【正文】 ......................................................................... 36 1 基于 MSP430 的無線家庭安防裝置 摘 要： 隨著人們生活水平的提高，對于家庭安防的要求也越來越高，近年來智能化的家庭安防越來越引起人們的注意。本文主要設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器的家庭安防網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)安全性好，無須布線，布設(shè)方便，功耗低，體積小，成本低，而且具有實(shí)時(shí)性和一定的智能性，可以有效提高家庭安防水平。 wireless sensor。 infrared sensors on the radio。交互式圖像分割算法與其他分割算法的不同之處在于：對圖像實(shí)施自動(dòng)分割的過程中，操作者對圖像分割進(jìn)行干預(yù)和控制。 無線傳感器網(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)。它是當(dāng)前對人類生活方式產(chǎn)生重大影響的研究熱點(diǎn)之一 [1]?；跓o線傳感器的家庭安防網(wǎng)絡(luò)，是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到家庭安防中的產(chǎn)品。 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。如：將用戶和公安部門聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)用戶家里出現(xiàn)警情會(huì)撥號(hào)到公安部門，并通過已經(jīng)建立的數(shù)據(jù)庫及時(shí)調(diào)出用戶詳細(xì)信息。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、門磁感應(yīng)傳感器和紅外對射傳感器的報(bào)警系統(tǒng)。由于紅外對射距離非常遠(yuǎn)，抗 干擾能力強(qiáng)，因此可以有效檢測盜竊入室。 針對以上情況，我們設(shè)計(jì)基于電池供電的低功耗無線傳感器節(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 無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，使用紅外對射傳感器、室內(nèi)檢測模塊全方位檢測異常信號(hào)，然后將檢測到的異常信號(hào)通過無線方式發(fā)送到遠(yuǎn)端 基站 ，以啟動(dòng)報(bào)警設(shè)備進(jìn)行報(bào)警。 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 。 本文分為 六 章。 2 概 述 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ WSN） 無線傳感器網(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)，通過自組織的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。 無線傳感器網(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。 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 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。 圖 傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ WSN）的特點(diǎn) 和功用 無線傳感器網(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。 (2)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)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。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)議和算法對傳感器網(wǎng)絡(luò)而言開銷太大，難以使用，必須重新設(shè)計(jì)簡單有效的協(xié)議及算法。 (5)以數(shù)據(jù)為中心（ data centric）。 6 無線傳感器網(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。在軍事上，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織性、容錯(cuò)能力，特別適合惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境，能很 好完成敵方信息的搜集和處理工作。通過置于病人身上的傳感器，醫(yī)生可監(jiān)測病人的生理情況，更全面及時(shí)地了解病況，并能為遠(yuǎn)程醫(yī)療提供幫助。無線傳感網(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。 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單，如防盜鎖，防盜門等，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，都是無法及時(shí)處理的。 智能化的家庭安防系統(tǒng)越來越引起人們 的注意，特別適合于家中無人的情況，通過安裝多個(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)。 基于無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)類似大體可以分為四種：防盜 防 火報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)，門禁系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(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題。 一旦發(fā)生危險(xiǎn)，可能造成節(jié)點(diǎn)與基站斷開連接，造成無法通信信息?？梢苑奖愕馗鶕?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，無論從智能化程度，還是從安裝使用便利程度上看都是絕對的優(yōu)勢。 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)測傳感器節(jié)點(diǎn)組成，它們之間采用基于 ZigBee 技術(shù)的無線通信。 CCCCCC房 間 中 放 置 煙 霧 、 煤 氣 傳 感 器 節(jié) 點(diǎn) ， 無人 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 ， 打 開 即 可 連 入 網(wǎng) 絡(luò) 。 當(dāng) 監(jiān) 測 到 入 侵 信 號(hào) 或 接 收 到 室 內(nèi)節(jié) 點(diǎn) 傳 送 來 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 型 。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 基站由 ZigBee 無線通信模塊 實(shí)時(shí)接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，通過 RS232串 口 發(fā)送給上位機(jī)，上 位機(jī)軟件 對 數(shù)據(jù) 進(jìn)行處理 ，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測值，并對異常情況進(jìn)行報(bào)警 。 室內(nèi)節(jié)點(diǎn)裝有煙霧、煤氣、溫度傳感器，監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境，但檢測到室內(nèi)異常險(xiǎn)情時(shí)，將險(xiǎn)情類型傳送給窗上節(jié)點(diǎn)，再由窗上節(jié)點(diǎn)將險(xiǎn)情類型傳送給基站。紅外線對射節(jié)點(diǎn)監(jiān)測從窗戶入侵到室內(nèi)的險(xiǎn)情，檢測到險(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。 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境 MSP430 和 CC2430 無線單片機(jī) 的開發(fā)環(huán)境 都 是 IAR Embedded Workbench 集成開發(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)開發(fā)工具和服務(wù)的供應(yīng)商 IAR Systems 的產(chǎn)品 。 對于硬件，我們使用的開發(fā)環(huán)境是 Protel99SE。 10 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 基站模塊設(shè)計(jì) 基站最大的特點(diǎn)在于 它能與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，不需要有線的連接，這種體系結(jié)構(gòu)具有很好的擴(kuò)展性，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。 CC2430 無線 單片機(jī) CC2430 是一顆真正的系統(tǒng)芯片 (SoC)CMOS 解決方案。它結(jié)合一個(gè)高性能 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。它使用 1 個(gè) 8 位 MCU（ 8051），具有 128 KB 可編程閃存和 8 KB 的 RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC)、幾個(gè)定時(shí)器（ Timer）、 AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器（ Watchdog timer）、 32 kHz 晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路 (Power On Reset)、掉電檢測電路 (Brown out detec tion)，以及 21 個(gè)可編程 I/O 引腳。 CC2430 的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。 本課題使用旭昂公司推出一個(gè)符合 ZigBee 的 SOC 的單體芯片 CC2430 和協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)方案 TSZigBeeCC2430 無線模塊 ，如圖 所示 。 CC2430 無線模 塊的電路如圖 所示。 串口是計(jì)算機(jī)上一種非常通用設(shè)備通信的協(xié)議（不要與通用串行總線 Universal Serial Bus 或者 USB 混淆）。串口同時(shí)也是儀器儀表設(shè)備通用的通信協(xié)議；很多 GPIB兼容的設(shè)備也帶有 RS232口。盡管比按字節(jié)（ byte）的并行 通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)。比如 IEEE488 定義并行通行狀態(tài)時(shí)，規(guī)定設(shè)備線總長不得超過 20米，并且任意兩個(gè)設(shè)備間的長度不得超過 2 米；而對于串口而言，長度可達(dá) 1200 米。通信使用 3 根線完成：（ 1）地線，（ 2）發(fā)送，（ 3）接收。其他線用于握手，但是不是必須的。 CC2430單片機(jī)的 和 口用作串行通信的收發(fā)端口， 由于單片機(jī)引腳信號(hào)為 3V TTL 電平信號(hào)，需要通過 MAX3232 芯片轉(zhuǎn)換成 RS232 信號(hào)與 PC 串口相連。 圖 MAX3232串行通信接口電路 13 MAX3232 芯片含有兩路發(fā)送器和接收器， T1IN、 T2IN、 R1OUT、 R2OUT 為接 TTL電平的引腳， T1OUT、 T2OUT、 R1IN、 R2IN 為接 RS232C 電平的引腳。 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) 網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)用 MSP430 超低功耗單片機(jī)作為 MCU，采用紅外對射傳感器檢測入侵，環(huán)境檢測傳感器檢測室溫、煙霧和煤氣等可燃?xì)怏w，并通過 ZigBee 組建無線通信網(wǎng)絡(luò)將檢測信號(hào)發(fā)送到遠(yuǎn)端基站。稱之為混合信號(hào)處理器 ，主要是由于其針對實(shí)際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供 “ 單片 ” 解決方案。 首先， MSP430 系列單片機(jī)的電源電壓采用的是 ~ 電壓。 其次，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。有的使用一個(gè)晶體振蕩器 （ 32768Hz） , 有的使用兩個(gè)晶體振蕩器。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對總體功耗的控制。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式 （ AM） 和五種低功耗模式 （ LPM0~LPM4） 。 MSP430 系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。其中，看門狗可以使程序失控時(shí)迅速復(fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出 A/D 轉(zhuǎn)換器 ；16 位定時(shí)器 （ Timer_A 和 Timer_B） 具有捕獲 /比較功能，大量的捕獲 /比較寄存器，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實(shí) 現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的 I/O 端口，最多達(dá) 6*8 條 I/O 口線； P0 、 P1 、 P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入； 12/14 位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá) 200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá) 160 段；實(shí)現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換；硬件 IIC 串行總線接口實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器串行擴(kuò)展；以及為了增 加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用直接數(shù)據(jù)傳輸（ DMA ）模塊。 目前 MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三種類型的器件，這些器件的開發(fā)手段不同。這種方式只需要一臺(tái) PC 機(jī)和一個(gè) JTAG 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。 MSP430 單片機(jī)目前主要以 FLASH 型為主。 MSP430F1xx MCU 系列提供業(yè)界較低的電流消耗，工作電壓為 V，實(shí)時(shí)時(shí)鐘待機(jī)電流的消耗僅為 μA ，而運(yùn)行模式電流低至 300 μA (1 MHz) ，從休眠至正常工作整個(gè)喚醒過程僅需 6 μs 。 15 圖 MSP430單片機(jī)系統(tǒng)電路圖 單片機(jī)的 、 端口設(shè)置成 串口 0（ USART0）的收發(fā)口 與 CC2430 單片機(jī)的 和 口相連，他們之間實(shí)現(xiàn)串口通信，如圖 所示。 M C U M o d u l e T x D R x DC C 2 4 3 0R x D T x D 圖 MSP430與 CC2430的連接 紅外 線對射模塊設(shè)計(jì) 紅外線對射傳感器節(jié)點(diǎn)有紅外線發(fā)射模塊和紅外線接收模塊兩部分，都是采用電池供電，紅外線接收模塊部分具有 MCU 和射頻。為了增加紅外線監(jiān)測區(qū)，紅外線采用 38KHz 脈沖調(diào)制方式發(fā)射，由于紅外線收發(fā)裝置的有效作用距離有限 ,所以必須最大限度地減小光源能量的損失 ,使發(fā)光二極管的光源能量盡量被光敏三極管接收 ,為此采用集成芯片組成的紅外接收電路對發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行接收、放大、整形 ,再送至單片機(jī)。當(dāng)有人通過紅外線發(fā)射管及紅外線接收管所構(gòu)成的警戒線時(shí) , 接收管接收不到紅外光將輸出高電平給單片機(jī)，單片機(jī)產(chǎn)生中斷向基站發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 M S P 4 3 0M C UZigBee3 8 K H z載 波振 蕩器 紅外