引言

　　集成了傳感器技術、微機電制造系統(tǒng)（MEMS）技術、無線通信技術和分布式信息處理技術的無線傳感器網絡是因特網從虛擬世界到物理世界的延伸。本文之所以把無線傳感網絡這種先進的技術應用于智能家居安防領域，其一是伴隨著高科技產品在現(xiàn)代家庭中的應用，相應地也帶來了一系列不安全因素，如煤氣管道、熱水器以及其他許多大容量的家用電器的使用，都明顯地增加了發(fā)生火災的可能性以及煤氣中毒、爆炸的危險等，且社會上還有不法分子在活動，行兇、盜竊等違法犯罪活動時有發(fā)生，給社會帶來不安定因素，所以家庭安防系統(tǒng)的研究具有迫切意義；其二是廣闊的市場前景，因為安全是每一個家庭和工業(yè)領域必需的保障，所以該系統(tǒng)的應用范圍是相當廣泛的；其三是其典型性和可移植性，如果在智能家居安防中實現(xiàn)了，那么該技術可以移植到其他很多系統(tǒng)之中，比如說智能大樓，智能醫(yī)療系統(tǒng)，而只需做部分應用方面的修改。

    1基于Zigbee技術的無線傳感器網絡

    Zigbee

    網絡首先由連接無線網關的協(xié)調器(Coordinator)發(fā)動并建立，其他節(jié)點加入已經建立的網絡。每個節(jié)點加入網絡時，其父節(jié)點都會按約定規(guī)則給它分配一個網絡層地址供通信使用。功能比較強且供電充足的節(jié)點充當路由節(jié)點(RouteNode，RN)為全功能設備（Full Function Device，F(xiàn)FD），它能接收其他節(jié)點作為其子節(jié)點，同時根據(jù)自身狀況決定是否給其他節(jié)點查找路由和轉發(fā)數(shù)據(jù)；功能比較弱的節(jié)點為簡化功能節(jié)點(RFD)，不能成為其他節(jié)點的父節(jié)點，通信時只能請父節(jié)點幫忙轉發(fā)數(shù)據(jù)[2]。有路由能力的路由節(jié)點(RN+)采用AODVjr路由算法，而沒有路由能力的路由節(jié)點(RN-)和RFD遵循Cluster-Tree路由算法[3]。Zigbee標準的協(xié)議棧如所示。

    2智能家居安防系統(tǒng)的設計方案

    2.1系統(tǒng)的總體設計方案

    基于無線傳感器網絡的智能家居網絡主要是由若干無線傳感器節(jié)點、無線執(zhí)行機構、家居無線控制中心組成[4]。其中,

    節(jié)點分布于客廳、臥室、洗手間、廚房等需要監(jiān)測的區(qū)域內,執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理和通信工作。無線執(zhí)行機構負責啟動聲光報警、自動繼電器開關等控制功能。家居無線控制中心處理、轉發(fā)來自無線傳感器節(jié)點中的信息,

    并且為互聯(lián)網的連接提供接口進行遠程控制。由于不同網絡結構會對網絡的速度、特點和實現(xiàn)有較大影響，因此結合智能家庭網絡系統(tǒng)的特點，如家庭內部無線網絡連接距離較短,

    家用電器位置容易改變,家庭電器等的數(shù)也容易變化，房間之間仍有一段不小的距離，分布的節(jié)點并不是太多，并且數(shù)據(jù)的傳輸量也不是太大,

    網絡中的信息傳送主要發(fā)生在WSN的基站和其他室內終端上的傳感器節(jié)點之間�；�于家庭網絡的這些特點以及樹的特征和優(yōu)勢,本文以WSN的基站節(jié)點（也稱為協(xié)調器Coordinator）為中心節(jié)點組建一個串狀樹形家庭網絡。

    本文主要實現(xiàn)的功能包括智能門禁系統(tǒng)、智能門窗防盜、煤氣監(jiān)測系統(tǒng)、火災監(jiān)測系統(tǒng)、居室內的人體紅外檢測、遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。節(jié)點布置和網絡系統(tǒng)的總體設計方案如圖2所示，圖中的ZD代表的是Zigbee終端設備，可以是FFD也可以是RFD；ZR代表的是Zigbee路由器；ZC代表的是Zigbee協(xié)調器。

    2.2智能家居安防系統(tǒng)的各功能塊的描述

    （1）智能門禁系統(tǒng)：

    當人走到家居門口時，紅外熱釋電傳感器感應到人體接近，促使門禁Zigbee設備主動發(fā)射獲取人體身份命令信號。當人體攜帶著身份識別標簽（也是一種Zigbee

    設備）時，標簽會發(fā)送加密身份信號給門禁Zigbee

    設備，門禁系統(tǒng)經過分析判斷后決定是否開啟數(shù)字門鎖，用戶再也不用自己掏鑰匙開門了。如果是一個未知身份的人體，則門禁系統(tǒng)會搜索家居內是否有人，如果有人則通知家居內的用戶有客人到來，如果家居內沒人則會遠程通知智能家居安防用戶有客人在家門口，通過門禁系統(tǒng)的攝像頭采集客人的人臉圖像并通過Internet發(fā)送到用戶PC

    上。當然遠程用戶也可以隨時給家庭網關協(xié)調器發(fā)送命令來采集家居門口人臉的圖像。當用戶確認了來人的身份以后可以遠程控制門禁系統(tǒng)開啟數(shù)字門鎖，讓客人進屋，以免讓客人在屋外等待。

    （2）智能門窗防盜

    所有的家居窗戶上都安裝有紅外幕簾傳感器，用來防止未知人員從窗戶侵入家居。該系統(tǒng)是人性化的運行方式，分為白天和黑夜兩種運行方式，這由協(xié)調器的實時時鐘來進行控制。白天時，當家居內有人體走進一個房間時，該房間的紅外幕簾即告失效，防止不必要的誤報警，而當人體一旦離開房間則該房間的紅外幕簾馬上開啟。而在夜晚的時候，用戶需要設定一個時間點，當?shù)竭_設定的時間點的時候，紅外幕簾會強制開啟，并保持到天亮。

    （3）煤氣泄漏監(jiān)測

    在廚房安裝多個煤氣檢測傳感器節(jié)點，可靠地報告廚房煤氣的含量是否超標，如果超標則立即報警和遠程報警通知，同時開啟所有的排氣扇，保證家居內人員的人身安全。

    （4）火災預警系統(tǒng)

    在所有的房間都安裝上了火災光電煙霧探測器，對即將發(fā)生的火災事件預警通知，合理布置火災探測器節(jié)點，防止盲點的出現(xiàn)，遏制火災事件的發(fā)生。

    （5）居室內的人員定位

    在居室內布置有紅外熱釋電傳感器節(jié)點，用以監(jiān)測家居內是否有人、位于哪一個屋，如果是佩戴有身份標簽的人員則還可知其身份。這些都可以在遠程監(jiān)控界面中觀察到。這還可以用來監(jiān)督小孩子有沒有在學習，是不是在客廳看電視等等，也可以監(jiān)測老人們是不是在家里面等等。

    （6）遠程監(jiān)控

    以上所有的安全參數(shù)都可以在遠程客戶端軟件中觀察到，并可以實現(xiàn)部分電器和數(shù)字門鎖控制，全圖形化監(jiān)視和控制界面，方便觀察和控制。

    （7）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

    所有的控制命令、圖像采集數(shù)據(jù)、報警參數(shù)時間等數(shù)據(jù)都通過上位機軟件存儲于SQL Server2000數(shù)據(jù)庫中。

    3系統(tǒng)的硬件設計

    在剛做本系統(tǒng)設計的時候是在CROSSBOW公司的MICAZ節(jié)點平臺上做了相關的基礎框架實驗。順利地通過TinyOS操作系統(tǒng)和自組織方式組成網狀網絡，并且采集數(shù)據(jù)，通過多跳路由方式把數(shù)據(jù)轉發(fā)回基站。雖然CROSSBOW的產品擁有諸多優(yōu)點，但是因為該產品硬件電路復雜，并且組網方面也存在一些問題，且價格昂貴，不適合于大范圍地布置節(jié)點。所以本文最后選擇在TI公司的CC2430片上系統(tǒng)上做系統(tǒng)設計。CC2430是一顆真正的片上系統(tǒng)(SoC)
    CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4GHz

    ISM波段應用以及對低成本、低功耗的要求[5,6]。它結合一個高性能2.4GHz

    DSSS(直接序列擴頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器，資源非常豐富。

    對于無線傳感器節(jié)點來說最敏感的就是射頻電路，很容易受其它信號的干擾，所以為了降低節(jié)點電路本身對射頻RF的干擾，本文設計節(jié)點硬件的時候把射頻部分和傳感器信號采集處理部分分為兩個模塊進行設計，然后通過排針排母把兩個模塊進行連接。

    3.1系統(tǒng)的硬件框圖設計

    圖為系統(tǒng)的整體硬件設計框圖，本系統(tǒng)是以CC2430節(jié)點為核心組建Zigbee

    網絡。不同節(jié)點上分布有各種傳感器，采集各種安防參數(shù)以進行聲光報警和執(zhí)行機構的控制。在執(zhí)行機構旁也分布有節(jié)點用于進行遠程的電器控制，特別是在數(shù)字門鎖旁安裝有節(jié)點用于智能門禁系統(tǒng)的組成。

    3.2CC2430射頻模塊的設計

    CC2430模塊的硬件設計方面選擇了TI公司的方案，主要是射頻部分的設計，包括電源濾波、匹配阻抗、非平衡變壓器的設計、PCB微波傳輸帶線，整個結構滿足RF輸入/輸出阻抗（50Ω）的要求，天線采用的是3dB的鞭狀SMA天線。

    3.3節(jié)點傳感器板和通用底板的設計

    節(jié)點底板用于引出模塊I/O引腳，作為傳感器電路板和電源供應模塊以及RS232通訊電路，在該板上可以引出I/O

    線控制外部執(zhí)行機構和采集傳感器數(shù)據(jù)，并且還可擴展LCD液晶模塊，方便觀察和調試。

    4軟件設計

    軟件設計分為Zigbee節(jié)點的軟件設計和PC上位機的軟件設計。節(jié)點的軟件設計是為了組建Zigbee樹形網絡、采集傳感器數(shù)據(jù)并轉發(fā)到協(xié)調器、實現(xiàn)聲光報警和對部分電器的控制以及與PC上位機之間的通信。PC上位機軟件設計主要是實現(xiàn)與Zigbee傳感器網絡的交互和設計全圖形化的監(jiān)視和操作界面以及服務器和客戶端的交互程序（本系統(tǒng)選擇的遠程控制模式采用的是C/S模式）。

    4.1Zigbee節(jié)點的軟件設計

    本系統(tǒng)采用的Zigbee協(xié)議棧是TI公司的2006版Zigbee協(xié)議棧，版本是Z-Stack-1.4.3-1.2.1。

    TI完成了對Z-Stack的兼容，該款市場領先的ZigBee解決方案針對CC2430片上系統(tǒng)(SoC)進行了相關兼容性認證。

Z-Stack達到了參考平臺(GoldenUnit)水平，作為率先實施最新版ZigBee標準并通過兩家ZigBee認證檢試實驗室之一獨立測試的平臺，該產品獲得這一殊榮當之無愧[7]。參考平臺的建立為未來ZigBeeCompliantPlatform(ZCP)的認證提供了參考點，并且最重要的就是該款協(xié)議�，F(xiàn)今對于研究和實驗室免費的，這使得該協(xié)議棧的受歡迎度大大提高。Zigbee節(jié)點的軟件開發(fā)環(huán)境采用的是IAREmbeddedWorkbench7.30B，這也是Z-Stack協(xié)議棧推薦使用的軟件開發(fā)環(huán)境。
    Z-Stack已經為用戶完成了對Zigbee各層的開發(fā)包括物理層、MAC層、網絡層、應用層框架，用戶需要調用Z-Stack提供的豐富接口即可完成對工程的應用開發(fā)，大大降低了開發(fā)的周期。因為對Z-Stack應用開發(fā)的大體思路都是相似的，所以本文著重以開發(fā)智能門禁系統(tǒng)為例來談談Z-Stack的應用程序的設計。

    前文已經提到智能門禁系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，要在Z-stack程序中實現(xiàn)這些功能，必然要遵循Zigbee協(xié)議棧的規(guī)則。由此可見，在Z-Stack開發(fā)一個系統(tǒng)主要是在應用層上面編寫事件處理函數(shù)和按鍵處理函數(shù)。但必要的硬件相關程序是編寫在HAL硬件層的，比如說人體熱釋電傳感器和音樂報警器的初始化和中斷觸發(fā)、報警驅動程序等，由硬件觸發(fā)中斷后發(fā)送事件消息到應用層，操作系統(tǒng)循環(huán)檢測到應用層有事件需要處理則執(zhí)行應用層事件處理函數(shù)App_ProcessEvent（），相當于事件驅動機制。下位機與上位機通信的接口是RS232串口，注意串口程序開發(fā)的時候，Z-Stack是默認允許了硬件流控制的，必須把2430的CTS和RTS端拉為高電平才能互相通信，否則無數(shù)據(jù)收發(fā)，曾經浪費了很多時間在這上面研究。如果協(xié)調器無法建立網絡或者路由器和終端設備無法加入網絡，并且LED燈一直閃爍，或者加入了網絡無法實現(xiàn)設備綁定，究其原因是地址的關系，在Z-Stack操作系統(tǒng)程序zmain_ext_addr()里面，如果節(jié)點的IEEE地址全為0xFF（因為寫程序的時候有可能把存IEEE地址的內存給清除了），則需要按鍵來初始化節(jié)點的IEEE地址，但是路由器和終端設備的初始化地址都一樣為0x20,所以地址重復，無法加入網絡或者實現(xiàn)綁定�？梢允褂肧martRF04FlashProgrammer燒寫不同的IEEE地址到節(jié)點上。最后，很重要的一點就是應用層初始化程序中一定要在AF層登記你的端點—afRegister(端點描述符)，否則無法通過你自定義的端點實現(xiàn)設備之間的通信。因為節(jié)點上的異構性，即不同的節(jié)點擔任著不同的任務和節(jié)點上的傳感器也不盡相同，所以編寫程序的時候盡量采用條件編譯#ifdef的方式。節(jié)點上擁有什么樣的功能就編譯什么樣的程序，到時只需要在C/C++compiler欄的Preprocesser項下的definedsymbols先定義你節(jié)點的功能再編譯就行了。

    4.2上位機軟件設計

    本系統(tǒng)的上位機程序采用全圖形化的操作界面，大部分的顯示和控制都是在圖像上面進行的，程序設計語言采用的是VB6.0。上位機程序分為服務端和客戶端，服務端用于與協(xié)調器進行通信和為遠程客戶端提供查詢和控制服務，客戶端用于遠程家居監(jiān)視和控制。上位機程序實現(xiàn)的功能主要是圖像顯示報警信息并通知用戶、電器和門禁遠程控制、攝像頭視頻采集和遠程圖像傳輸、家居內人員定位圖形顯示以及所有的監(jiān)控數(shù)據(jù)存入SQLServer2000數(shù)據(jù)庫中。

圖6是服務器的主監(jiān)控界面,客戶端的監(jiān)控界面與服務端的監(jiān)控界面基本上一致，服務器界面的變化必然也會導致客戶端的變化。
    上位機與下位機的交互程序使用了微軟的Mscomm控件，服務器與客戶端的Internet通信使用的是Winsock套接字TCP連接，攝像頭視頻采集使用的是VFW

    視頻窗口建立和圖像采集函數(shù)。在設計上位機和下位機通信程序的過程中，很重要的一點就是通信的可靠性，特別是報警信息的收發(fā)，為了保證可靠性，本系統(tǒng)建立了一系列的應答通信機制，包括消息應答、等待超時重發(fā)、包丟失重發(fā)等。本系統(tǒng)的本地控制和遠程控制基本都是在圖像上面進行的操作，比如說要控制客廳的燈光，點擊圖像上面的某一個燈，圖像上的燈就會熄滅，同時通過無線傳感器網絡也相應地關閉實際的燈。

    5結論

    本文介紹了以Zigbee作為無線傳感器網絡組網技術而建立的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)，采用CC2430

    片上系統(tǒng)實現(xiàn)了自組織的串狀網絡，具有低成本、低功耗、低復雜度的特點。本文對下位機和上位機均做了設計介紹，特別是提出了全圖形化的顯示和操作界面，客戶無須記住繁雜的控制指令。本智能家居安防系統(tǒng)基本實現(xiàn)了現(xiàn)代家居安防所必需的功能，集家庭安防報警、家居人員定位、智能門禁、電器遠程控制、遠程視頻圖像監(jiān)控于一體，為下一步的深入研究奠定了基礎。本文雖實現(xiàn)了智能家居安防的基本功能，但是還需進一步加深理論算法的研究，比如節(jié)點任務調度和節(jié)點部署以節(jié)省傳感器網絡的能耗問題，還有節(jié)點的休眠和喚醒的時間問題等。

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