序开发的时候，该驱动为其提供了必要的

API

函数，在Linux

中，视频采集设备要正常使用，其必须能够支持

V4L标准。利用Video4Linux实现视频图像的采集，主要分以下几步进行：打开设备；读取其相关信息；对设备的属性做相关的设置； 采集视频流，这一步有两种实现方式，后面会详细介绍；对截取到的图像数据做相应的处理；关闭该设备Linux下的设备文件/dev/video 提供视频捕捉的接口，在这里将针对于该设备进行图像采集程序的设计。4.3.2 图像采集程序的流程图开始 捕获一张照片存储图片 并调用打开视频设备计数器是否计数器达获取设备信息和图 Y 到最大值像信息N删除图片是否定时器时N等待间到打开视频设备Y是否终止视频采集初始化YN关闭视频设备初始化定时器结束图4.2 图像采集程序流程4.4GPRS功能模块的设计为了方便用户及时获得家庭内部的具体环境信息，本方案在系统中扩展了GPRS功能模块，这样用户就可以通过短信及时获知家里的实际状况。GPRS(GeneralpacketRadioservice) 是通用分组无线业务的简称，它作为第二____________________________________________________________________________________________第 28页共33页西安建筑科技大学课程设计（论文）_____________________________________________________________________代移动通信技术 GSM向第三代移动通信的过渡技术，是在现有的GSM移动通信系统基础之上发展起来的一种移动分组数据业务。GPRS的功能主要是由AT指令来实现的，而AT指令是以字符串的形式由处理器发送给GPRS模块的。其短信发送有文本模式和PDU（protocoldescriptionunit）模式两种。文本模式仅可以发送ASCII字符。而PDU模式，则有三种编码方式。若要发送中文短信，则应采用PDU模式中的的Unicode编码方式。开始计算发送内容的长度源字符串编码格式读取手机号并做转换输出存放地方各个字符串及格式拼接到contallIconv_open()获得句柄串口设置Iconv()编码短信发送转换函数Iconv_close