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一＇直？二二—．、譽：Ａ，ｉＴｗ…：二、－二：：ｉＴ、…呼女：忠ｒ、１、——＊？、，／；＇’？－ｒ＇２０巧届硕女专业学迄研究生学位若文、；起；片，ｆ巧竭；々哦＿巧．：＇、分楽号：ＴＰ３９３．，；学校代码：１０４４６在ｆ＾＇吗批产如梦、讓、：，３３００３４７密安響：公巧皆．学是三＾＾：告＿為‘卢每巧呼，磅、’—）－—’一－、每，二如苗魚聲＇、■Ｖ＾Ｖ，子与探Ｖ辜＾於游＼、马－少若过賣．；，。马、；ｒ＇／＇？。’’丈－‘…女亏、京、’Ａ＾、＂？、、＇ｊ＇、，攻、‘苗？皆、兮二以令入、、奇Ｖｆ心、／繁＊＾＞含Ｌ￣－－－－＊＊一＊＇．，—＊＿兵、：．心、一—＾：＾／。，＇？ｄ，、巧ｙ方？心吟中记／於’＾心！’：－‘＞公，摩Ｋ＇苗Ａ、；化ｒ，：挣今今兴ｊ或＇？送心心二一＾－‘Ｖ：—－；／／；１＇為Ｃ减冷听４難鮮、’；＂辛．＾：；；鮮言ｒｆｌ－：，‘ｒ巧净这？作蘇柳矯＇￣：．乂、；、、、；，－？－：受；…；、／今热泉？ｆ：二：：？苗：二冷—￣－ｔ心―￣叫、．。ｙ、？气者（起ｃ／Ｃ群冰：－；气《、無；Ｖｒ兴矣＾、，；、、、哀‘？—、，、，－，、＇、公＞、：’ｔ＇心Ｖ：店二万ｒｉ人、＞娩避歲＿宗Ｖ？；知、、＇＂－＾一‘，＂－分皆’巧＾、：＞．＇中咬、’＼？；；１Ｖ＜、Ｖ４鸿癖Ｖ參、、、‘、‘、‘＇？、＇、、，今’－！矣、‘兮卢…占；喊…卢＾衣、、居安全统、ｉ：基于ＺｇＢｅｅ技术的智能家系做题目．Ｓ＼髮请＇契＾＂■记＂與心、＾．．．．玄歡？／．．的巧背与逆现完’一＾―产＇，、、：：Ａ？：—、＞气／若餐７參７■■－－＂＂－：厶ｔ．二：心六兴成、一二ｒ，Ｊ／－—＇＂唯‘、与：：／：：－二＾５：二—品二＾、；：＃＾／三＇—、竞；＇＇＇与、＇、？－－＇｜＂＇？、二＇—－，－－－哈＝＾，‘＇一、？．令－＇，－—－姨！、－―、知—心节Ａｒ挺，、、一ｃ＞令＾院，略…’｜，．．｜＂盧栽第結醒—一，￡：：明，３ｍ，Ｃｆ丫＇＾专业学位类别１：．工程橄女：矜讀捂？：ｙ＾’每、．ＡＡ衣：、ｙ＇吗：其专业学位领域成：计算机技术＼．＇？－‘‘．－，、－＇■幽——＾■■１画１＂川１ＩｉｉＩＩｉ？Ｍｉｒ＇？－ｒ＇—■＊？？？＊＂ｒＩ＾ａＨｉ，．＞－＜ｆｒ，气《ｒ；：ｒ，ｕｖ．＾乎．＊ｔ々＇＊？片殘心；‘：一、‘，．：、、Ｗ？、＜＾论文指＿导师：李光顺副教授ｓ教三ｉｈ、＇＂＊私—－？一一Ｖ、：，；；；＇心？－’论文电崭李晓．作ｘ，辕安苗势‘讀一？，Ａ＇？＇、＇－、貧？巧Ｖｘ，．、、＿ｖ．遵？．；？、一‘－、—、苗－＇—，，二‘－＾‘２０巧６‘冷；。一年山、ｙｉ月、一二－，％ｒ二乂－，：产六Ｊ！戸六；、—产—、心，知，心－、￣．磯‘中山：心Ａ，：；；过＾。＿产’、．、＇＊、公Ｖ＇之．ｃｒ每：．，遂心户視＾送冷＾章：—／／：兴兴＂？＇－－ｒ７游４＇、＊．—：—Ｖ：＊■Ｖ＊＾４雜；＊＂＇－＼＾？ｒ－ｒ：？ＩｔｔＴ—＾－Ｌ，、＊＾．＂一－－—ｉｊ．Ｌｕ，？Ｉ＊＇？？■？—、１？？？ｉ，＊Ｕ＾ｆ，？ｉｊＶＩｆ４＇：、’Ｉ．１■－ｆＬ，ｋｊ）梦Ｉ．＾—。若．ｕ＾，＿＊＿、，—＿．＂，．－－■．．Ｓ 2015届硕士专业学位研究生学位论文学号：2013300347基于ZigBee技术的智能家居安全系统的设计与实现论文作者：李晓指导教师：李光顺副教授培养单位：信息科学与工程学院专业学位类别：工程硕士专业学位领域：计算机技术 学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在曲阜师范大学攻读硕±专业学位期间，在导师指导下进行的研究王作和取得的研究成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人（或集体）己经发表或撰写过的研究成果。其他个人和集体对本研究所做的贡献均己在论文中作了声明并表示了谢意。作者签名；李媒曰期：学位论文使用授权声明研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属曲阜师范大学。学校有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可レッ采用影印、复印等手段保存、汇编本学位论文。学校可１，：＾向国家有关机关或机构送交论文的电子和纸质文档允许论文被查阅和借阅。（保密论文在解密后遵守此规定）保密论文注释：本学位论文属于保密论文，保密期限为年。导师签名作者签名＾曰期：日期：２口／Ｍ川ｔ＾，．４Ｊ 摘要摘要随着经济的不断发展，社会生活的不断提高，人们的生活方式也越来越多样化，并且开始追求智能化的生活环境，智能家居安全系统就随着人们的需要而产生。智能家居安全系统主要包含了计算机技术，无线传感器网络技术以及单片机自动控制技术等，能够为人们的生活提供更加方便的居住环境，让人们的生活更加放心，出门在外不必担心家中的情况，所以开发一款能符合大众需要的智能家居安全系统是很必要的。本文立足于研究设计一个嵌入式智能无线组网家居安全报警系统，该系统将综合运用测控技术、信息处理技术及无线网络通信技术，以现代家庭安全为研究对象，主要涉及防盗监测、天燃气泄漏监测、断电监测、漏水监测、电磁阀控制、通风及声光短信报警子系统七大子系统的设计，集成设计信息采集子系统、智能控制设备、数据信息传输设备，以此完成各类数据的采集、传输、管理、控制和报警等功能，在系统中运用ZigBee模块进行无线组网，实现子系统间无线连接，组成无线虚拟网络系统。各子系统能够独立运作，不受其他子系统的影响，信息可以通过无线传输共享，可裁剪性和抗干扰性能力较强，系统的稳定性相对较高，从而可以有效避免因中心系统故障导致全局瘫痪的局面，进而达到维护家庭环境安全的最终目的。课题的主要研究内容包括以下几个方面。首先根据智能家居的环境特征，对系统做了整体分析，再根据实际情况对网络拓扑结构进行了选型，然后对系统的总体架构进行了设计，构建出了系统的硬件模型。然后对系统的各个终端节点进行设计，硬件设计方面，完成了系统各模块的搭建与环境配置。软件设计方面，编程实现了各模块的功能。本文中的电路板都是设计好后焊接的，在各个模块设计中都给出了详细的电路图，大大的降低了成本，并且能很好的实现系统的功能。最后，对ZigBee节点及STC51单片机进行编程，编译成功后，烧写到对应芯片上进行测试。在对本系统进行测试时，遵循软件测试的基本流程，首先对系统进行单元测试，然后对系统进行集成测试。测试结果表明系统具有很好的稳定性与可靠性。关键词：智能家居,无线传感器网络,ZigBee，STC51 AbstractAbstractWiththedevelopmentofthesocietyandtheeconomic,thelifestyleofpeopleisbecomingmoreandmorediversified,andwestarttopursueintelligentlifeenvironment.Tosatisfytheneedofpeople,smarthomesecuritysystemisproduced,whichmainlyincludesthecomputertechnology,wirelesssensornetworktechnologyandsingle-chipmicrocomputerautomaticcontroltechnology,etc,providingmoreconvenientlivingenvironmentforpeople'slife.Therefore,peopledonotworryaboutthesituationinhomewhentheyarenotstayathomeandwhentheygobacktohome.Therefore,itisnecessarytodevelopasmarthomesecuritysystemwhichcansatisfytheneedsofthemasses.Inordertostudyanddesignanembeddedintelligentwirelesshomesecurityalarmsystemnetworking,weusethetechnologyofmeasurementandcontrolling,informationprocessingandwirelesscommunicationtechnologycomprehensivelyforthesysteminthethesis.Takingmodernfamilysecurityastheobjectofstudy,wedesignthesevensubsystems,includingsecuritymonitoring,gasleakagemonitoring,powermonitoring,leakagemonitoring,solenoidvalvecontrol,ventilationandsoundandlightSMSalarmsubsystem.IntegrateddesignInformationacquisitionsubsystem,intelligentcontrolequipment,anddatainformationtransmissionequipmentaredesignedandintegrated.Weimplementthefunctionofcollection,transmission,management,controllingandalarmingandsoon.Inthesystem,theZigBeemoduleisusedtocarryoutthewirelessnetworkandrealizethewirelessconnectionbetweenthesubsystems.Eachsubsystemcanbeoperatedindependentlyandisnotaffectedbyothersubsystems.Informationcanbesharedthroughwirelesstransmission.Cutting,anti-interferenceabilityandstabilityarerelativelyhigh,thuscaneffectivelyavoidthesituation,whichisresultedfromthefailureofthecentralsystemleadedtotheparalysisofthewholesituation.Therefore,theobjectofmaintainingsafehomeenvironmentisachieved.Themaincontentsofthethesisareasfollows.Firstly,accordingtothecharacteristicsofthesmarthomeenvironment,weanalyzethesystemthoroughly,andselectthenetworktopologyaccordingtotheactualsituation.Thentheoverallarchitectureofthesystemisdesignedandthehardwaremodelofthesystemisconstructed.Secondly,wedesigntheeachterminalnodesofthesystemandaccomplishtheconstructionandtheenvironmentconfigurationofthemodulesinthehardwaredesign.Inthedesignofsoftware,thefunctionofeachmoduleisrealized.Inthisthesis,thecircuitboardisweldedafterthedesigning,andadiagramofdetailedcircuitisgivenineachmoduledesign,whichcan Abstractgreatlyreducethecostandachieveverygoodfunctionofthesystem.Finally,theZigBeenodesandSTC51Single-ChipMicrocomputerhavebeenprogrammingthatithasbeenburnedtothecorrespondingchipandtestedaftercompiledsuccessfully.Whentestingthesystem,wefollowthebasicprocessingofthesoftwaretesting,andthencarryonthewholetestonthesystem,andfinallytesttheabnormalsituationofeachmoduleofthesystem.Theresultsshowthatthesystemhasgoodstabilityandreliability.Keywords：SmartHome,WirelessSensorNetwork,ZigBee,STC51 目录目录摘要..............................................................................................................................................IAbstract...........................................................................................................................................II第1章绪论...................................................................................................................................11.1课题研究的背景...............................................................................................................11.2国内外研究现状...............................................................................................................21.3课题研究的意义...............................................................................................................31.4论文章节安排...................................................................................................................4第2章ZigBee技术.......................................................................................................................52.1ZigBee技术概述................................................................................................................52.2ZigBee网络中的设备类型................................................................................................52.3ZigBee网络的拓扑分类....................................................................................................62.4ZigBee协议框架及体系结构............................................................................................72.5ZigBee技术的特点............................................................................................................92.6基于ZigBee技术的应用..................................................................................................92.7本章小结.........................................................................................................................10第3章智能家居安全系统终端节点设计..................................................................................113.1网络拓扑选型..................................................................................................................113.2ZigBee无线模块选型......................................................................................................123.3终端节点设计.................................................................................................................123.3.1防盗监测终端节点的设计...................................................................................133.3.2天然气监测终端节点的设计...............................................................................133.3.3漏水监测终端节点的设计...................................................................................153.3.4断电监测报警子系统的设计...............................................................................163.3.5短信报警子系统的设计.......................................................................................163.4本章小结.........................................................................................................................17第4章系统软硬件实现.............................................................................................................184.1开发环境介绍.................................................................................................................184.2防盗监测报警子系统的软硬件实现.............................................................................194.3天然气监测报警子系统的软硬件实现.........................................................................214.4漏水监测报警子系统的软硬件实现.............................................................................254.5断电监测报警子系统的软硬件实现.............................................................................284.6短信报警子系统的软硬件实现.....................................................................................30I 目录4.7本章小结.........................................................................................................................35第5章系统测试.........................................................................................................................365.1防盗监测报警子系统测试.............................................................................................365.2天然气监测报警子系统测试.........................................................................................365.3漏水监测报警子系统测试.............................................................................................375.4断电监测报警子系统测试.............................................................................................385.5系统整体测试.................................................................................................................385.6本章小结.........................................................................................................................39第6章总结与展望.....................................................................................................................406.1总结.................................................................................................................................406.2展望.................................................................................................................................40参考文献.......................................................................................................................................41致谢.......................................................................................................................................43II 第1章绪论第1章绪论1.1课题研究的背景（1）智能家居安全系统的背景随着人们生活水平的不断提高，经济的迅猛发展，人们开始越来越关注高科技的发展，特别是生活智能化的发展。国外特别是一些发达国家已经提前把智能家居安全系统当做一个具有潜力的新兴行业来看待，不管是什么行业，开辟的越早就越能够占领市场，现在美国、日本、欧洲已经开始非常重视智能家居安全系统的研究了，并且已经研究出了众多产品，确立出了自己的优势，对将来占领市场已经打好了基础，而我们国家才处于刚刚进入的阶段，各种技术都不是很成熟，都要借助国外的技术[1]。这个行业的市场基本都被国外所占据，使得国际市场的竞争越来越激烈。众所周知，智能家居安全系统是从美国发展起来的，具有非常大的潜力和市场价值，所以现在我们国家也越来越关注，虽然起步比较晚，但是经过最近几年的研究，我国的智能家居安全系统行业已经有了很大的发展，并形成了许多比较知名的品牌，现在很多房地产业也开始重视智能家居安全化的住宅建设，特别是在一些大城市，已经有很多的家庭体验到了智能家居安全系统给他们生活带来的便利，出门在外也不必担心家中的安全情况。（2）智能家居安全系统的概念智能家居安全系统是以住宅为基础的，将各种智能化的设备与人们的生活相结合，使我们家里的电器实现自动化、智能化、科学化的功能,当存在安全问题时能及时报警并对相应的设备进行控制[2]。现在有很多家庭已经安装了智能家居安全系统，他们多以防盗以及安全为主，使用其他功能的还比较少，这也许跟人们的生活工作环境有很大的关系，然而随着人们生活的不断提高，人们对居住环境的要求也就随着不断的提高，相信以后人们对智能化需求也在不断的增加，所以现在虽然说作为一个系统功能越多越好，还要以消费人群的数量为主，只有设计出的系统有市场，才能够更大的体现它的价值。现在的智能家居安全系统往往和无线传感器网络联系到一块，首先作为一个智能化的系统，需要将家中的能够进行智能化的设备考虑进来，将它们组成网络，同时由于要实现一定的功能，我们还需要用无线传感器进行对室内数据的采集，然后再将采集的数据保存起来，发送到接收器中，通过对这些数据的检测，来反映家中的环境情况是否安全，是否舒适，其中收集数据主要用ZigBee模块进行收集。总的来说，智能家居安全系统能够为人们的工作学习提供便利的条件，相信随着家庭生活经济条件的提高，电器行业的不断发展，智能家居行业也会不断的发展，以后将会有更多的科技元素加入其中。1 第1章绪论1.2国内外研究现状（1）国外研究现状对于这个智能家居安全系统，它最早出现于美国的康涅迪格洲，那时候正处于20世纪80年代，当时本来是为了对一个老式建筑的改造，并没有直接去建造一幢智能建筑的计划，当时的时候只是用计算机系统进行控制，对建筑中的各个设备进行监控，如冰箱、电视、微波炉等设备，以此来获取他们的实时信息，并能对这些信息进行服务，可以通过网络告知使用者。所以刚开始的时候，只是具有收集信息和向用户进行反馈的功能，还不能对住宅中的设备进行智能化的控制。随着国外智能家居安全系统的进一步发展，到了20世纪90年代，开始出现了集中控制式的智能家居安全系统雏形，由于当时无线传感器网络技术还不是很普遍，采用的都是布线通信的方式，所有参与的设备都要通过预埋总线[5]的方式进行连接，所以安装起来比较麻烦，特别是在比较大的住宅中，布线工作非常困难，再一个就是，如果在已经安装好的住宅中想进行扩充设备的话，或者有线路损坏了，检查起来相对比较困难，不易于维护。到了21世纪，由于无线传感器网络的慢慢成熟，开始出现了不用进行布线的智能家居，可以实现对智能家居安全系统的远程控制，安装起来也比较方便，但由于技术有限，开始建立的无线网络价格都比较昂贵，很难投入到一般的家庭当中，当时主要还是以配套销售为主，并且还要收取一定的技术服务费用，上手使用和维护起来也不是特别容易。目前，随着智能家居技术的慢慢成熟，以及人们的生活品味越来越高，吸引了越来越多的公司开始关注智能家居安全系统，很多世界上的大公司也都有自己的智能家居安全系统，其中，美国还是一直保持这个行业的领先地位。日本和欧洲的一些国家也都看好了这个行业的前景，它们紧跟时代的脚步，现在有的发达国家中已有一半多的家庭正在使用智能家居安全系统。（2）国内研究现状我国的智能家居安全系统发展比较晚，在20世纪80年代的时候，那时候我国经济水平还不是很高，还正处于改革开放发展建设当中，由于智能家居安全系统价格比较昂贵，只是对这个概念有一定的认识，还没有太多的公司进行研发。到了20世纪90年代末期，国内市场上的智能家居安全系统才开始出现，主要是以防盗为主，集中出现在北京、上海、广州等大城市个别家庭中，通过电脑端进行控制，由于起步比较晚，主要依靠引进国外的技术，设计起来成本都比较高，很难投入到市场中。到了21世纪，随着科技不断发展，开始有更多的国内公司进入到这个领域，智能家居安全系统开始有了突飞猛进的发展，通过结合各种技术进行开发，有结合单片机、嵌入式的，各大公司都看好了这个领域的发展潜力，并根据中国市场，开发能够适合不同生活水平的产品，而且有很多的家庭已经喜欢上了这种自动化式的生活。2 第1章绪论目前，国家也开始重视智能家居安全系统的发展，特别是建设部门，鼓励智能化房产的建设，现在很多大中城市的房地产商们都开始一同进行智能化住宅的推行，不仅可以让房主体验到智能家居安全系统的便利，而且能够节约并更科学的利用我们的资源，当家中安装有智能家居安全系统时，我们可以放心的出门，如果家中出现异常时，可以及时的通知我们，并可以自动的去采取相应的措施去解决，使我们更为省心的去生活。（3）我国智能家居安全系统存在的问题及发展趋势目前，我国的智能家居安全系统已经能够去自己开发设计，也有了专门的公司在研究，但仍有很多方面的问题丞待解决。例如大多数的智能家居安全系统产品的功能比较少，体验性比较差而且产品的雷同太多，缺少创新性，而且目前智能家居安全系统都是各自研究各自的，做出的产品相容性比较差。再就是很多的公司在开发硬件的时候，太偏重于互联网思维，没有能够把硬件当作一个产品去做，没有将硬件的壁垒之处做出来，就没有任何优势。随着智能家居安全系统的不断发展，相信性价比会越来越高，以后家庭中的设备都会加入智能化的元素，人们的生活也会不断体会到智能化的便利，就好比一个无形的机器人在家里工作看家一样，可以完全按照自己的安排进行工作，特别是容易被那些新一代的年轻人所接受，相信以后的生活节奏会越来越快，人们会越来越依赖这种智能化的设备，还有就是以后生活条件好了，我们会越来越关注我们的健康问题，身体才是最重要的，现在很多大城市在购买有关影响身体健康的商品时，都会选质量最好的，贪便宜的时代可能会不复存在，当人们了解到智能家居安全系统给人们带来的好处时，相信人们会毫不犹豫的去选择。1.3课题研究的意义从今年国内外智能家居安全系统的发展态势上来看，这种产业确实存在非常大的潜力，各大企业现在都投入越来越多，竞争也越来越激烈。之所以这么关注，也是由于它能带来巨大的经济效益，现在我国已经比世界上的发达国家落后很多了，国际市场基本上已经被美日欧等发达国家所占据，甚至我们国内使用的大部分智能家居安全系统的硬件也是从国外引进的，我国在电子硬件方面的工艺上一直远不如国外，而且开发智能家居安全系统的关键也在于开发硬件方面，如果哪个国内企业能率先开发出一套领先于国际水平的工艺来，相信一定会给我们国家带来巨大的变化。智能家居包含着多种不同的功能，我们这里主要是对安全方面做了重点研究。特别是现在人们开始更加注重安全，智能家居安全系统可以智能的随时随地的监控到家中的情况，使用户能够更加安心的出门。并且当家中出现异常情况时，可以将异常信息发送给用户，并对相应的设备进行控制。3 第1章绪论1.4论文章节安排论文章节安排如下。第1章，绪论。简要说明了本论文研究的背景，国内外研究现状与课题研究的意义，同时总结了文章研究的流程安排，为以后在总体上的安排作了铺垫，起到引导作用。第2章，ZigBee技术介绍。讲解了ZigBee的设备分类、拓扑结构等基本内容，同时对无线传感器网络的路由算法及协议框架做了分析，研究了ZigBee技术的特点以及它的未来发展情景。第3章，系统终端节点设计。首先设计了网络的拓扑结构，然后对各个终端节点进行了详细设计。第4章，系统软硬件实现。从软硬件方面对系统各个模块进行了实现，并且给出了相应的电路图、实物图以及主要代码。第5章，系统测试。主要是对系统的各模块进行测试，主要讲了各模块分别接入后对系统的整体测试，还有各个模块对异常情况的测试，以及GPRS模块的测试。第6章，文章的总结与展望。主要是对所做工作的总结，以及对未来发展的展望。4 第2章ZigBee技术第2章ZigBee技术2.1ZigBee技术概述ZigBee技术主要是用于网络之间的无线通信，由蜜蜂间的通信引发而来[5]。一般地说，ZigBee传递的不会特别远，但是我们可以用多个ZigBee进行间接的传递，如果ZigBee的节点非常多的话，就需要我们去制定一些路由算法，去保证信息能够正确快速的传递。ZigBee终端节点一般都与各种电子设备连接在一起，能够与它们进行信息的交互，信息的无线传递同移动电信网是差不多的，但是通常情况下，它们之间的传输速率比较低，不太适合大数据的传递，因此，它们更多的被用于范围小、距离近的场合[6]。在21世纪，开始出现了各种新兴的技术，其中无线传感器网络可以与ZigBee技术比较好的联系在一起，无线传感器更多的是用来收集情报信息的，可以在人们无法到达的区域去采集信息，并且可以不需要电源供电就能长时间的工作，再通过ZigBee节点就可以自动的将这些信息传递出去。由于它的这个独特功能，现在在各个领域都得到了广泛的应用。与ZigBee相连的电子设备也可以是各种家电，由于ZigBee具有可靠性高、价格低等特点，现在基于ZigBee的各种智能家电也在不断兴起，可以实现对家电的远程控制和信息查询，可以极大的为人们提供便利，也就是我们所说的智能家居。很多时候，ZigBee都是用来监测环境的，特别是家中的环境信息，通过控制可以让家里维持更安全的生活环境。在同一个网络也可能会出现多个ZigBee设备，它们处于网络中的位置不同，发挥的作用也各不相同。网络中一般包含一个控制中心，可以连入网络的结点数还是比较多的，最多可以达到60000多个。除了可以作为控制中心，它还具备路由转发的功能，用于进行各种数据和指令的传递，同时它还具有采集信息的功能，并且可以将这些采集到的信息进行加工处理，便于更快速的转发和监测。2.2ZigBee网络中的设备类型在ZigBee网络中，一共有3种设备类型：ZigBee协调器节点、ZigBee路由节点、ZigBee终端节点[7]。首先最为关键的就是协调器了，它是每个独立的ZigBee网络中的第一个设备，也是唯一一个协调器设备，协调器一共有两个重要的功能，一个是进行组建网络的功能，另一个是类似普通路由器的功能，在一个网络之中只允许存在一个协调器[8]。说到路由器大家首先想到的是我们平时所使用的无线路由器，但是ZigBee的路由器同它们是不同的。网络中的节点，不仅可以具有路由的能力，而且当网络中某个链路的节5 第2章ZigBee技术点出现问题时，它可以进行自我解决，不需要借助人工，所以，ZigBee是很适合进行无人管理的工作。终端设备也是ZigBee网络中的重要组成部分，加入到网络的方式是和路由节点差不多的，不同的地方是，终端设备不是时时刻刻都在进行工作，没有进行工作时，它一般都处于基本无消耗的状态。它一般会间歇性的同它的上级节点进行查询，查看是否有它需要的数据。所以终端设备在进行数据传输的时候不会立即就进行传输。一般来说，终端节点会受它上一级节点的制约，如果上一级不能使用了，那么它下级的所有节点都会报废。终端设备也可以察觉到，然后去搜寻其它NETWORKID相匹配的网络节点，会再次进行加入，并让这个设备成为自己的上级节点，以使自己能够正常的接受数据。2.3ZigBee网络的拓扑分类ZigBee在网络中的结构类型主要有以下三种：一种是Star型网络结构，一种是Cluster型网络结构，还有一种是Mesh型网络结构[9]，这与我们以前数据结构中所学的网络结构基本上是差不多的。其中，最简单的结构是Star型网络结构，最复杂的是Mesh型网络结构，它们的网络结构如图2.1所示。网状（Cluster）星状（Star）协调器簇状（Mesh）全功能设备精简功能设备图2.1ZigBee网络结构图三种网络拓扑结构的特点各不相同，具体如表2.1所示。6 第2章ZigBee技术表2.1三种网络拓扑结构的优缺点对比拓扑结构优点缺点星状结构简单、建网容易，易控制管理中央结点负担重，容易形成系统瓶颈簇状扩充方便、灵活，成本低，易推广对根节点依赖性非常高网状可靠性高、易扩展结构复杂星状网络拓扑结构中存在一个协调器节点，它处于网络中的中枢位置，所有其它终端节点可以直接与它进行通信，所有其他终端节点如果想要进行传递信息，都必须通过中央节点，结构很简单，但是如果中央节点出现问题，容易造成整个网络都不能够正常运行。树状网络拓扑结构中也是存在一个协调器节点，当网络正常时，所有非叶子节点充当路由的功能，若是两个处于叶子位置的终端节点进行相互通信，则必须经过它们的父节点，所以当某个非叶子节点失效时，它的所有子节点都将不能进行通信，特别是如果根节点失效时，那么整个网络也就瘫痪了，它与上一个结构相比的优势是，其他非根节点失效不会造成整个网格瘫痪，但是没有星状网络拓扑结构平均传输速率高。网状网络拓扑结构也是存在一个协调器节点，与树状网络拓扑结构有所类似，但不同的是，它不存在根节点，也就是说不会存在因为一个节点使整个网络瘫痪的情况，当某个非终端节点失效时，对应的终端节点会重新找到一个非终端节点作为自己的下一跳地址，因此具有非常强的可靠性，但平均传输速率也是三种拓扑网络中最慢的。2.4ZigBee协议框架及体系结构ZigBee无线网络的层次结构一共有两个部分：一个是由ZigBee协议所定义的部分，包含ZigBee应用层、ZigBee应用程序对象、ZD0、ZigBee应用程序支持子层和ZigBee网络层，再一个就是由IEEE802.15.4规定的部分，包含ZigBee介质访问控制层和ZigBee物理层[10]。其中，ZigBee物理层上主要提供了PLDE和PLME两种接口[11]，主要功能是实现两个物理层之间信息的交换，并把收到的信息通过接口传递给上一层。ZigBee主要是通过天线的形式发送数据，类似于互联网中的数据交换，最后都有个确认的过程。ZigBee数据链路层主要作用是能够为数据的传输提供物理通路，以保证数据传输的顺利进行，当传输过程中出现冲突时，能够进行自动处理，由于这里是单信道的，主要采用的是带冲突检测的CSMA[12]方法，当数据进行数据传输时会不停的对通信路段进行检测，一直要到通信路段空闲时才可以进行再次传递，否则就一直等待。7 第2章ZigBee技术ZigBee网络层主要是为传输网络上的数据服务的，它处于用户使用端和底层物理链路传输端之间，主要功能是进行路由和数据的转发工作。负责完成ZigBee的网络的建立，可以由当时的具体情境去采用相应的网络拓扑结构。ZigBee应用层主要是为用户提供良好的界面，让用户可以一眼就看到所关心的详细信息，并能为用户提供各种需要的功能，这里主要是对住宅中设备的控制功能，以及对室内现场信息的查询功能，当家中出现异常时，可以让用户收到报警信息等功能，使用户不必关心底层的复杂结构就能够满足自己的所有需求。ZigBee体系结构如图2.2所示。图2.2ZigBee协议栈结构在ZigBee协议栈中的各层含义如表2.2所示。表2.2ZigBee协议栈各层注释表英文缩写英文全称含义SAPServiceAccessPoint服务接入点PD-SAPPhysicallayerdata-SAP物理层数据服务访问点PLME-SAPPhysicallayermanagemententity-SAP物理层管理管理实体服务访问点NLME-SAPNetworklayermanagemententity-SAP网络层管理实体服务访问点APSDE-SAPAPSdataentity-APS应用支持子层数据实体访问点ALSME-SAPAPSmanagemententity-APS应用支持子层管理实体访问点Mediumaccesscontrolsub-layerdataMLDE-SAP媒体访问控制层数据实体服务访问点entity-SAPMediumaccesscontrolsub-layerMLME-SAP媒体访问控制层管理实体服务访问点managemententity-SAP8 第2章ZigBee技术2.5ZigBee技术的特点ZigBee技术具有以下的几个特点。（1）可靠性较高在智能家居里，会存在一个主节点作为网络的控制器负责进行网络的组建，当建立网络后这个控制节点失效时，如果还有其它的节点存在，网络会自动的随机寻找一个ZigBee节点作为新的主节点，以此让网络能够继续正常工作。我们这里也采用了协议栈，如果遇到突然停电的情况，数据都会保存到非易失性的存储器中，再通电后可以通过函数调用出来。（2）功耗比较低ZigBee节点在没有收到用户请求的时候，会每隔一段时间去收集周围的环境信息，采集结束后就会自动进入睡眠省电的状态[13]，并可以通过实际情况去设置它的采集间隔，以最大化的节省消耗。（3）扩充性好ZigBee节点可以同时连接上百台设备，这对于智能家居来说基本是用不完的。（4）适合近距离传输ZigBee节点共有3个传输频段，分别对应3种传输速率可供选择，并且穿墙抗干扰性都是比较好的。（5）价格便宜ZigBee节点相对于其他组网设备来说，可以便宜非常多，价格仅有移动基站的几百分之一。（6）网络的拓扑性好ZigBee节点可以支持星状、网状和树状三种网络结构。（7）安全性好具有多种加密模式[14]，可以有效的防止数据的窃取。2.6基于ZigBee技术的应用我们所处于的21世纪是互联网时代，随着时代的变迁，社会的进步，人们在这个科技发达多元化的社会中生活也要求越来越高。为了更好的为人类服务，科研人员不断的在各个领域搞科研，其中ZigBee技术就相当有利于社会发展。随着ZigBee技术的不断研发更新，被人们应用于越来越广泛的的领域。9 第2章ZigBee技术（1）数字家庭领域在这个信息科技发达的社会，我们的生活也越来越紧凑，每天为自己的事业工作奔波忙碌，为了我们有个温馨、安全、舒适的家庭，高科技的智能家居对于我们来说是必要的。ZigBee技术能为我们打造最合理化的智能家居。例如装置ZigBee技术的家庭，当主人不在家时，可以用手机设备发号施令打开家庭安防设备，主人在家时，安防设备会作出调整适当关闭，当遇到有人触发探头时，可以把报警信号传给主人或物业。ZigBee技术通过收集家庭的信息，通过设备的控制，为我们的生活提供智能化、自动化、网络化，使我们的生活更方便、快捷、节能、安全。（2）工业领域工业代表进步，代表国家的实力。工业只有拥有新进的技术才能够有更大的发展前途。ZigBee技术就是非常有效的的先进技术。它可以在任何时间有效的获取实用的数据并发送出去，这种无线自动数据采集和监控系统有利于全方位的掌控工厂的信息，做出有效地调整。例如：温度的感测通知，生产流程的感测等，都可以通过ZigBee技术加以实现，从而更好的服务于工业领域。（3）智能交通随着我们国家的经济提高，人们的出行日益增多，交通工具各种各样，交通道路出现道路拥挤、交通事故的现象很多，为了出行安全我们的交通控制系统网覆盖面必须全面。现在的人们都非常注重旅游，他可以让人们处于繁忙工作中疲惫的身心得到放松，增进家庭的感情。为了方便出行自驾游，道路的信息对于出游者尤为重要。这些需求ZigBee技术会更加合理化的为我们实现。例如ZigBee技术应用于汽车上可以系统定位和导航，与GPS相比，它在GPS覆盖不到的楼内和隧道内也可继续使用，它的信息量更广，可以得到更有价值的信息，给人们的出行带来更大的方便。在不久的将来，ZigBee设备会以它成本低、耗能低、无线信号覆盖面广等会在城市街道、高速路、信号灯等交通系统中广泛应用。它可以给广大司机朋友提供出门的便利，能够提高行车安全，减少事故的发生，从而有效减少交通压力，为社会出一份力。2.7本章小结本章节是本论文的基础环节，是为了后面的工作做准备。主要是对ZigBee技术做了简要的说明，对它的过去、将来以及特征做了研究分析，同时对它的协议框架和体系结构也做了详细的分析，并对它在发展中各个领域的应用做了简单的介绍，以对ZigBee能够有一个基本的了解。10 第3章智能家居安全系统终端节点设计第3章智能家居安全系统终端节点设计3.1网络拓扑选型对智能家居安全系统的设计首先要做的是对网络拓扑的设计，由于家庭住宅一般都不是很大，且设备不是特别多，并结合ZigBee的特点，本文选用了星型的拓扑结构[15]，具体构成如下。首先要确立ZigBee网络中的中央控制部分，然后开始建网，将家庭中的各个终端节点添加进去。用户为满足自己的需求，可对不同的模块进行接入或者移除，并通过它们在各个网络子节点之间进行数据的传送，从而使用户可以根据自己的需要对网络进行调整，使其符合自己的要求。系统可以通过一个应用界面对家中的住宅条件进行监控，经过通信网可以在外面就能够完成，看家中的情况是否正常，家中的信息一般都集中传输给控制设备节点，我们只需对该节点进行访问，该节点具有无线通信的功能，并且当出现意外情况时能够对各种电器设备进行控制，具体如图3.1所示。防盗监测断电监测报警子系统报警子系统电磁阀通风子系统短信报警子系统控制子系统（控制中心）天然气监测漏水监测报警子系统报警子系统图3.1系统总体结构图本系统的结构中总共包含三个部分：首先是控制中心模块，由短信报警子系统构成，是整个系统的控制中心，主要功能是实现家庭中各个终端节点和ZigBee节点与协调器的建网部分[16]，出现异常时，向相应的控制设备发送控制命令，然后是信息采集模块，主要由防盗报警子系统、断电监测报警子系统、天然气监测子系统和漏水监测子系统，主要功能是实现对环境信息的监测，最后是设备控制模块，主要由通风子系统和电磁阀子系统构成，主要功能是当收到控制中心的命令时，对相应的设备进行控制。11 第3章智能家居安全系统终端节点设计3.2ZigBee无线模块选型本文所选用的是CC2530系列ZigBee模块[17]，它主要是用来完成对串口的转换功能。这个模块的好处就是用户不用去了解ZigBee协议，只要通过串口和PC软件进行简单的配置，就能够实现ZigBee的组网、数据的收发以及网络的管理。同时ZigBee标准模块采用的是Mesh拓扑，大大增加了网络的容量，并且具有自组网、自愈性、多跳等优点，使其能够适用于各种的应用场合。CC2530-A1ZigBee模块是基于TI公司的CC2530F256芯片[18]。这个模块不仅可以完成正常的数据传输，还能够让用户自己去设置数据的传输格式，使其能够针对不同的场合最大化自己的传输效率。CC2530的功能特点如下所示。（1）可编程的输出功率可以高达4.5dBm；（2）强抗干扰性和高灵敏度；（3）数据速率：250kbps；（4）32、64或123KB的系统内可编程闪存；（5）64字节FIFO双缓冲器；（6）硬件支持CSMA/CA；（7）AES加密；（8）功耗更低。3.3终端节点设计整个家庭安全智能终端报警系统主要涉及防盗监测、燃气泄漏监测、断电监测、漏水监测、电磁阀控制、通风及短信报警子系统七大子系统的设计，以此完成各类数据的采集、传输、管理、控制和报警等功能。由于使用的是自组网络[19]，开启一个终端节点，它能自己随机的加入到一个网络中，并且能够去判断加入到的这个网络是否正确。加入到网络后，终端节点会将所连的节点收集到的信息发送给网络中的协调器，并继续进行工作。ZigBee终端节点主要是用于收集传感器节点的采集信息的，首先终端节点启动后会进行自动初始化，然后它就开始到周围去看一下有没有网络，如果有，则加入到网络中，并且去查看是否是自己的网络，如果查看是自己先前加入的网络，就加入到网络中。然后就对周围的环境信息进行采集，当采集到数据的时候，就可以通过运行发送函数，发送给父节点，采集数据是每隔一段时间进行一次，当不采集的时候就进入休眠状态，以节约能源。12 第3章智能家居安全系统终端节点设计3.3.1防盗监测终端节点的设计防盗监测报警子系统主要是用于检测是否有人进入住宅而设计的，在家中的每一个门窗上都要进行设防，本子系统所用主要元件包括红外热释电传感器模块、ZigBee模块、遥控器等，具体结构如图3.2所示。红外传感器异常信息信息模块ZigBee模块遥控器图3.2防盗监测报警子系统我们要尽可能的去选择安全性高，安装方便的传感器，经过多方面的对比，这里选择了人体红外传感器HC-SR501，它的主要特点如下所示：（1）全自动感应：当有人进入探头感应区域时，HC-SR501传感器探测到人体红外光谱的变化，自动输出高电平，人只要一直在感应区域内，将持续输出高电平；一旦走开后，开关自动关闭。有较高的灵敏度和很强的可靠性，在各种自动感应设备中应用比较广泛。（2）具有感应封锁时间：感应模块在每输出一次感应后，都将高电平变为低电平，然后可以设置一个封锁时间段，在此期间感应器不接收任何感应类的信号。这样可以实现感应输出时间同封锁时间二者能够间隔工作，广泛用于间隔探测产品，同时这样对负载切换过程中产生的各种干扰可以进行有效抑制。红外传感器是用于检测人体体温与环境温度的差值的变化量，所以检测效果会受温度、人的衣服、走的速度及走的方向等因素的一定影响，这里直接将人体红外传感器集成到ZigBee收发模块上，防盗监测终端节点由红外传感器和CC2530两个部分组成，如图3.3所示。HC-SR501传感器CC2530图3.3防盗传感器终端节点13 第3章智能家居安全系统终端节点设计3.3.2天然气监测终端节点的设计天然气监测报警子系统的主要功能是利用气敏传感器检测空气中天然气是否超标。所用主要元件包括MQ-5气敏传感器、ZigBee模块、按键开关等，具体如图3.4所示。MQ-5传感器异常信息信息模块ZigBee模块通风子模块图3.4天然气泄漏报警子系统天然气监测终端节点的设计主要是为了防止家中出现危险气体而设计的，通过去检测室内气体的浓度与标准浓度进行比较，如果浓度过高，就进行报警，采取一系列措施，去减少浓度的继续升高，能比较好的预防事故的发生。经过各方面考量，我们最后选用了MQ-5气体传感器，它的主要特点如下所示。（1）检测的浓度范围较宽；（2）有着比较好的灵敏度；（3）寿命较长、成本较低；（4）只需简单的驱动电路。MQ-5气体传感器对丁烷、丙烷、甲烷的灵敏度高，对甲烷和丙烷可较好的兼顾。这种传感器可检测多种可燃性气体，特别是天然气，是一款适合多种应用的低成本传感器。天然气监测终端节点主要由MQ-5气体传感器和CC2530组成，具体如图3.5所示。MQ-5气体传感器CC2530图3.5可燃气监测终端节点通风子系统主要功能是将泄漏的天然气排到室外，主要包括通风设备、按键开关、ZigBee模块等组成，具体如图3.6所示。14 第3章智能家居安全系统终端节点设计通风设备异常信息信息模块ZigBee模块按键开关图3.6通风子系统当有天然气泄露时，天然气监测报警子系统向该ZigBee模块发送报警信息，该ZigBee接收到报警信息后打开继电器，控制通风设备工作，将泄露的天然气及时排到室外，同时向信息模块发送异常报警信息。3.3.3漏水监测终端节点的设计漏水监测子系统能自动检测选定区域的意外漏水情况，防止漏水状况的恶化。所用主要元件包括VEC-A-10漏水检测传感器、ZigBee模块、按键开关等，具体如图3.7所示。漏水探头异常信息信息模块ZigBee模块按键开关图3.7漏水监测子系统单片机检测VEC-A-10漏水传感器的状态，若发现漏水，则将漏水信息通过ZigBee模块无线发送到信息模块，通过液晶显示器显示报警原因，产生报警，通过GPRS模块向用户手机发送报警信息，同时发送信息给电磁阀控制子系统关闭水管。用户收到报警信息后，可迅速检查漏水情况，并采取相应措施降低漏水带来的损失。漏水监测终端节点主要由VEC-A-10漏水传感器和CC2530组成，如图3.8所示。VEC-A-10传感器CC2530图3.8漏水监测终端节点15 第3章智能家居安全系统终端节点设计电磁阀控制子系统的主要功能是控制电磁阀的通断，电磁阀控制子系统主要由电磁阀、继电器、按键开关等组成，具体结构如图3.9所示。电磁阀异常信息信息模块ZigBee模块按键开关图3.9电磁阀控制子系统当有漏水现象发生时，漏水监测报警子系统会发出控制信息给本模块的ZigBee，该ZigBee收到控制信息后智能地控制继电器，调节电磁阀使其关闭，从而达到防漏水效果。3.3.4断电监测报警子系统的设计断电监测报警子系统能自动检测出家庭的断电事件，并及时通知用户。所用主要元件包括电源适配器、ZigBee模块、按键开关等，如图3.10所示。电源适配器异常信息信息模块ZigBee模块按键开关图3.10断电报警子系统将220V电源适配器直接插在家庭插排上，将引脚电流分流后引出接入模块引脚。CC2530芯片通过读取引脚状态判断是否断电，一旦家庭断电，便及时将断电信息通过ZigBee模块无线发送到信息模块。信息模块接收到该信息后，通过GPRS模块向用户手机发送报警短信，并在液晶显示器上显示报警原因。用户收到断电报警信息后可采取相应的措施，降低断电造成的损失。3.3.5短信报警子系统的设计短信报警子系统（控制中心）负责接收各子系统发来的异常信息，并将异常信息通过短信发送到用户指定手机上。所用主要元件包括液晶显示模块、ZigBee协调器模块、GPRS模块、报警器、继电器、按键开关、UPS电源模块等，如图3.11所示。16 第3章智能家居安全系统终端节点设计液晶显示器声光电子报警器短信收发模块手机ZigBee模块图3.11短信报警子系统短信报警子系统（控制中心）主要由ZigBee网络协调器节点和信息处理模块两部分构成，ZigBee网络协调器节点主要是用于对无线传感网络的控制和管理，是网络中的核心，设计的时既要考虑到传输速率，也要考虑到功耗。由于要经常向控制模块发送命令，这里选用的是短信收发模块上的ZigBee作为协调器，网络协调器节点中会有各个终端节点的信息，因此，要对每个终端节点的信息向用户正确的反应，它们之前建立关系的方式是比较关键的，这里要找到一个可靠的方法去实现它们之间的捆绑。当终端节点连到网络中时，协调器节点就会获取到它的地址信息，然后将其捆绑，并给它们分配一个区域去存放数据。协调器节点在工作时，首先要完成其组建网络的功能，然后去不停的去监测网络，看有没有超过规定阀值的数据，若有则通过调用函数向使用者发出报警信息，每个终端节点都有对应的一个commandId，当用户发出控制信息时，协调器会向相对应commandId的终端节点发送控制命令，让各种设备完成指定的工作，当某个终端节点不再需要时，也可以通过控制命令让它们停止工作或进入到睡眠状态。信息处理模块接收到各子系统的异常信息后，启动声光报警，把报警原因显示在液晶屏上，通过GPRS模块向用户手机发送报警信息。同时根据报警原因的不同，可以智能地对设备进行控制，避免给用户造成更大的损失。如果出现断电情况，则由UPS继续供电一段时间，保证断电信息能发送到用户手机。短信收发模块选用的是SIM9004频GSM/GPRS模块，能够向手机发送信息以及GPRS数据连接通讯，非常适合智能家居。3.4本章小结本章节主要对系统做了整体分析，构建出系统的硬件模型。首先根据实际情况对网络拓扑结构进行了选型，然后对系统的总体架构进行了设计，并对ZigBee模块进行了选型；最后是对各终端节点做了重点设计，以便能更好的进行系统软硬件方面的实现。17 第4章系统软硬件实现第4章系统软硬件实现4.1开发环境介绍本文的软件开发工具使用的是IAREmbeddedWorkbench工具和Z-Stack2007PRO协议栈[23]，功能比较强大，可以支持ARM，AVR，MSP430等多种芯片内核的平台[24]。IAREWARM的主要特点如下所示。（1）高度优化的IARARMC/C++Compiler；（2）IARARMAssembler；（3）一个通用的IARXLINKLinker；（4）IARXAR和XLIB建库程序和IARDLIBC/C++运行库；（5）功能强大的编辑器；（6）项目管理器；（7）命令行实用程序；（8）IARC-SPY调试器。Z-Stack协议栈是一种ZigBee无线通讯协议，它的协议栈是一种半开源式的，经过很多年的发展，功能已经有了很大的提高[25]。Z-Stack中的大多数关键性代码基本上是以库文件的形式存在的，我们都不能看到这些代码的源文件，所以对于学习这个协议栈来说是有一定困难的。现在也存在一些开源的ZigBee协议栈，例如freakz协议栈和msstatePAN协议栈[26]，而相对于这些协议栈来说，Z-Stack有其自己的优势，就是其搭载的硬件平台，包括TI的CC2520、CC2530等。Z-Stack协议栈是实现系统功能拥有良好的软件设计是必不可少的，同时也是系统性能提高的前提条件。它具有移植性，较好的兼容性以及能使网络拥有记忆功能等优点，共包含下面几个部分：API（ApplicationProgrammingInterface），HAL（HardwareAbstractLayer），MAC（MediaAccessControl)，NWK（ZigbeeNetworkLayer），OSAL（OperatingSystemAbstractSystem），Security，Service，ZDO（ZigbeeDeviceObjects）[27]。硬件平台中主要采用的ZigBee传感器芯片是TI公司的CC2530+CC2591(PA)，制作电路图的软件用的是AltiumDesigner。18 第4章系统软硬件实现4.2防盗监测报警子系统的软硬件实现（1）防盗监测报警子系统的硬件实现HC-SR501红外传感器输出引脚与CC2530芯片P0.0口之间通过杜邦线进行连接，防盗监测报警子系统电路图如图4.1所示。图4.1防盗监测报警子系统电路图如图4.1，这个是进行封装后的电路图，ZigBee模块的电源是3V，红外传感器所需要的电源是5V，所以在这里设计了两个稳压电路，并进行了滤波处理，防止干扰，分别对ZigBee模块和红外传感器进行供电。红外传感器主要与ZigBee的P1.3口进行连接，红外传感器收集到数据后，经过计算转化成电压的形式输出，通过电压值的大小来判断是否有人进入，由于ZigBee模块和红外传感器之间也是通路，我们这里通过加入一个电阻来进行分压，防盗监测报警子系统的实物图如图4.2所示。图4.2防盗监测报警子系统实物图19 第4章系统软硬件实现（2）防盗监测报警子系统的软件实现防盗监测报警子系统主要是将红外传感器采集到的数据进行转化，最后将转化后的数据显示在液晶屏幕上，防盗监测报警子系统流程图如图4.3所示。初始化N监测是否有人YN延时确认Y发送报警图4.3防盗监测报警子系统软件流程图防盗监测报警子系统主要代码如下所示。uint8SampleApp_ScanThief(void)//监测是否有人{if(1==THIEF)//如果有人进入{MicroWait(10);//延迟10Sif(1==THIEF)//10S后仍然监测到有人{HalUARTWrite(0,"Success",8);//向串口写信息return1;}}else{return0;}}if(SampleApp_ScanThief())//监测到有人经过时相关处理程序代码{MicroWait(10);//延迟10Sif(SampleApp_ScanThief()){SampleApp_SendPointToPointMessage();//向协调器发消息}20 第4章系统软硬件实现}voidSampleApp_SendPointToPointMessage(void)//发送信息给协调器以便控制{uint8data='7';//自定义数据AF_DataRequest(&Point_To_Point_DstAddr,&SampleApp_epDesc,SAMPLEAPP_POINT_TO_POINT_CLUSTERID,1,&data,&SampleApp_TransID,AF_DISCV_ROUTE,AF_DEFAULT_RADIUS);//向协调器发送标志位7}4.3天然气监测报警子系统的软硬件实现（1）天然气监测报警子系统的硬件实现MQ-5气敏传感器输出引脚与CC2530芯片P0.0口之间通过杜邦线进行连接，天然气监测报警子系统电路图如图4.4所示。图4.4天然气监测报警子系统电路图气敏传感器收集到数据后，将采集到的电导率的变化转化为与该气体浓度相对应的输出信号，天然气监测报警子系统的实物图如图4.5所示。21 第4章系统软硬件实现图4.5天然气监测报警子系统实物图当产生天然气报警时，会发送给风扇子系统一个打开命令，这里主要是通过ZigBee的P1.3口与继电器连接进行控制，通风子系统实物图如图4.6所示。图4.6通风子系统实物图（2）天然气监测报警子系统的软件实现天然气监测报警子系统的主要功能是将气敏传感器采集到的数据进行转化，最后将转化后的数据显示在液晶屏幕上，天然气监测报警子系统流程图如图4.7所示。初始化监测气体浓度N超过阈值YN延时确认Y发送报警打开风扇图4.7天然气监测报警子系统软件流程图22 第4章系统软硬件实现天然气监测报警子系统主要代码如下所示。boolSampleApp_ScanGas(void)//监测是否有天然气气体{if(1==GAS)//如果监测到有气体{MicroWait(10);//延迟10Sif(1==GAS)//持续10S都一直监测到有气体{GAS=0;//将天然气标志位置为0HalUARTWrite(0,"Running!",8);//向串口写信息returntrue;}}else{returnfalse;}}voidSampleApp_ProcessAddr(afIncomingMSGPacket_t*pkt)//处理风扇地址{if('0'==pkt->cmd.Data[0]){fanAddrH=(uint8)pkt->cmd.Data[1];//高8位地址fanAddrL=(uint8)pkt->cmd.Data[2];//低8位地址fanAddr=(uint16)(fanAddrH<<8)+(uint16)(fanAddrL);//合成16位地址}}if(SampleApp_ScanGas())//检测气体，如果检测到则发送消息{MicroWait(10);//延迟10Sif(SampleApp_ScanGas()){SampleApp_SendOnMsg();}//若检测到则发送打开风扇的消息}else{SampleApp_SendOffMsg();}//若没有检测到则发送关闭风扇的消息通风子系统主要是处理控制中心发来的控制信息，打开或关闭风扇，主要代码如下所示。23 第4章系统软硬件实现voidSampleApp_SendPointToPointMessage(void)//向协调器发送消息{uint8data='3';//自定义数据AF_DataRequest(&Point_To_Point_DstAddr,&SampleApp_epDesc,SAMPLEAPP_POINT_TO_POINT_CLUSTERID,1,&data,&SampleApp_TransID,AF_DISCV_ROUTE,AF_DEFAULT_RADIUS);//向协调器发送标志位3}voidSampleApp_ProcessMsg(afIncomingMSGPacket_t*pkt)//打开或关闭风扇{if('A'==pkt->cmd.Data[0])//打开风扇{numOn++;if(numOn>=5)//延时确认{numOn=0;HalUARTWrite(0,"Turnonsuccess!",8);//向串口发送打开成功RELAG=1;//修改风扇的状态标志为打开状态}MicroWait(30);//延时30S}if('B'==pkt->cmd.Data[0])//关闭风扇{numOff++;if(numOff>=5)//延时确认{numOff=0;HalUARTWrite(0,"TurnoffSuccess!",8);//向串口发送关闭成功RELAG=0;//修改风扇的状态标志为关闭状态}}}24 第4章系统软硬件实现4.4漏水监测报警子系统的软硬件实现（1）漏水监测报警子系统的硬件实现VEC-A-10漏水检测传感器的输出引脚与CC2530芯片P0.0口之间通过杜邦线进行连接，漏水监测报警子系统的电路图如图4.8所示。图4.8漏水监测报警子系统电路图漏水检测传感器收集到数据后，将采集到的电压高低来判断是否漏水，当产生漏水报警时，会发送给电磁阀控制子系统一个关闭命令，这里主要是通过ZigBee的P1.3口与继电器连接进行控制，漏水监测报警子系统实物图如图4.9所示。图4.9漏水监测报警子系统实物图25 第4章系统软硬件实现（2）漏水监测报警子系统的软件实现漏水监测报警子系统主要是将漏水传感器采集到的数据进行转化，最后将转化后的数据显示在液晶屏幕上，漏水监测报警子系统软件流程图如图4.10所示。初始化N是否漏水YN延时确认Y发送报警关闭电磁阀图4.10漏水监测报警子系统软件流程图漏水监测报警子系统主要代码如下所示。boolSampleApp_ScanWater(void)//监测是否漏水{if(1==WATER)//监测到漏水{MicroWait(10);//延时确认10Sif(1==WATER)//10S后仍然显示漏水{WATER=0;HalUARTWrite(0,"Running!",8);//向串口写信息returntrue;}}else{returnfalse;}}voidSampleApp_ProcessAddr(afIncomingMSGPacket_t*pkt){if('0'==pkt->cmd.Data[0])//处理电磁阀的地址26 第4章系统软硬件实现{fanAddrH=(uint8)pkt->cmd.Data[1];//高8位地址fanAddrL=(uint8)pkt->cmd.Data[2];//低8位地址fanAddr=(uint16)(fanAddrH<<8)+(uint16)(fanAddrL);//合成16位地址}}voidSampleApp_SendOffMsg(void)//发送关闭电磁阀信息，同时发出报警{uint8data='B';//自定义数据SampleApp_SwitchAddrInit();AF_DataRequest(&Fan_DstAddr&SampleApp_epDesc,SAMPLEAPP_POINT_TO_POINT_CLUSTERID,1,&data,&SampleApp_TransID,AF_DISCV_ROUTE,AF_DEFAULT_RADIUS);//向协调器发送关闭标志B}电磁阀子系统主要是处理漏水监测报警子系统发来的控制消息，打开或关闭阀门，主要代码如下所示。voidSampleApp_ProcessMsg(afIncomingMSGPacket_t*pkt)//打开或关闭电磁阀{if('A'==pkt->cmd.Data[0])//打开电磁阀{numOn++;if(numOn>=5)//延时确认{numOn=0;//恢复原始状态HalUARTWrite(0,"Turnonsuccess!",8);//向串口写信息RELAG=1;//将标志位置为1}}if('B'==pkt->cmd.Data[0])//关闭电磁阀{numOff++;if(numOff>=5)//延时确认{numOff=0;//恢复原始状态HalUARTWrite(0,"TurnoffSuccess!",8);//向串口写信息27 第4章系统软硬件实现RELAG=0;//将标志位置为0}}}4.5断电监测报警子系统的软硬件实现（1）断电监测报警子系统的硬件实现将220V电源适配器直接插在家庭插排上，将引脚电流分流后与CC2530的P0.0引脚相连，断电监测报警子系统电路图如图4.11所示。图4.11断电监测报警子系统电路图CC2530芯片通过读取引脚状态判断是否断电，一旦家庭电路断电，便及时将断电信息通过ZigBee模块无线发送到信息模块，断电监测报警子系统实物图如图4.12所示。图4.12断电监测报警子系统实物图28 第4章系统软硬件实现（2）断电监测报警子系统的软件实现断电监测报警子系统主要是用来监测家中是否断电，软件流程图如图4.13所示。初始化N是否断电YN延时确认Y发送报警图4.13断电监测报警子系统软件流程图断电监测报警子系统主要代码如下所示。uint8SampleApp_ScanEle(void)//扫描是否有电{if(1==ELE)//如果断电{MicroWait(10);//延迟10S确认if(1==ELE)//10S后仍然断电{return1;}}else{return0;}}if(SampleApp_ScanEle())//向协调器发报警消息{MicroWait(10);//延迟10Sif(SampleApp_ScanEle()){SampleApp_SendPointToPointMessage();//向协调器发送信息}}29 第4章系统软硬件实现4.6短信报警子系统的软硬件实现（1）短信报警子系统的硬件实现继电器的输出引脚与CC2530芯片P0.0口之间通过杜邦线进行连接，采用的GPRS模块是直接集成到开发板的，短信报警子系统电路图如图4.14所示。图4.14短信报警子系统电路图30 第4章系统软硬件实现短信报警子系统负责接收各子系统发来的异常信息，然后在液晶屏上显示并将异常信息通过短信发送到用户指定手机上，短信报警子系统实物图如图4.15所示。图4.15短信报警子系统实物图（2）短信报警子系统的软件实现短信报警子系统信息模块软件实现主要包括协调器的软件实现和控制部分的软件实现，短信报警子系统流程图如图4.16所示。初始化N组建网络成功YN数据查询Y查询网络节点发送查询命令N接收数据YN是否报警Y控制设备显示数据图4.16短信报警子系统流程图31 第4章系统软硬件实现短信报警子系统实现的主要功能是接收到各子系统的异常信息后，启动声光报警，把报警原因显示在液晶屏上，通过GPRS模块向用户手机发送报警信息,主要代码如下所示。voidSampleApp_ProcessWaringMsg(afIncomingMSGPacket_t*pkt)//接收报警信息{switch(pkt->cmd.Data[0]){caseGAS_WARNING://天然气泄漏{if(!GasFlag)//若多次报警，报警信息发送一次即可{HalUARTWrite(0,"GasWarning!r ",14);//向串口写信息LCD_write_str(3,1,"GAS");//列，行，内容GasFlag=GAS_WARNING;}}break;caseWATER_WARNING://漏水{if(!WaterFlag)//若多次报警，报警信息发送一次即可{HalUARTWrite(0,"WaterWarning!r ",16);//向串口写信息LCD_write_str(3,1,"WATER");//列，行，内容WaterFlag=WATER_WARNING;}}break;caseTHIEF_WARNING://防盗{if(!ThiefFlag)//若多次报警，报警信息发送一次即可{HalUARTWrite(0,"ThiefWarning!r ",16);//向串口写信息LCD_write_str(3,1,"THIEF");//列，行，内容ThiefFlag=THIEF_WARNING;}32 第4章系统软硬件实现}break;caseELE_WARNING://断电{if(!EleFlag)//若多次报警，报警信息发送一次即可{HalUARTWrite(0,"EletricalWarning!r ",20);//向串口写信息LCD_write_str(3,1,"ELE");//列，行，内容EleFlag=ELE_WARNING;}}break;default:break;}}控制中心主要是对收到各个模块的信息进行判断，看是哪个模块收到的信息，并将处理后的异常信息发送给用户，主要代码如下所示。if('4'==temp&&0==tFlag4){GUI_WriteASCII(170,155,"",WHITE,WHITE);//对屏幕进行刷新GUI_WriteASCII(180,155,"OK",BLACK,WHITE);//屏幕上显示正常}if('5'==temp){tFlag1=1;//天然气警告可以自己关闭GUI_WriteASCII(170,65,"",WHITE,WHITE);//对屏幕进行刷新GUI_Write14CnChar(170,65,"警告",GREEN,RED);//天然气显示警告if(0==msgFlag1){msgFlag1=1;//仅发一次SendMsg("13468303553","Gaswarning!");//发送短信}}33 第4章系统软硬件实现if('6'==temp)//漏水{GUI_WriteASCII(170,95,"",WHITE,WHITE);//对屏幕进行刷新GUI_Write14CnChar(170,95,"警告",GREEN,RED);//漏水显示警告if(0==msgFlag2){msgFlag2=1;//仅发一次SendMsg("13468303553","Waterwarning!");//发送短信}}if('7'==temp)//防盗{tFlag3=1;GUI_WriteASCII(170,125,"",WHITE,WHITE);//对屏幕进行刷新GUI_Write14CnChar(170,125,"警告",GREEN,RED);//防盗显示警告if(0==msgFlag3){msgFlag3=1;//仅发一次SendMsg("13468303553","Thiefwarning!");//发送短信}}if('9'==temp)//断电{GUI_WriteASCII(170,185,"",WHITE,WHITE);//对屏幕进行刷新GUI_Write14CnChar(170,185,"警告",GREEN,RED);//断电显示警告if(0==msgFlag5){msgFlag5=1;//仅发一次SendMsg("13468303553","Noeletric!");//发送短信}}34 第4章系统软硬件实现4.7本章小结本章节主要是完成对智能家居中各个模块软硬件方面实现。首先对软硬件开发环境进行简单的介绍，然后就是对ZigBee网络的软硬件实现，并给出了各个模块对应的电路图、实物图以及主要代码。35 第5章系统测试第5章系统测试智能家居安全系统的测试总共包括两个部分：一个是对各个终端节点的异常报警时的功能进行测试，另一个是对系统进行整体测试。首先我们这里先准备好测试用的设备，包括一个协调器中心控制节点，各个终端节点。启动设备后，可以发现各个终端节点会自动加入到网络中，然后分别对各个终端节点进行测试，在显示屏上可以看到每个终端节点采集的数据，这里主要是去测试各终端节点能否进行正常的采集信息，然后测试下，当达到报警条件时，看是否每个终端节点能够对用户发出报警信息。5.1防盗监测报警子系统测试将防盗监测报警子系统和控制中心模块上电开启，然后对防盗报警子系统进行测试，看当有人进入感应区时能否进行报警，我们这里先对遥控器进行测试，用遥控器将防盗开关打开，当手放在红外传感器的范围之内时，自动输出高电平，若人一直没有离开感应范围，将持续输出高电平，并进行报警，人一旦离开后，开关自动关闭。测试结果可以看到，当把手放在传感器范围内时，屏幕上显示防盗警告，并且防盗开关打开。同时能够给用户发送短信，发短信我们这里用的串口，程序里设置好发送内容，按报警原因进行发送，测试结果如图5.1所示。图5.1防盗报警报警子系统测试结果5.2天然气监测报警子系统测试将天然气监测报警子系统和控制中心模块上电开启，然后对天然气监测系统进行测试，我们主要通过用打火机进行测试，将打火机在传感器旁放气，看当天然气浓度过高时36 第5章系统测试能否进行报警，测试结果可以看到，当打火机放气达到一定浓度时，液晶屏幕上显示天然气警告，且向用户发送了短信进行提醒，同时通风子系统风扇打开，测试结果如图5.2所示。图5.2天然气监测报警子系统测试结果5.3漏水监测报警子系统测试将漏水监测报警子系统和控制中心模块上电开启，然后对漏水监测系统进行测试，看当漏水时能否进行报警，测试结果可以看到，当两个漏水检测的探头之间有水连通时，液晶屏显示漏水警告，且向用户发送了短信进行提醒，同时可以听到啪的一声，继电器打开，将电磁阀进行关闭，测试结果如图5.3所示。图5.3漏水监测报警子系统测试结果37 第5章系统测试5.4断电监测报警子系统测试将断电监测报警子系统和控制中心模块上电开启，然后对断电监测子系统进行测试，看当断电时能否进行报警，测试结果可以看到，当我们将ZigBee切断电源时，液晶显示屏上会显示断电报警，并及时给用户发短信，测试结果如图5.4所示。图5.4断电监测报警子系统测试结果5.5系统整体测试将系统各个终端模块都进行上电开启，对整个系统进行整体测试，看所有子系统是否能够进行正常运行。测试结果可以看到，系统开启后，所有的子模块都能加入到网络，并在液晶屏幕上显示，都处于正常状态，设备的状态也与实际相符，测试结果如图5.5所示。图5.5系统整体测试结果图38 第5章系统测试5.6本章小结本章主要是对系统的基本功能进行测试，查看系统的各个节点能否进行正常的工作，并检测各个报警模块，在产生报警时，能否进行报警显示，并能正确控制各种设备工作，然后能够以短信的方式发送给用户，测试结果表明，能够达到设计时目标，各个子系统运行正常，系统稳定性良好。39 第6章总结与展望第6章总结与展望6.1总结传统的报警系统已经远远不能满足用户需求，而基于ZigBee的智能家居安全系统由于具有低能量消耗、低成本、低速率传输和构建多种网络等优点，越来越受到人们的青睐。音视频等大数据传输可能需要高速的接口来维持，而监控网络在于设备的互联和控制功能，不需要高速率、高QoS(QualityofService)的通讯技术来支持，本文所做的工作主要有以下几个方面。（1）采用“去中心化”的思想架构，创新性地运用ZigBee模块进行无线组网，在七大子系统内安装ZigBee模块，实现子系统间无线连接，组成无线虚拟网络系统，使得各子系统独立运作，可裁剪性和抗干扰性能力大大增强，系统的稳定性也得到大幅度提高，（2）采用Zigbee无线通信模块，实现子系统间信息的无线传输，不仅可以降低有线报警系统的安装成本，而且可以降低已有的依赖中心控制系统的报警系统的故障发生率。（3）将防盗监测报警、漏气监测报警、漏水监测报警、断电监测报警等子系统集成到同一个系统内独立运作，实现各种家居环境的实时监测，保障良好安全的家居环境。6.2展望智能家居安全系统的设计还是应该多与用户沟通，看看用户还有哪些方面的需求，只有这样才能设计出让用户满意的系统。本论文设计的智能家居安全系统在设计上仍有很多的不足之处，主要可以从以下几个方面进行完善。（1）完成系统的安全性测试，多与用户沟通，看下使用上怎么样设计能更方便。（2）完成对异常传感节点的检测，当检测失效时，能自动切换到备用的节点，提高系统的可靠性。（3）完成智能家居系统的人性化设计，使其更加符合人们的生活习惯，根据家庭中的场景做不同的场景设计。40 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致谢致谢时光荏苒，两年的研究生生活就要结束了。在这充实的两年里有快乐也有痛苦，无论怎样的生活都带给了我美好难忘的回忆。在这里有太多感谢的人。感谢我的导师李光顺副教授对我的亲切关怀和悉心指导。在学习上给我细心的指导和不懈的支持，让我在求知的路上坚持不懈的前进着。感谢在一起愉快的度过研究生生活的老师与同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。感谢我的校外指导老师杨刚老师，在淄博川淄经贸有限公司实习中，杨老师身为领导，还常常在百忙之中指导我的论文和工作，其谆谆教诲让我铭记于心。感谢我的父母，感谢他们对我默默的付出，对我无形的支持，谢谢你们。43
