【正文】 ection message to the remote base station. Base station sends the receive data to the host puter through serial munication, host puter software processes data processing, realtime displays the monitor value of the abnormal (intrusion, fire, gas leak, etc.) and takes alarm. Because of good security of the system without cabling, laid convenience, low power consumption, small size, low cost, and with a certain degree of intelligence, can effectively increase the security level of the family. Keywords: Home burglar alarm system。 wireless sensor。 MSP430。 infrared sensors on the radio。 ZigBee 3 1 引 言 由于自動(dòng)分割和手動(dòng)分割的缺陷，人們就提出了交互式分割算法。交互式圖像分割算法與其他分割算法的不同之處在于：對(duì)圖像實(shí)施自動(dòng)分割的過(guò)程中，操作者對(duì)圖像分割進(jìn)行干預(yù)和控制。也就是說(shuō)操作者和計(jì)算機(jī)協(xié)同完成圖像分割，充分地利用了計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算能力和人的實(shí)際操控經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰Α?無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (wireless sensor works, WSN) 是由大量具有通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)密集布設(shè)而形成的“智能 ” 自治監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在無(wú)人值守的監(jiān)控區(qū)域，根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)。它是當(dāng)前對(duì)人類(lèi)生活方式產(chǎn)生重大影響的研究熱點(diǎn)之一 [1]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已由軍事領(lǐng)域擴(kuò)展到其他領(lǐng)域，如環(huán)境保護(hù)，健康監(jiān)測(cè)，目標(biāo)跟蹤等?；跓o(wú)線傳感器的家庭安防網(wǎng)絡(luò)，是將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到家庭安防中的產(chǎn)品。 家庭 安防 一直是人們關(guān)注的問(wèn)題 。 目前，多數(shù)的居民住宅防盜都采用鐵柵欄防盜，這樣做既不美觀，在發(fā)生 緊急事件如火災(zāi)的時(shí)候，居民不方便逃生，而且鐵柵欄的費(fèi)用很高。一些高檔小區(qū)的報(bào)警系統(tǒng)因價(jià)格昂貴不能被廣大消費(fèi)者所接受，這也限制了它的推廣。如：將用戶和公安部門(mén)聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)用戶家里出現(xiàn)警情會(huì)撥號(hào)到公安部門(mén)，并通過(guò)已經(jīng)建立的數(shù)據(jù)庫(kù)及時(shí)調(diào)出用戶詳細(xì)信息。此類(lèi)產(chǎn)品成本相對(duì)較高，一般用戶難以接受。而基于傳感器技術(shù)的報(bào)警系統(tǒng)已成為主流，如采用溫度傳感器、門(mén)磁感應(yīng)傳感器和紅外對(duì)射傳感器的報(bào)警系統(tǒng)。其中紅外對(duì)射傳感器的接收器不斷接收發(fā)射器發(fā)射過(guò)來(lái)的紅外信號(hào)，當(dāng)有人從中間經(jīng)過(guò)擋住了紅外信號(hào)，就會(huì)發(fā)出報(bào)警。由于紅外對(duì)射距離非常遠(yuǎn)，抗 干擾能力強(qiáng)，因此可以有效檢測(cè)盜竊入室。但由于目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的數(shù)字家居安防系統(tǒng)的架構(gòu)主要基于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，普遍存在著布線煩瑣、施工周期長(zhǎng)、后期維護(hù)困難、可擴(kuò)展性差等問(wèn)題，限制了它在數(shù)字家居系統(tǒng)中的應(yīng)用。 針對(duì)以上情況，我們?cè)O(shè)計(jì)基于電池供電的低功耗無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的安防報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)采用超低功耗單片機(jī) MSP430[2]作為 MCU，嵌入 ZigBee 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，使用紅外對(duì)射傳感器、室內(nèi)檢測(cè)模塊全方位檢測(cè)異常信號(hào)，然后將檢測(cè)到的異常信號(hào)通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送到遠(yuǎn)端 基站 ，以啟動(dòng)報(bào)警設(shè)備進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)嵌入 CC2430 的ZigBee 模塊，可以組建無(wú)線星狀網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和簇狀網(wǎng)絡(luò)。 Zigbee 節(jié)點(diǎn)有幾十米的覆蓋范圍，且可以增加路由節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)展覆蓋范圍 。 傳感器節(jié)點(diǎn)可自由靈活地加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，具有低功耗和低成本的特點(diǎn)。 本文分為 六 章。第一章介紹本次設(shè)計(jì)的背景知識(shí) ；第二章簡(jiǎn)單介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和家庭安防系統(tǒng)； 第 三 章 介紹總體設(shè)計(jì)和 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境 ； 第 四 章詳細(xì)介紹 4 各個(gè)模塊 硬件 設(shè)計(jì) ； 第 五 章描述軟件的設(shè)計(jì) ；第六章為硬件以及軟件的調(diào)試 。 2 概 述 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ WSN） 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ WSN）即隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù) 處理單元和通信單元的微小節(jié)點(diǎn)，通過(guò)自組織的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。它 是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，它集成了傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)三大技術(shù)，目的是感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋圍內(nèi)感知對(duì)象的信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給觀察者，是以數(shù)據(jù)處理為中心的系統(tǒng)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ WSN）的結(jié)構(gòu) 傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量體積小、成本低、具有無(wú)線通信、傳感、數(shù)據(jù)處理功能的傳感器節(jié)點(diǎn)（ sensor node）組成的。每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換器）、數(shù)據(jù)處理和控制模塊（微處理器、存儲(chǔ)器）、通信模塊 （無(wú)線收發(fā)器）和供電模塊（電池、 DC/DC 能量轉(zhuǎn)換器）等組成，如圖 所示。 數(shù) 據(jù) 采 集 模 塊傳 感 器A / D 轉(zhuǎn) 換 器數(shù) 據(jù) 處 理 和 控 制微 處 理 器存 儲(chǔ) 器數(shù) 據(jù) 處 理 和 控 制無(wú) 線 收 發(fā) 器 供 電 模 塊電 池D C / D C 轉(zhuǎn) 換 器 圖 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊 傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖 所示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能都是相同的，大量傳感器節(jié)點(diǎn)被布置在整個(gè)被觀測(cè)區(qū)域中，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)將自己所探測(cè)到的有用信息通過(guò)初步的數(shù)據(jù)處理和信息融合之后傳送給用戶，數(shù)據(jù)傳送的過(guò)程是通過(guò)相鄰節(jié)點(diǎn)的接力傳送的方式傳送回基站，然后再通過(guò)基站以衛(wèi)星信道或者有線網(wǎng)絡(luò)連接的方式傳送 5 給最終用戶。 圖 傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ WSN）的特點(diǎn) 和功用 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)有： (1)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、密度高。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的微型化，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信和傳感半徑很有限，一般為十幾米范圍之內(nèi)，而且為了節(jié)能，傳感器節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，所以往往通過(guò)鋪設(shè)大量的傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。 (2)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)有一定的故障率。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)可能工作在惡劣的外界環(huán)境之中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)由于各種不可預(yù)料的原因而失效，為了保證網(wǎng)絡(luò)的正常工作，要求傳感器網(wǎng)絡(luò)必須設(shè)計(jì)成具有一定的容錯(cuò)能力，允許傳感器節(jié)點(diǎn)具有一 定的故障率。 (3)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在電池能量、計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量等方面有限制。由于傳感器節(jié) 點(diǎn) 微型化，節(jié)點(diǎn)的電池能量有限，而且由于物理限制難以給節(jié)點(diǎn)更換電池，所以傳感器節(jié)點(diǎn)的電池能量限制是整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的約束之一，它直接決定了網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。另一方面，傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限，使得其不能進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，傳統(tǒng) Inter 網(wǎng)絡(luò)上成熟的協(xié)議和算法對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)而言開(kāi)銷(xiāo)太大，難以使用，必須重新設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單有效的協(xié)議及算法。 (4)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化很快。 (5)以數(shù)據(jù)為中心（ data centric）。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中人們只關(guān)心某個(gè)區(qū)域的某個(gè)觀測(cè)指標(biāo)的值，而不會(huì)去關(guān)心具體某個(gè)節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。 6 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能是借助于節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的傳感器測(cè)量周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號(hào) ,從而探測(cè)包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等物質(zhì)現(xiàn)象。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興網(wǎng)絡(luò)，具有微型化、容錯(cuò)性、高靈活性、布網(wǎng)快速等優(yōu)點(diǎn)，它的應(yīng)用極為廣泛，可以用于軍事、環(huán)境、醫(yī)療保健、空間探索及各種商業(yè)應(yīng)用。在軍事上，由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織性、容錯(cuò)能力，特別適合惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，能很 好完成敵方信息的搜集和處理工作。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)大面積、低成本、隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)能方便地獲取環(huán)境科學(xué)中需要的隨機(jī)信息的監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)，例如監(jiān)測(cè)海洋、大氣、降雨量、土壤成分等。通過(guò)置于病人身上的傳感器，醫(yī)生可監(jiān)測(cè)病人的生理情況，更全面及時(shí)地了解病況，并能為遠(yuǎn)程醫(yī)療提供幫助。在空間探索方面，可利用傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)外部空間進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間探測(cè)，以獲得更多數(shù)據(jù)。無(wú)線傳感網(wǎng)的自組織、微型化、高感知能力，使其具有極為廣泛的商業(yè)運(yùn)用，如服務(wù)業(yè)采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)商品流通、服務(wù)環(huán)境秩序、金融流通安全等。在各種社會(huì)活動(dòng)中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng) 用更是舉不勝舉。 家庭安防系統(tǒng) 傳統(tǒng)家庭安防的方法 早期的家庭安防的方法很簡(jiǎn)單，如防盜鎖，防盜門(mén)等，在一定程度上保證了家庭的安全，但如果是家庭內(nèi)部發(fā)生了意外情況，比如煤氣泄露，發(fā)生火災(zāi)等，都是無(wú)法及時(shí)處理的。隨著人們生活節(jié)奏的加快，現(xiàn)代人們多忙于工作學(xué)習(xí)，家中無(wú)人的情況比較多，入室行竊，煤氣泄露，火災(zāi)等時(shí)有發(fā)生，外出時(shí)難免會(huì)為家庭的安全擔(dān)心，像以前安裝原始的“鐵柵欄”，一方面非常不雅觀，有礙市容；另一方面當(dāng)有危險(xiǎn)情況，極有可能將主人困在家中而無(wú)法逃生。 智能化的家庭安防系統(tǒng)越來(lái)越引起人們 的注意，特別適合于家中無(wú)人的情況，通過(guò)安裝多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，主人可以輕松的掌握家里的各種情況，具有很好的擴(kuò)展性，但由于其價(jià)格昂貴，還沒(méi)有達(dá)到普及的狀況，只有少數(shù)的小區(qū)安裝了這樣的智能安防網(wǎng)絡(luò)。 在這樣的背景下，人們希望有一個(gè)面向普通居民、價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠的自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，能夠及時(shí) 發(fā)現(xiàn) 發(fā)生的異常情況，把損失降到最低。 基于無(wú)線傳感器的家庭安防網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn) 7 傳統(tǒng)的 家庭安防 系統(tǒng)類(lèi)似大體可以分為四種：防盜 防 火報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)，門(mén)禁系統(tǒng)、環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，視頻監(jiān)視系統(tǒng) ，各個(gè)系統(tǒng)的傳感器都有線地連接在基站節(jié)點(diǎn)上，造成了 布線復(fù)雜，成本增加，安全性降低，維護(hù)力度大等一系列的問(wèn)題。 圖 傳統(tǒng)家庭安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 如上圖所示，由于基站的接口有限，就只能連接有限的傳感器節(jié)點(diǎn)，減少了安防的多面性，如果想接連更多的傳感器節(jié)點(diǎn)，就不得不增加基站的個(gè)數(shù)，布線也會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，成本也就隨著增加了。 一旦發(fā)生危險(xiǎn)，可能造成節(jié)點(diǎn)與基站斷開(kāi)連接，造成無(wú)法通信信息。 綜上所述可以很容易的得出基于無(wú)線傳感器的家庭安防網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，省卻了布線的繁雜，同時(shí)也保證了網(wǎng)絡(luò)的安全性，降低了成本。可以方便地根據(jù)實(shí)際情況增加或減少傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，具有很強(qiáng)的 靈活性，無(wú)論從智能化程度，還是從安裝使用便利程度上看都是絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。 針對(duì)這一現(xiàn)狀本課題將設(shè)計(jì)基于無(wú)線傳感器的家庭安防網(wǎng)絡(luò) 裝置 ，增加了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性。 8 3 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)由一個(gè)基站和多個(gè)監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，它們之間采用基于 ZigBee 技術(shù)的無(wú)線通信。圖 是總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 CCCCCC房 間 中 放 置 煙 霧 、 煤 氣 傳 感 器 節(jié) 點(diǎn) ， 無(wú)人 時(shí) 監(jiān) 視 室 內(nèi) 環(huán) 境 ， 可 移 動(dòng) 放 置 ， 需 要使 用 時(shí) 打 開(kāi) ， 打 開(kāi) 即 可 連 入 網(wǎng) 絡(luò) 。安 裝 在 窗 戶 上 的 紅 外 線 對(duì) 射 傳 感 器 節(jié) 點(diǎn) ，監(jiān) 視 入 侵 信 號(hào) ， 同 時(shí) 接 收 室 內(nèi) 節(jié) 點(diǎn) 傳 送 來(lái)的 數(shù) 據(jù) 。 當(dāng) 監(jiān) 測(cè) 到 入 侵 信 號(hào) 或 接 收 到 室 內(nèi)節(jié) 點(diǎn) 傳 送 來(lái) 的 數(shù) 據(jù) 時(shí) ， 傳 送 數(shù) 據(jù) 給 基 站 ，告 知 基 站 異 常 信 號(hào) 類(lèi) 型 ?；?站 接 收 各 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 傳 送 來(lái) 的 數(shù) 據(jù) ，判 斷 險(xiǎn) 情 類(lèi) 型 ， L C D 顯 示 ， 并 進(jìn) 行 語(yǔ)音 報(bào) 警 ， 自 動(dòng) 撥 號(hào) 報(bào) 警 。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 基站由 ZigBee 無(wú)線通信模塊 實(shí)時(shí)接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò) RS232串 口 發(fā)送給上位機(jī)，上 位機(jī)軟件 對(duì) 數(shù)據(jù) 進(jìn)行處理 ，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)值，并對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警 。 每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)由一個(gè)或多個(gè)室內(nèi)檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)窗上紅外線對(duì)射節(jié)點(diǎn)組成。 室內(nèi)節(jié)點(diǎn)裝有煙霧、煤氣、溫度傳感器，監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境，但檢測(cè)到室內(nèi)異常險(xiǎn)情時(shí)，將險(xiǎn)情類(lèi)型傳送給窗上節(jié)點(diǎn)，再由窗上節(jié)點(diǎn)將險(xiǎn)情類(lèi)型傳送給基站。室內(nèi)節(jié)點(diǎn)在需要使用時(shí)打開(kāi)，打開(kāi)即可連入網(wǎng)絡(luò)，不需要使用時(shí)可以關(guān)閉。紅外線對(duì)射節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)從窗戶入侵到室內(nèi)的險(xiǎn)情，檢測(cè)到險(xiǎn)情后將入侵險(xiǎn)情傳送給基站，或者接收到從室內(nèi)節(jié)點(diǎn)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，將此數(shù)據(jù)傳送給基站，讓基站進(jìn)行報(bào)警。 傳感器節(jié)點(diǎn)采用 MSP430 超 低功耗單片機(jī)作為 MCU，紅外線對(duì)射節(jié)點(diǎn)功耗低，可以采用電池供 9 電， 3V 鋰電池供電可以用半年至 1 年，這樣為安裝傳感器節(jié)點(diǎn)提供了方便。 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境 MSP430 和 CC2430 無(wú)線單片機(jī) 的開(kāi)發(fā)環(huán)境 都 是 IAR Embedded Workbench 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境， IAR Embedded Workbench 是支持眾多知名半導(dǎo)體公司的微處理器的 C編譯器，是全球領(lǐng)先的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具和服務(wù)的供應(yīng)商 IAR Systems 的產(chǎn)品 。 IAR Embedded Workbench 可以對(duì) MSP430 和 CC2430 單片機(jī) C語(yǔ) 言進(jìn)行編譯、在線 JTAG 仿真和下載。 對(duì)于硬件，我們使用的開(kāi)發(fā)環(huán)境是 Protel99SE。 Protel99SE是應(yīng)用于 Windows9X/ 2021/NT 操作系統(tǒng)下的 EDA 設(shè)計(jì)軟件，采用設(shè)計(jì)庫(kù)管理模式，可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力和開(kāi)放性及 3D模擬功能，是一個(gè) 32位的設(shè)計(jì)軟件，可以完成電