引言
集成了傳感器技術(shù)、微機(jī)電制造系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)、無線通信技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是因特網(wǎng)從虛擬世界到物理世界的延伸。本文之所以把無線傳感網(wǎng)絡(luò)這種先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用于智能家居安防領(lǐng)域，其一是伴隨著高科技產(chǎn)品在現(xiàn)代家庭中的應(yīng)用，相應(yīng)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(zāi)的可能性以及煤氣中毒、爆炸的危險(xiǎn)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(shí)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?yàn)榘踩敲恳粋€(gè)家庭和工業(yè)領(lǐng)域必需的保障，所以該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍是相當(dāng)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(shí)現(xiàn)了，那么該技術(shù)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(yīng)用方面的修改。
1基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
Zigbee
網(wǎng)絡(luò)首先由連接無線網(wǎng)關(guān)的協(xié)調(diào)器(Coordinator)發(fā)動并建立，其他節(jié)點(diǎn)加入已經(jīng)建立的網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其父節(jié)點(diǎn)都會按約定規(guī)則給它分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層地址供通信使用。功能比較強(qiáng)且供電充足的節(jié)點(diǎn)充當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)(RouteNode，RN)為全功能設(shè)備（Full Function Device，F(xiàn)FD），它能接收其他節(jié)點(diǎn)作為其子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)自身狀況決定是否給其他節(jié)點(diǎn)查找路由和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；功能比較弱的節(jié)點(diǎn)為簡化功能節(jié)點(diǎn)(RFD)，不能成為其他節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，通信時(shí)只能請父節(jié)點(diǎn)幫忙轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)[2]。有路由能力的路由節(jié)點(diǎn)(RN+)采用AODVjr路由算法，而沒有路由能力的路由節(jié)點(diǎn)(RN-)和RFD遵循Cluster-Tree路由算法[3]。Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧如所示。
2智能家居安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
2.1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案
基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居網(wǎng)絡(luò)主要是由若干無線傳感器節(jié)點(diǎn)、無線執(zhí)行機(jī)構(gòu)、家居無線控制中心組成[4]。其中,
節(jié)點(diǎn)分布于客廳、臥室、洗手間、廚房等需要監(jiān)測的區(qū)域內(nèi),執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理和通信工作。無線執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)啟動聲光報(bào)警、自動繼電器開關(guān)等控制功能。家居無線控制中心處理、轉(zhuǎn)發(fā)來自無線傳感器節(jié)點(diǎn)中的信息,
并且為互聯(lián)網(wǎng)的連接提供接口進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。由于不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會對網(wǎng)絡(luò)的速度、特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)有較大影響，因此結(jié)合智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點(diǎn)，如家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)并不是太多，并且數(shù)據(jù)的傳輸量也不是太大,
網(wǎng)絡(luò)中的信息傳送主要發(fā)生在WSN的基站和其他室內(nèi)終端上的傳感器節(jié)點(diǎn)之間。基于家庭網(wǎng)絡(luò)的這些特點(diǎn)以及樹的特征和優(yōu)勢,本文以WSN的基站節(jié)點(diǎn)（也稱為協(xié)調(diào)器Coordinator）為中心節(jié)點(diǎn)組建一個(gè)串狀樹形家庭網(wǎng)絡(luò)。
本文主要實(shí)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(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)、居室內(nèi)的人體紅外檢測、遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。節(jié)點(diǎn)布置和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示，圖中的ZD代表的是Zigbee終端設(shè)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(diào)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(dāng)人走到家居門口時(shí)，紅外熱釋電傳感器感應(yīng)到人體接近，促使門禁Zigbee設(shè)備主動發(fā)射獲取人體身份命令信號。當(dāng)人體攜帶著身份識別標(biāo)簽（也是一種Zigbee
設(shè)備）時(shí)，標(biāo)簽會發(fā)送加密身份信號給門禁Zigbee
設(shè)備，門禁系統(tǒng)經(jīng)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(gè)未知身份的人體，則門禁系統(tǒng)會搜索家居內(nèi)是否有人，如果有人則通知家居內(nèi)的用戶有客人到來，如果家居內(nèi)沒人則會遠(yuǎn)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(dāng)然遠(yuǎn)程用戶也可以隨時(shí)給家庭網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器發(fā)送命令來采集家居門口人臉的圖像。當(dāng)用戶確認(rèn)了來人的身份以后可以遠(yuǎn)程控制門禁系統(tǒng)開啟數(shù)字門鎖，讓客人進(jìn)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(yùn)行方式，分為白天和黑夜兩種運(yùn)行方式，這由協(xié)調(diào)器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘來進(jìn)行控制。白天時(shí)，當(dāng)家居內(nèi)有人體走進(jìn)一個(gè)房間時(shí)，該房間的紅外幕簾即告失效，防止不必要的誤報(bào)警，而當(dāng)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(shí)候，用戶需要設(shè)定一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)的時(shí)候，紅外幕簾會強(qiáng)制開啟，并保持到天亮。
（3）煤氣泄漏監(jiān)測
在廚房安裝多個(gè)煤氣檢測傳感器節(jié)點(diǎn)，可靠地報(bào)告廚房煤氣的含量是否超標(biāo)，如果超標(biāo)則立即報(bào)警和遠(yuǎn)程報(bào)警通知，同時(shí)開啟所有的排氣扇，保證家居內(nèi)人員的人身安全。
（4）火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)
在所有的房間都安裝上了火災(zāi)光電煙霧探測器，對即將發(fā)生的火災(zāi)事件預(yù)警通知，合理布置火災(zāi)探測器節(jié)點(diǎn)，防止盲點(diǎn)的出現(xiàn)，遏制火災(zāi)事件的發(fā)生。
（5）居室內(nèi)的人員定位
在居室內(nèi)布置有紅外熱釋電傳感器節(jié)點(diǎn)，用以監(jiān)測家居內(nèi)是否有人、位于哪一個(gè)屋，如果是佩戴有身份標(biāo)簽的人員則還可知其身份。這些都可以在遠(yuǎn)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(xué)習(xí)，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(yuǎn)程監(jiān)控
以上所有的安全參數(shù)都可以在遠(yuǎn)程客戶端軟件中觀察到，并可以實(shí)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(bào)警參數(shù)時(shí)間等數(shù)據(jù)都通過上位機(jī)軟件存儲于SQL Server2000數(shù)據(jù)庫中。
3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
在剛做本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候是在CROSSBOW公司的MICAZ節(jié)點(diǎn)平臺上做了相關(guān)的基礎(chǔ)框架實(shí)驗(yàn)。順利地通過TinyOS操作系統(tǒng)和自組織方式組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，并且采集數(shù)據(jù)，通過多跳路由方式把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)回基站。雖然CROSSBOW的產(chǎn)品擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)樵摦a(chǎn)品硬件電路復(fù)雜，并且組網(wǎng)方面也存在一些問題，且價(jià)格昂貴，不適合于大范圍地布置節(jié)點(diǎn)。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(shè)計(jì)。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(chǔ)的2.4GHz
ISM波段應(yīng)用以及對低成本、低功耗的要求[5,6]。它結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHz
DSSS(直接序列擴(kuò)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(diǎn)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(diǎn)電路本身對射頻RF的干擾，本文設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)硬件的時(shí)候把射頻部分和傳感器信號采集處理部分分為兩個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后通過排針排母把兩個(gè)模塊進(jìn)行連接。
3.1系統(tǒng)的硬件框圖設(shè)計(jì)
圖為系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)框圖，本系統(tǒng)是以CC2430節(jié)點(diǎn)為核心組建Zigbee
網(wǎng)絡(luò)。不同節(jié)點(diǎn)上分布有各種傳感器，采集各種安防參數(shù)以進(jìn)行聲光報(bào)警和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)旁也分布有節(jié)點(diǎn)用于進(jìn)行遠(yuǎn)程的電器控制，特別是在數(shù)字門鎖旁安裝有節(jié)點(diǎn)用于智能門禁系統(tǒng)的組成。
3.2CC2430射頻模塊的設(shè)計(jì)
CC2430模塊的硬件設(shè)計(jì)方面選擇了TI公司的方案，主要是射頻部分的設(shè)計(jì)，包括電源濾波、匹配阻抗、非平衡變壓器的設(shè)計(jì)、PCB微波傳輸帶線，整個(gè)結(jié)構(gòu)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(diǎn)傳感器板和通用底板的設(shè)計(jì)
節(jié)點(diǎn)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(yīng)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(jī)構(gòu)和采集傳感器數(shù)據(jù)，并且還可擴(kuò)展LCD液晶模塊，方便觀察和調(diào)試。
4軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)分為Zigbee節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)和PC上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)是為了組建Zigbee樹形網(wǎng)絡(luò)、采集傳感器數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器、實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警和對部分電器的控制以及與PC上位機(jī)之間的通信。PC上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)與Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)的交互和設(shè)計(jì)全圖形化的監(jiān)視和操作界面以及服務(wù)器和客戶端的交互程序（本系統(tǒng)選擇的遠(yuǎn)程控制模式采用的是C/S模式）。
4.1Zigbee節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)
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(lǐng)先的ZigBee解決方案針對CC2430片上系統(tǒng)(SoC)進(jìn)行了相關(guān)兼容性認(rèn)證。
Z-Stack達(dá)到了參考平臺(GoldenUnit)水平，作為率先實(shí)施最新版ZigBee標(biāo)準(zhǔn)并通過兩家ZigBee認(rèn)證檢試實(shí)驗(yàn)室之一獨(dú)立測試的平臺，該產(chǎn)品獲得這一殊榮當(dāng)之無愧[7]。參考平臺的建立為未來ZigBeeCompliantPlatform(ZCP)的認(rèn)證提供了參考點(diǎn)，并且最重要的就是該款協(xié)議棧現(xiàn)今對于研究和實(shí)驗(yàn)室免費(fèi)的，這使得該協(xié)議棧的受歡迎度大大提高。Zigbee節(jié)點(diǎn)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(jīng)為用戶完成了對Zigbee各層的開發(fā)包括物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層框架，用戶需要調(diào)用Z-Stack提供的豐富接口即可完成對工程的應(yīng)用開發(fā)，大大降低了開發(fā)的周期。因?yàn)閷-Stack應(yīng)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?wù)刏-Stack的應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。
前文已經(jīng)提到智能門禁系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，要在Z-stack程序中實(shí)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(gè)系統(tǒng)主要是在應(yīng)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(guān)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(bào)警器的初始化和中斷觸發(fā)、報(bào)警驅(qū)動程序等，由硬件觸發(fā)中斷后發(fā)送事件消息到應(yīng)用層，操作系統(tǒng)循環(huán)檢測到應(yīng)用層有事件需要處理則執(zhí)行應(yīng)用層事件處理函數(shù)App_ProcessEvent（），相當(dāng)于事件驅(qū)動機(jī)制。下位機(jī)與上位機(jī)通信的接口是RS232串口，注意串口程序開發(fā)的時(shí)候，Z-Stack是默認(rèn)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(jīng)浪費(fèi)了很多時(shí)間在這上面研究。如果協(xié)調(diào)器無法建立網(wǎng)絡(luò)或者路由器和終端設(shè)備無法加入網(wǎng)絡(luò)，并且LED燈一直閃爍，或者加入了網(wǎng)絡(luò)無法實(shí)現(xiàn)設(shè)備綁定，究其原因是地址的關(guān)系，在Z-Stack操作系統(tǒng)程序zmain_ext_addr()里面，如果節(jié)點(diǎn)的IEEE地址全為0xFF（因?yàn)閷懗绦虻臅r(shí)候有可能把存IEEE地址的內(nèi)存給清除了），則需要按鍵來初始化節(jié)點(diǎn)的IEEE地址，但是路由器和終端設(shè)備的初始化地址都一樣為0x20,所以地址重復(fù)，無法加入網(wǎng)絡(luò)或者實(shí)現(xiàn)綁定。可以使用SmartRF04FlashProgrammer燒寫不同的IEEE地址到節(jié)點(diǎn)上。最后，很重要的一點(diǎn)就是應(yīng)用層初始化程序中一定要在AF層登記你的端點(diǎn)—afRegister(端點(diǎn)描述符)，否則無法通過你自定義的端點(diǎn)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)上的異構(gòu)性，即不同的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任著不同的任務(wù)和節(jié)點(diǎn)上的傳感器也不盡相同，所以編寫程序的時(shí)候盡量采用條件編譯#ifdef的方式。節(jié)點(diǎn)上擁有什么樣的功能就編譯什么樣的程序，到時(shí)只需要在C/C++compiler欄的Preprocesser項(xiàng)下的definedsymbols先定義你節(jié)點(diǎn)的功能再編譯就行了。
4.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的上位機(jī)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(jìn)行的，程序設(shè)計(jì)語言采用的是VB6.0。上位機(jī)程序分為服務(wù)端和客戶端，服務(wù)端用于與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信和為遠(yuǎn)程客戶端提供查詢和控制服務(wù)，客戶端用于遠(yuǎn)程家居監(jiān)視和控制。上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的功能主要是圖像顯示報(bào)警信息并通知用戶、電器和門禁遠(yuǎn)程控制、攝像頭視頻采集和遠(yuǎn)程圖像傳輸、家居內(nèi)人員定位圖形顯示以及所有的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存入SQLServer2000數(shù)據(jù)庫中。
圖6是服務(wù)器的主監(jiān)控界面,客戶端的監(jiān)控界面與服務(wù)端的監(jiān)控界面基本上一致，服務(wù)器界面的變化必然也會導(dǎo)致客戶端的變化。
上位機(jī)與下位機(jī)的交互程序使用了微軟的Mscomm控件，服務(wù)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(shè)計(jì)上位機(jī)和下位機(jī)通信程序的過程中，很重要的一點(diǎn)就是通信的可靠性，特別是報(bào)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(yīng)答通信機(jī)制，包括消息應(yīng)答、等待超時(shí)重發(fā)、包丟失重發(fā)等。本系統(tǒng)的本地控制和遠(yuǎn)程控制基本都是在圖像上面進(jìn)行的操作，比如說要控制客廳的燈光，點(diǎn)擊圖像上面的某一個(gè)燈，圖像上的燈就會熄滅，同時(shí)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也相應(yīng)地關(guān)閉實(shí)際的燈。
5結(jié)論
本文介紹了以Zigbee作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)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(shí)現(xiàn)了自組織的串狀網(wǎng)絡(luò)，具有低成本、低功耗、低復(fù)雜度的特點(diǎn)。本文對下位機(jī)和上位機(jī)均做了設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代家居安防所必需的功能，集家庭安防報(bào)警、家居人員定位、智能門禁、電器遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)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(chǔ)。本文雖實(shí)現(xiàn)了智能家居安防的基本功能，但是還需進(jìn)一步加深理論算法的研究，比如節(jié)點(diǎn)任務(wù)調(diào)度和節(jié)點(diǎn)部署以節(jié)省傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗問題，還有節(jié)點(diǎn)的休眠和喚醒的時(shí)間問題等。
