【文章內容簡介】 ， 造成 zigbee 網絡的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸問題。為了解決這一問題在網絡的建立時采用一種機制 — zigbee 網絡自適應 — 使整個網絡中的主設備負載均衡 ， 解決網絡瓶頸問題。另一方面在網絡建立后由于種種原因 ,比如網絡終端設備脫離網絡 ， 終端設備出現(xiàn)故障等。這些都有可能引起網絡的不均衡 ,網絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問題 ， 當出現(xiàn)這種現(xiàn)象時自適應機制也要能使網絡的各個部分負載均衡。 均衡過程 (1)對于中心設備在建立網 絡過程時發(fā)起網絡建立消息 。 使各個主設備加入網絡 ， 這時中心設備封閉所有主設備的終端設備加入信號 ， 計算單位時間內各個 10 主設備數(shù)據(jù)總量 ， 并計算單位時間內的數(shù)據(jù)值 ， 存儲該值 ， 掃面存儲所有主設備的這個值 ， 搜索一個最小值 ， 打開相對應的主設備的終端設備加入信號 ， 一個設備加入 ， 關閉該信號 ， 再重新掃描所有主設備的這個值 ， 再搜索一個單位時間內數(shù)據(jù)值最小的一個主設備打開終端設備加入信號 ， 接受終端設備加入 ， 反復操作 ，直到所有的終端設備加入整個網絡 ， 建立起整個 zigbee 網絡 ， 這時記下最大值和最小值之間的差值。在網絡建立后通訊過程中設 置定時器定期掃面所有主設備單位時間內的通訊數(shù)據(jù)值 ， 假如最大值和最小值的差大于差值 ， 那么就讓最大值相對應的主設備的某個終端設備脫 離該主設備而加入最小值的主設備 ， 如此反復使網絡始終處于一個平衡狀態(tài)。 (2)對于終端設備來說 ， 按一定的采集頻率采集數(shù)據(jù)發(fā)送到主設備 ， 主設備把所有的終端設備的數(shù)據(jù)全部發(fā)送到中心設備 ， 中心設備存儲這些數(shù)據(jù)處理。 結果分析 Zigbee 大型網絡的搭建需要一定的環(huán)境 ,在軟件模擬的情況下對所設計的自適應機制進行測試 ， 在三種狀態(tài)下對自適應機制進行測試 ,分別是理想狀態(tài)、自適應機制狀態(tài) 和無自適應機制狀態(tài) ， 得到 zigbee 網絡的數(shù)據(jù)處理效率圖 ： 22 Zigbee 網絡的數(shù)據(jù)處理效率圖 zigbee 自適應機制的網絡與無自適應機制情況下相比通訊效率要高的多 ， 有效的解決了 zigbee 網絡在數(shù)據(jù)傳輸中的瓶頸問題。 理想狀態(tài)下效率 自適應網絡的效率 無自適應網絡的效率 0 TatolDate 11 3 傳感器節(jié)點和網關設計 系統(tǒng)功能 智能家居安防系統(tǒng)主要由前端傳感器、網絡信號傳輸系統(tǒng)和系統(tǒng)控制中心等組成。它是一個綜合性的應用系統(tǒng)，涉及網絡技術、嵌入式技術和傳感器技術等多方面的技術 ，主要包括 被動式熱釋電紅外傳 感器、門磁傳感器、感煙傳感器、感溫傳感器、可燃氣體傳感器等。 系統(tǒng)結構 智能家居安防系統(tǒng) 可以在物業(yè)管理、消防、水、電、煤等方面提供多方位的服務，為人們提供高效、安全、便利的生活空間，給用戶帶來全新的時尚、舒適、智能的生活體驗。 圖 31 智能家居系統(tǒng)結構模擬圖 系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境 CodeBlocks 是一個免費開源功能強大的跨平臺的標準 C++集成開發(fā)環(huán)境，在同類的 IDE 中，算得上時佼佼者。 雖然 Code Blocks 從一開始就追求跨平 臺目標，但是最初的開發(fā)重點是Windows 系統(tǒng)下的版本，從 06 年 3 月 21 日版本： revision 2220 開始，CodeBlocks 在它的每日構建中正式提供 Linux 版本（分兩個版本： 和）。這樣 CodeBlocks 在 發(fā)布時就會是跨越平臺的 C/C++IDE，它將支持 Windows 和 Linux 的主要版本。長期以來 C++開發(fā)員在 Linux 沒有好用、通紅外 煙霧 可燃氣體 感溫 控制節(jié)點 控制節(jié)點 控制節(jié)點 控制節(jié)點 終 端 節(jié) 點 控制平臺中心 12 用的 C++ IDE 的局面就要結束。而這個 IDE 對于 Windows 下的用戶同樣重要，由于它開放源碼的特點， Windows 用戶可以不依賴于 ，編寫跨平臺 C++應用。 CodeBlocks 提供了許多工程模板，這包括：控制臺應用、 DirectX 應用、動態(tài)連接庫、 FLTK 應用、 GLFW 應用、 Irrlicht 工程、 OGRE 應用、 OpenGL 應用、QT 應用、 SDCC 應用、 SDL 應用、 SmartWin 應用、靜態(tài)庫、 Win32GUI 應用、wxWidgets 應用、 wxSmith工程，另外它還支持用戶自定義工程模板。在 wxWidgets應用中選擇 UNICODE 支持中文。 CodeBlocks 支持語法彩色醒目顯示，支持代碼完成（目前正在重新設計過程中）支持 工程管理 、項目構建、調試。 CodeBlocks 支持插件，目前的插 件包括代碼格式化工具 AStyle；代碼 分析器 ；類向導；代碼補全；代碼統(tǒng)計；編譯器選擇；復制字符串到剪貼板；調試器；文件擴展處理器； DevC++ DevPak 更新 /安裝器； DragScroll，源碼導出器，幫助插件， 鍵盤快捷鍵 配置，插件向導； ToDo 列表； wxSmith；； wxSmith MIME插件； wsSmith 工程向導插件； WindowsXP 外觀。 CodeBlocks 具有靈活而強大的配置功能，除支持自身的工程文件、 C/C++文件外，還支持 AngelScript、 批處理 、 CSS 文件、 D 語言 文件、 Diff/Patch 文件、Fortan77 文件、 GameMonkey 腳本文件 、 Hitachi 匯編文件、 Lua 文件、 MASM 匯編文件、 Mathlab 文件、 NSIS 開源安裝程序文件、 Ogre Compositor 腳本文件、Ogre Material 腳本文件、 OpenGL Shading 語言文件、 Python 文件、 Windows 資源文件、 XBase 文件、 XML文件 、 nVidiacg文件。識別 DevC++工程、 MS VS 工程文件，工作空間、解決方案文件。 CodeBlocks 基于 wxWidgets 開發(fā)，正體現(xiàn)了 wxWidgets 的強大。以前 Borland C++ Builder X 宣稱基于 wxWidgets 開發(fā)跨平臺、兼容性好、最優(yōu)秀的 C++ IDE環(huán)境，但沒有實現(xiàn)；現(xiàn)在 Code::Blocks+GNU GCC 正在實現(xiàn)這個理想。讓我們拭目以待。國內的 CodeBlocks 愛好者和跨平臺開發(fā)員應該盡快建立中文CodeBlocks 網站，提供 CodeBlocks 中文化支持，促進 CodeBlocks 在國內的發(fā)展。 13 4 智能家居安防子系統(tǒng)中央控制平臺總體設計 控制平臺功能與結構 家庭監(jiān)控網絡可以看作是一種傳感器網絡，網絡的節(jié)點和各種與家庭環(huán)境相關的傳感器相連，可以隨機或固定地布置在需要監(jiān)控的環(huán)境中。各節(jié)點之間通過特定的協(xié)議自 組織起來，獲取家庭環(huán)境的信息并且相互協(xié)同工作，完成對家庭環(huán)境進行監(jiān)控的任務。家庭監(jiān)控網絡具有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小、要求數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性好、網絡容量大等特點，而且還應保證數(shù)據(jù)傳送過程中的安全性和可靠性。 根據(jù)家庭監(jiān)控網絡的特點，本文設計的家庭監(jiān)控網絡架構如圖所示。其中，網絡中的終端節(jié)點構成了信息采集模塊，各個終端節(jié)點連接監(jiān)測家庭環(huán)境的傳感器等 設備，負責將收集到的安防信息通過路由節(jié)點發(fā)送至系統(tǒng)控制中心。 圖 41 家庭監(jiān)控網絡 14 圖 42 家庭網絡監(jiān)控節(jié)點圖 目前，家庭監(jiān)控網絡主要包括有線和無線兩種實現(xiàn)方 式。隨著大量、廉價和高度集成的無線模塊的普及，無線網絡技術應用于家庭監(jiān)控網絡已經成為勢不可擋的趨勢。這不僅僅因為無線網絡可以提供更大的靈活性，省去了花在綜合布線上的費用和精力，而且它更符合家庭監(jiān)控網絡通信的特點。 短距離無線通信技術選擇 由于家庭監(jiān)控網絡的覆蓋范圍僅限于家庭內部，所以對于通信距離的要求不高 。在家庭監(jiān)控網絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只是一些報警信息，數(shù)據(jù)量很小，因此對于數(shù)據(jù)傳輸速率的要求也不高家庭監(jiān)控網絡中的各個節(jié)點分布在每個家庭需要監(jiān)控的區(qū)域，節(jié)點比較分散，采用電池供電，因此要求網絡節(jié)點的功 耗不能太大。 藍牙 (BlueTooth)主要應用于高服務質量、多樣的任務周期、中等數(shù)據(jù)傳輸率的平等靜態(tài)的具有活躍節(jié)點的無線網絡中，它的傳輸距離和功耗都無法滿足家庭監(jiān)控網絡的要求。 WiFi 主要應用于有穩(wěn)定電源，要求較高數(shù)據(jù)處傳輸速率的場合。它是一種高速率傳輸協(xié)議，用在家庭監(jiān)控網絡上有些大材小用，而且價格昂貴、功耗太大。 15 Zware 主要應用于中等數(shù)量設備、不頻繁使用、小數(shù)據(jù)量的場合〔酮，比較適合用于構建家庭監(jiān)控網絡。然而各國對無線頻段的使用都有嚴格的規(guī)定，大部分頻段需要許可才可以使用，不過各國的無線電管理 部門也規(guī)定了一些不需要許可就可以使用的頻段。中國目前可以使用的免費頻段是 433MHZ、 和整個低于 135kHz 的頻段。 Zware 的工作頻段在國內不屬于免費頻段，因此，Zware 技術也不適合組建本系統(tǒng)的家庭監(jiān)控網絡。 而 ZigBee 則主要是應用在低能耗、低花費的靜態(tài)及動態(tài)的具有很多活躍節(jié)點的無線網絡中。它看起來更接近于藍牙，但比藍牙更為簡單，具有更低的傳輸速率和功率消耗，大多數(shù)時間處于睡眠狀態(tài)，尤其適用于那些不需要實時傳輸或連續(xù)更新的場 Z?根據(jù)上述各種技術的特點，本系統(tǒng)最終選用 ZigBee 技術構 建智能家居監(jiān)控網絡。 ZigBee 技術基本解決了現(xiàn)有無線家居安防系統(tǒng)存在的一些問題，更符合家庭監(jiān)控網絡的要求 ： (1)采用 ZigBee 技術構建家庭監(jiān)控網絡，避免了綜合布線的麻煩，也減少了系統(tǒng)安裝成本 。 (2)ZigBee 網絡是主從式網絡，最多可以支持超過 64， 000 個 ZigBee 網絡節(jié)點，符合家庭監(jiān)控網絡的要求，同時也足以滿足系統(tǒng)擴展的要求 。 (3)ZigBee 芯片是超低功耗的無線收發(fā)芯片，而且具有休眠模式，加之設備的搜索、休眠激活和信道接入時延都很短，減少了電池使用的成本 。 (4)ZigBee 的媒體接入控制層 (MAC 層 )采用 CSMA/以接入算法，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突，而且 MAC 層支持確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)，從而建立起可靠的數(shù)據(jù)通信模式 。 (5)ZigBee 采用直接序列擴頻技術保證信號傳輸，避免了在 公用頻段的干擾，也解決了現(xiàn)有無線安防產品采用 ASK 調制技術所造成的同頻干擾問題 。 (6)ZigBee 提供了基于循環(huán)冗余校驗 (CRC)的數(shù)據(jù)包完整性校驗，支持鑒權和認證，并在數(shù)據(jù)傳輸中采用 AES 一 128 加密技術，保證了安防系統(tǒng)的安全性能。 ZigBee 開發(fā)平臺的建立 ZigBee 提供了一個標準化的網絡和應用框架，可以在此基礎上建立應用而無須擔心聯(lián)網和射頻問題的煩擾。然而，單靠其自身， ZigBee 標準化框架不能 16 保證產品的順利開發(fā)。為了創(chuàng)建兼容 ZigBee 的應用，不同供應商提供了各種各樣的產品，包括 RF 收發(fā)器、微控制器、閃存 ROM、供應商專有的協(xié)議棧和應用開發(fā)工具。為了使系統(tǒng)具有更好的兼容性和可擴展性，系統(tǒng)采用了一個集成的硬件 /軟件平臺來進行設計和開發(fā)。 信息采集模塊的技術方案 信息采集模塊最為主要的目的就是將傳感器所 采集到的報警信息通過ZigBee 網絡發(fā)送給系統(tǒng)控制中心，它為智能家居安防系統(tǒng)提供了進行處理和決策所必需的原始信息。因此，它是智能家居安防系統(tǒng)中的關鍵環(huán)節(jié)。 信息采集模塊又可以分為防盜、防燃氣泄漏和防火幾個功能模塊，各個功能模塊都是由傳感器節(jié)點構成的。用戶可以根據(jù)自己的需求選擇不同的功能模塊，這樣既可以最大化地滿足用戶需求，又可以減少系統(tǒng)成本。 傳感器節(jié)點的通用硬件結構形式如圖所示。 CC2430 芯片內置有增強型的8051 微控制器，通過其 1/0 口就可以讀取傳感器單元輸出的數(shù)字信號 ； 供電單元采用的是電池供電 ； 而傳 感器單元則根據(jù)不同的功能需求，采用了不同的傳感器。 圖 43 信息采集模塊結構圖 傳感器獲得信息的正確與否，直接影響整個系統(tǒng)的精度，如果傳感器的誤差較大，則隨后的測量電路、放大電路以及微處理器的精確度再高也是徒勞的，因此正確選用傳感器尤為重要。在設計和選用傳感器時重點考慮以下幾個方面的因素 ： (1)測量條件。如果傳感器選擇不當將會降低系統(tǒng)的可靠性。為此，要從系統(tǒng)總體考慮，明確使用的目的以及使用傳感器的必要性。這首先需要明確傳感器 17 的測量條件，測量條件包括 :測量目的，測量的范圍，輸入信號的帶寬，要求的精度 ，測 量所需要的時間等。 (2)傳感器的性能。設計和使用傳感器時要考慮傳感器的下列性能 :精度、穩(wěn)定性、響應速度、模擬信號或者數(shù)字信號、輸出量及其電平和被測量對象特性的影響等。 (3)傳感器的使用條件。傳感器的使用條件包括傳感器設置的場所、環(huán)境、與其它設備的連接方式以及供電電源容量等。 涉及到的軟硬件介紹 主要硬件 (1)中央處理器 系統(tǒng)控制中心的硬件部分是以中央處理器為核心的，因為所有的設備控制、任務調度、通信協(xié)議轉換和數(shù)據(jù)收發(fā)等任務都需要中央處理器來完成，所以處理器的選擇在系統(tǒng)控制中 心的設計中是至關重要的。以往的安防系統(tǒng)絕大多數(shù)是由單片機控制的，但隨著新功能的不斷增加和性能的不斷提升，單片機的處理能力已