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(tái)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(duì)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(jí)小巧高效的8051控制器，資源非常豐富。

　　對(duì)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(hào)的干擾，所以為了降低節(jié)點(diǎn)電路本身對(duì)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(hào)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。

　　3.2 CC2430 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(duì)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）。

　　4.1 Zigbee 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(duì)Z-Stack 的兼容，該款市場領(lǐng)先的ZigBee 解決方案針對(duì)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(tái)（Golden Unit）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(tái)，該產(chǎn)品獲得這一殊榮當(dāng)之無愧［7］。參考平臺(tái)的建立為未來ZigBee Compliant Platform （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(duì)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IAR EmbeddedWorkbench 7.30B，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(duì)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(duì)工程的應(yīng)用開發(fā)，大大降低了開發(fā)的周期。因?yàn)閷?duì)Z-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。下面圖5 以智能門禁協(xié)調(diào)器程序的流程來體現(xiàn)Z-Stack 的應(yīng)用開發(fā)。

　　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(dòng)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(dòng)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?？梢允褂肧martRF04 Flash Programmer 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defined symbols 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，圖7 是人員定位圖和攝像頭圖像采集界面?？蛻舳说谋O(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(huì)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(huì)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(duì)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。