论文研究-基于无线传感器网络的智能家居安防系统 .pdf

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基于无线传感器网络的智能家居安防系统,周涛,胡彧,本文在家居设备发展的信息化和网络化的新趋势下,以Zigbee无线传感器网络技术和Internet技术为基础,设计了智能家居安防系统。本文设�
山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 22智能家居安防系统的各功能块的描述 (1)智能门禁系统: 当人走到家居门口时,红外热释电传感器感应到人体接近,促使门禁 Zigbee设备主动 外溶帘 !外帘 沆手向 火灾监测体红夕监测 火灾在测人体纠外监测 作能 火火监测人体约外监测 煤气泄滷监测火灾监测 C )人体红外监测② 务 ⑦z)¥红外餐 标慾 匚办公 图2智能安防系统的总体方案设计图 Fig. 2 The Overall Design of Smart I lome Security System 发射获取人体身份命令信号。当人体携带着身份识别标签(也是一和 Zigbee设备)时,标 签会发送加密身份信号给门禁 Zigbee设备,门禁系统经过分析判断后决定是否开启数字门 锁,用户冉也不用自己掏钥匙开门∫。如果是一个未知身份的人体,则门禁系统会搜索家居 内是否有人,如果有人则通知家居内的用户有客人到来,如果家居内没人则会远程通知智能 家居安防用户有客人在家门∏,通过门禁系统的摄像头采集客人的人脸图像并通过 Internet 发送到用户PC上。当然远程用户也可以随时给家庭网关协调器发送命令米采集家居门口人 脸的图像。当用户确认了米人的身价以后可以远程控制门禁系统开启数字门锁,让客人进屋, 以免让客人在屋外等待。 (2)智能门窗防盗 所有的家居窗户上都安装有红外幕帘传感器,用来防止未知人员从窗户侵入家居。该 系统是人性化的运行方式,分为白天和黑夜两种运行方式,这由协调器的实时时钟来进行控 制。白天时,当家居内有人体走进一个房间时,该房间的红外幕帘即告失效,防止不必要的 误报警,而当人体一旦离开房间则该房间的红外幕帘马上开启。而在夜晚的时侯,用户需要 设定一个时间点,当到达设定的时间点的时候,红外幕帘会强制廾启,并保持到天亮。 (3)煤气沚漏监测 在厨房安装多个煤气检测传感器节点,可靠地报告厨房煤气的含量是否超标,如果超标 则立即报警和远程报警通知,同时开启所有的排气扇,保证家居内人员的人身安全 3 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn (4)火灾预警系统 在所有的房间都安装上了火灾光电烟雾探测器,对即将发生的火灾事件预警通知,合 理布置火灾探测器节点,防止盲点的出现,遏制火灾事件的发生。 (5)居室内的人员定位 在居室内布置有红外热释电传感器节点,用以监测家居内是否有人、位于哪一个屋, 如果是佩戴有身份标签的人员则还可知其身份。这些都可以在远稈监控界面中观察到。这还 可以用来监督小孩子有没有在学习,是不是在客厅看电视等等,也可以监测老人们是不是在 家里面等等 (6)远程监控 以上所有的安全参数都可以在远程客户端软件中观察到,并可以实现部分电器和数字 门锁控制,全图形化监视和控制界面,方便婗察和控制。 (7)数据库系统 所有的控制命令、图像采集数据、报警参数时间等数据都通过上位机软件存储于 SQLServer2000数据厍屮。 3系统的硬件设计 在刚做本系统设计的时候是在 CROSSBOW公司的MCAZ节点平台上做了相关的基础 框架实验。顺利地通过 TinyOS操作系统和自组织方式组成网状网络,并且采集数据,通过 多跳路由方式把数据转发回基站。虽然 CROSSBOW的产品拥有诸多优点,但是因为该产品 硬件电路复杂,并且组网方面也存在一些问题,且价格昂贵,不适合于大范围地布置节点 所以本文最后选择在T公司的CC2430片上系统上做系统设计。CC2430是一颗真正的片上 系统( SOC) CMOs解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以 Zig bee为基础的 24 GHZ ISM波段应用以及对低成本、低功耗的要求。它结合一个高性能24 GHZ DSSSO(直 接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器,资源非常卡富 对于尢线传感尜节点来说最敏感的就是射频电路,很容易受其它信号的千扰,所以为∫ 降低节点电路木身对射频RF的十扰,木文设计节点硬件的时候把射频部分和传感器信号采 集处理部分分为两个模块进行设计,然后通过排针排母把两个模块进行连接。 3.1系统的硬件框图设计 C服务器 摄像以模块 和数门 搾制模块 光感火 灾传感 cc243c模 红外们 块和传 C R兴4触摸 煤气检测位 拉键(12C 感器W- 通川Il 已片+ 人体热释电撼器 液拼 报道知模块 REZOE-1S0C0I 12854 图3系统的硬件框图设计 Fig 3 Hardware Diagram of the system 图3为系统的整体硬件设计框图,本系统是以CC2430节点为核心组建 Zigbee网终。不 4 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 同节点上分布有各种传感器,采集各种安防参薮以进行声光报警和执行札构的控制。在执行 机构旁也分布有节点用于进行远程的电器控制,特别是在数字门锁旁安装有节点用于智能门 禁系统的组成。 32CC2430射频模块的设计 CC2430模块的硬件设计方面选择」TI公司的方案,主要是射频部分的设计,包括电源 滤波、匹配阻抗、非平衡变压器的设计、PCB微波传输带线,整个结构满足RF输入/输出阻 抗(50)的要求,天线采用的是3dB的鞭状SMA天线。 33节点传感器板和通用底板的设计 芍点底板用于引出模块IO引脚,作为传感器电路板和电源供应模块以及RS232通讯电 路,在该板上可以引岀I○线控制外部执行机构和采集传感器数据,并且还可扩展LCD液 晶模块,方便观察和调试。 图4传感器板和通用底板原理图 Fig 4 The Schematic of Sensor Board and gcncral Board 4软件设计 软件设计分为 Zigbe点的软件设计和PC上位机的软件设计。节点的软件设计是为了组 建κigbe树形內络、采集传感器数据并转发到协调器、实现声光报警和对部分电器的控制以 及与PC上位机之问的通信。PC上位机软件设计主要是实现与 Zigbee传感器网络的交互和设 计全图形化的监视和操作界面以及服务器和客户端的交互程序(本系统选择的远程控制模式 采用的是CS模式) 41 Zigbee节点的软件设计 本系统采用的 Zigbee协议栈是T公司的2006版 Zigbee协议栈,版本是 z- Stack-143-1.2.1。TI完成∫对 Z-Stack的兼容,该款市场领先的 Zig Bee解决方案针对 CC2430片上系统(So进行了相关兼容性认证。Z-Sack达到了参考平台( Golden unit)水平, 作为率先实施最新版 ZigBee标准并通过两家 ZigBee认证检试实验室之独立测试的平台, 该产品获得这一殊柴当之无愧。参考平台的建立为未米 ZigBee Compliant Platform(ZCP) 的认证提供了参考点,并且最重要的就是该款协议栈现今对于研究和实验室免费的,这使得 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 该协议栈的受欢迎度大大提高。 Zigbee节点的软件川发环境采用的是 IAR Embedded Workbench7.30B,这也是Z- Stack协议栈推荐使用的软件开发环境。 Z-Stack已经为用户完成了对 Zigbee各层的开发包括物理层、MAC层、网络层、应用 层框架,用户需要调用 Z-Stack提供的丰富接口即可亢成对工程的应用开发,大大降低了开 发的周期。因为对Z- Stack应用开发的大体思路都是相似的,所以本文着重以开发智能门禁 系统为例来谈谈 Z-Stack的应用稈序的设计。 前文已经提到智能门禁系统所要实现的功能,要在 Z-stack程序中实现这些功能,必然 要遵循zigbεe协议栈的规则。下面图5以智能门禁协调器程序的流程来体现 Z-Stack的应用 开发。 操作系统相孓 衬化程(以 和什中 Fi作 E xt<ucicklt'csE . CI- (各层化 等的按动是内下 含铊训按.按键中 利同序致座 作 川 到未 法程小N 尔!跃 发:配述符记 等特各标发送h省 执行于鼠州应的 知:位租数 J怍处理函数 zsac:主程流科 谑」B调器鞋序流程终 图5智能门禁系统协调器的程序设计流程图 Fig 5 Program Flow Diagram of Smart Acccss Control for Coordinator 由此可见,在Z- Stack开发一个系统主要是在应用层上面编写事件处理函数和按键处理 凶数。但必要的硬件相关程序是编写在HAL硬件层的,比如说人体热释电传感器和音乐报 警器的初始化和中断触发、报警驱动程序等,由硬件触发中断后发送事件消息到应用层,操 作系统循环检测到应用层有事件需要处理则执行应用层事件处理函数 App Process event(), 相当于事件驱动机制。下位机与上位机通信的接口是RS232串口,注意串口程序开发的时 候,Z- Stack是默认允诈了硬件流控制的,必须把2430的CTS和RTS端拉为高电平才能互 相通信,否则无数据收发,曾经浪费了很多时间在这上面研究。如果协调器无法建立网终或 者路由器和终端设备无法加入网络,并且LED灯一直闪烁,或者加入了网络无法实现设备 绑定,究其原因是地址的关系,在 Z-Stack操作系统稈序 zain ext addrE里面,如果节点的 IEEE地止全为0xFF(囚为写程序的时候有可能把存IEEE地址的内存给清除了),则需要 按键来初始化节点的IEEE地址,但是路由器和终端设备的初始化地址都一样为0x20,所以 地址重复,无法加入网终或者实现绑定。可以使用 SImartrfo4 Flash programmer烧写不同的 IEEE地址到节点上。最后,很重要的·点就是应用层初始化程序中·定要在AF层登记你 的端点- - afRegister(端点描述符),否则无法運过你自定义的端点实现设备之间的通信。因为 节点上的异构性,即不同的节点担任着不同的任务和节点上的传感器也不尽相同,所以编写 程序的时候尽量采用条件编译弁 #ifdef的方式。节点上拥冇什么样的功能就编译什么样的程序, 到时只需要在CC++ compiler栏的 Prcproccsscr项下的 dcfincd symbols先定义你节点的功能 再编译就行了。 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 4.2上位机软件设计 本系统的上位机程序采用全图形化的操作界面,人部分的显示和掉制都是在图像上面进 行的,程序设计语言采用的是ⅴB6.0。上位机程序分为服务端和客户端,服务端用于与协调 器进行通信和为远程客户端提供査询和控制服务,客户端用于远程家居监视和控制。上位机 程序实现的功能主要是图像显小报警信息并通知用户、电器和门禁远程控制、摄像头视频采 集和远程图像传输、家居内人员定位图形显示以及所有的监控数据存λ SQLServer200数据 库中。图6是服务器的主监控界面,图7是人员定位图和摄像头图像采集界面。客户端的监 控界面与服务端的监控界面基本上一致,服务器界面的变化必然也会导致客户端的变化。 原智能家居安防控制服务端 在大人发五命 2 厂十六进割星 手动是 自发刀 三语量一 打环 国圆 科审 要 山位 都口传法们望显示一 临式 茶器本结绳送的指和纯盟 从远程客户端还的指令和的对甲空平 图6服务器的主监控界面 Fig 6 Thc Main Monitoring Intcrfacc of Scrvcl 智能家居人员定位图 像便回口五制 图像采集服务器 ing Roxu 用图 当集的文件名客径 囹 文发还的型度来 的像宋 图7服务器的人员定位界面和摄像头监控界面 Fig 7 Thc Pcoplc Positioning Intcrfacc and Vidco monitoring Intcrfacc of Scrvcr 上位机与下位机的交互程序使用了微软的 Mscomm控件,服务器与客户端的 Internet通 信使用的是 Winsock套接宇TCP连接,摄像头视频禾集使用的是ⅤFW视频窗口建立和图 像采集凼数。在设计上位机和下位机通信程序的过程中,很重要的一点就是通信的叮靠性, 特别是报警信息的收发,为了保证可靠性,木系统建立了一系列的应答通信机制,包括消息 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 应答、等待超吋重发、包丢失重发等。本系统的本地控制和远程控制基本都是在图像上面进 行的操作,比如说要控制客厅的灯光,点击图像上面的某一个灯,图像上的灯就会熄灭,同 时通过无线传感器网络也相应地关闭实际的灯。 5结论 木文介绍了以 Zigbee作为无线传感器网络组网技术而建立的智能家居安防监控系统,采 用CC2430片上系统实现了自组织的串状网络,具有低成本、低功耗、低复杂度的特点。本 文对下位机和上位机均做了设计介绍,特别是提出了全图形化的显示和操作界面,客广无须 记住繁杂的控制指令。本智能家居安防系统基本实现了现代家居安防所必需的功能,集家庭 安防报警、家居人员定位、智能门禁、电器远程控制、远程视频图像监控于一体,为下一步 的深入研究奠定了基础。本文虽实现了智能家居安防的基本功能,但是还需进一步加深理论 算法的研究,比如节点仟务调度和节点部署以节省传感器网络的能耗问题,还有节点的休眠 和唤醒的时间问题等。 参考文献l( References) [1]杨灿,彭立民,赵旭伟.基于 Zigbee技术的传感器网终的应用研究[J.机电技术,2010,33(1):36~38 Yang Can, Pcng ligcn, Zhao Xuwci Applications rcscarch of wireless sensor nctwork bascd Zigbcc tcchnology[J] MECHANICAL electrical technology. 2010, 33(1): 36-38 [2]曾洁谅,孔庆彦.基于 Zigbee技术的无线智能家居系统研究与设计[.计算机光盘软件与应 用,2010,03:8-10 Zeng Jicqiong, Kong Qingyan. 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