基于物联网的智能防盗报警系统.doc

摘要随着社会的进步发展，人们的生活水平日益提高，物质财富加速积累，人们对优质防盗系统的需求日渐增多。与此同时，为了进一步规范住宅小区智能化建设，必须加快发展家庭智能防盗系统的开发与应用。本系统为家庭智能防盗报警系统，它基于EB2530核心板开发而成，包括主控设备和传感设备。传感设备利用红外热释电传感器探测闯入信号，并通过zigbee无线通信协议发送信息给主控设备，主控设备通过串口与PC机相连，通过上位机显示报警信息来及时通知业主有人闯入监控区。同时，该系统可以通过OLED显示屏及蜂鸣器等及时显示报警信息并发出警报。本文基于无线传感技术的物联网智能家庭防盗系统，实现了智能化，无线化。改善了昔日传统家庭防盗系统可靠性差、易受损、失效快、维护困难、成本高、功耗大等问题，经济实用，是一套完整可行的系统。关键词 无线传感网络 zigbee 低功耗 cc2530AbstractWith the progress of the society development, peoples standard of living is increasing day by day, the material wealth accumulate fast. The demand for high quality security system is much more eager . At the same time, in order to standardize the intelligent residential district construction, we must speed up the development of home intelligent anti-theft system.This system for the home intelligent security alarm system, which is based on EB2530 board, include the main control device and sensing device. Sensing device use the infrared pyroelectric sensor to detect the signals, and to send information to the master device through the zigbee wireless communication protocol, main control devices are connected to the PC via a serial port, and inform the owner someone was broken into monitoring area through PC display alarm information. At the same time, the system can use the OLED yand buzzer to show the alarm information in time. On the basis of wireless sensor technology in Zigbee, the household Intelligentanti-theft system becomes intelligentialized, wireless, economical and practical from unreliable, vulnerable, short validity, difficult to maintain, high cost, large power consumption, etc. This system is designed to be comprehensive and practical.Keywords: wireless sensor network；Zigbee; low-power consumption; cc2530目录第 1 章 绪论11.1研究背景和研究意义11.2国内外智能防盗系统现状21.3智能防盗系统技术发展趋和前景31.4研究的重点和难点4第 2 章 整体方案的设计52.1 系统功能及组成52.2方案比较分析62.3 ZigBee介绍82.4系统方案设计16第 3 章 硬件设计173.1 主控设备电路173.2 传感设备电路22第 4 章 软件设计274.1 最小系统程序274.2传感设备程序324.3 主控设备程序34第5章 系统测试及结果385.1 传感器测试385.2 主从模块通讯测试395.3显示报警电路测试405.4 系统整体测试：415.5 调试过程中出现的问题43第6章 总结与展望45致 谢46参考文献47附录48附录 外文文献48附录 中文翻译57附录III 部分电路原理图65附录IV 程序部分代码66 第 1 章 绪论基于物联网的智能家庭防盗警报系统在现代智能化建筑中起着重要的安全保障，可有效保障户主家庭的财产安全。随着传感器技术，无线通信技术，集成电子技术的发展，智能家庭防盗报警系统迎来了发展的良机。1.1研究背景和研究意义随着社会的发展，家庭的防盗问题就显得尤为重要。传统的机械式（防盗网、防盗窗）家居防卫在实际使用中暴露出一些隐患，正如国务院下达的关于住宅小区禁止安装防盗网的建议中指出，防盗网带来的问题：影响楼房美观，市容整洁；影响火灾救援通道；给犯罪分子提供便利的翻越条件；时间久了会有高空坠物的危险；压抑人性自由。所以作为新一代的智能家居安全防盗报警器系统就应运而生，并日益受到广泛的重视和运用。另外，为了进一步规范住宅小区智能化建设，建设部特别制定了智能小区的等级标准，按照其要求智能小区中必须具有安全防范、信息管理、物业管理和信息网络等系统。因此小区安全防盗系统建设已逐渐纳入许多小区建设的必备项目中了。以深圳为例，几乎所有新建的住宅楼盘都预装了防盗系统，并禁止安装防盗网，而上海、广州、温州、南昌等地更是花费重金拆除了防盗网，其防盗功能则必须由电子防盗系统来完成。1.2国内外智能防盗系统现状1984年世界上第一座智能大厦在美国诞生，很快掀起一股“智能建筑”热潮。在短短的十几年中美国、日本、欧洲的几万座智能大厦纷纷建成，美国1986年成立了“智能建筑协会”，其中会员横跨17个国家，并宣布1995年以后要大幅度增加智能型大楼的比例。日本建设省1985年成立了国家智能建筑专业委员会，对智能建筑的发展给予政策上的支持，使日本在智能建筑上成为发展非常快的国家。据统计，日本新建的建筑物中60%以上是智能型的。进入90年，英国、法国、加拿大、瑞典等国家都相继建成一批有自己特色的智能建筑。美国犹他州emWare公司最近开发成功一项全新理念的安防技术，可使上班的人们透过Internet来监控自家住宅的安全，用户只要在计算机运行的网络测览器软件中用鼠标点击一下，即可使用该技术达到监控的目的。据称，该系统的软件除了可以控制门锁外，还可控制家中的恒温设备、安全设备、娱乐设备等，甚至可用于监护住在家中的病人。我国智能建筑的建设始于1990年，北京的发展大厦可谓是我国智能建筑的雏形，随后建成了北京燕莎中心、上海商城、广州世贸中心、南京禄口机场等一批具有一定智能化的建筑。我国智能住宅与智能小区虽然起步比较晚，但发展速度确实很快。以北京、深圳、上海、广州等较发达的城市为龙头在近几年内形成了一股智能化住宅热。目前，公安部、建设部均要求智能住宅小区必须具有安防系统。可以预见，智能住宅、智能小区将成为未来建筑业的发展主流。特别是在我国，随着人们生活水平的日益提高，住宅小区的智能化程度将成为评价住宅小区的重要指标。1.3智能防盗系统技术发展趋和前景目前，在安防报警系统中所使用的探测器的弊端，其探测方式主要是探测环境物理量和状态的变化，这种探测方式从本质上不具备识别探测目标的视频监控能力。因此，安防报警监控系统会因为某些意外的情况或受环境因素的影响而触发，从而发生误报警。为此，安防报警系统的入侵探测器采用了多个探测元、多技术复合探测以及智能化的数据分析等方法，这些，确实使探测器的性能和功能有了很大的提高，也降低了误报警，但这并未从根本上解决问题。所以，对于风险等级和防护级别较高的场合，安防报警系统必须采用多种不同探测技术组成入侵探测系统来克服或减小由于某些意外的情况或受环境因素的影响而发生误报警，同时加装音频和视频装置，当防区有异常情况时，启动音频和视频系统，对报警防区进行现场监控并且发出语音报警。探测元的结构的改进：典型的是被动红外探测器的探测元结构。多元红外探测器利用不同元的几何位置差与光学系统（菲涅尔镜组）的光学调制作用的配合，产生抑制干扰的作用。以双元为例：由于两个元的几何位置的差异，在其接收来自同一个（运动的）目标的热辐射能量时，就会出现有一个辐度差（接收能量的大小）和相位差（时间上的顺序）。将两个元这样的输出作差分处理就可以提高探测的灵敏度。同时，由于环境因素的干扰（主要是背景温度的变化）对于两个元来讲是相同的，因而没有差分的输出，也就起到了抑制作用。探测技术的组合：将两种不同原理的探测技术组合起来，使其在性能上互补，这是有效的方法，这就是所谓的双鉴探测器。它的出现是探测技术发展的一个重要阶段，是探测器智能化的开始，成为当前高档入侵探测器的主流产品。微波被动红外成为了应用最多的双技术探测器。目前市场上有一种三鉴技术之说，它把探测器信号的智能处理作为一鉴，并不是三种探测技术的组合，其实还是双鉴探测器。1.4研究的重点和难点本文所讲系统基于zigbee协议栈设计而成，系统中包含一个主控模块、一个传感模块。重点和难点在于：1） 协调器与终端之间、协调器与pc机之间通信的建立；2） 传感器及时有效的捕捉闯入信息；3） 系统通过屏幕显示及发出警报来通知业主；作为防盗报警系统，采集闯入信息、驱动报警电路、有效降低误报警几率等也是本设计的重点。第 2 章 整体方案的设计2.1 系统功能及组成现今社会，人民生活水平日益提高，随着个人财产的日益增多，人们对于家庭财产安全的关注度也日益提高，身边一起起的盗窃案无时无刻不给人们敲响警钟，家庭防盗的必要性逐渐显现出来。本文所讲的家庭智能防盗报警系统可以检测到闯入者，并将防盗信息实时通过报警电路发出警报、OLED屏显示等方式传达给业主，有效保障业主生命财产安全。原理系统主要由三大部分组成：无线终端设备、无线集中器、外围报警显示电路。系统总体框图如图2-1所示：图2-1 系统总体框图2.2方案比较分析2.2.1 防盗探测器的选择方案一：热释电红外传感器。凡是存在于自然界的物体，例如人体、火焰等物体都会放射出红外线，只是其发射的红外线的波长不同而已。人体的温度为3637,可辐射出中心波长为910m的红外线。在硅片表面上贴上截止波长为710m的滤光片，只允许波长超过710m的红外线通过，而小于7m的红外线被滤除掉，于是就得到只对人体敏感的热释电红外线传感器。造价便宜，电路简单，适合本设计使用。方案二：超声传感器。超声波穿透性较强，具有一定的方向性，传输过程中衰减较小，反射能力较强。当有人站在传感器前时，由于人体的反射，在接收电路中将检测到信号，这个信号被放大后，输入到单片机中进行判别报警。但是超声传感器驱动电压较高，一般100Vp-p到1500Vp-p之间，在很多低压设备上需要脉冲变压器升压，但也会随之带来一些复杂问题。并且，由于考虑其较为高昂的造价，因此并不适用于本设计。方案三：多普勒传感器。当波源与观测者之间相对运动时，引起波的频率的改变，这种现象称之为多普勒效应。利用多普勒效应可以制成多普勒效应传感器。当人体或物体相对于传感器移动时，反射回来的信号与原信号间产生频移，集成电路再把微弱的频移信号进行放大，再经多普勒检测、放大、限幅等措施，最后取得和物体移动信号响应相关的直流输出电平。虽然多普勒传感器灵敏度高，体积较小等优点，但是其同时有互换性差，信号随温度变化，非线性输出的缺陷，并不适用于本设计。方案比较：经过对比上述三种烟雾传感器的应用特性，发现红外热释电传感器具有本身不发任何类型的辐射、器件功耗很小、隐蔽性好、价格低廉等优点，并且其本身具有较强的抗干扰能力，可有效降低报警系统的误报警率。下面具体介绍其抗干扰能力：（1）防小动物干扰：探测器安装在推荐的使用高度，对探测范围内地面上的小动物，一般不产生报警。（2）抗电磁干扰：探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。（3）抗灯光干扰：探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。因此，本设计采用红外热释电传感器作为防盗探测采集部分的核心。而在众多半导体传感器中，本设计选用HC-SR501传感器，该型号的传感器不但具备一般红外热释电传感器的特性，而且其具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长的优点。2.2.2 传感网络协议选择方案一：采用Zigbee协议，IEEE 802.15.4标准，是针对低速无线个人区域网络制定的标准。该标准以低功耗、低速率传输、低成本为重点目标，为家庭范围内不同设备之间的低速无线互联提供统一标准。它的通讯速率分别为250kb/s，40kb/s和20kb/s三种，在我国是采用250kb/s的速率，可以组成星型等网络拓扑结构，设备的短地址为16bit，扩展地址为64bit，低功耗，低速率，而且带有能量检测和链路识别功能。方案二：采用蓝牙协议，1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司5家著名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化时提出了蓝牙（Bluetooth）技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本传输应用技术。它的工作频段是2.402GHz2.480GHz，通信距离10m左右，数据传输速率为1Mb/s，远大于zigbee的传输速率，密钥是以8bit为单位增减，最大长度为128bit；但是由于蓝牙的高功耗，使其注定不能长期工作，不适用于防盗报警系统。经过比较：zigbee更适合于本系统，其低功耗，低成本，大大提升了本系统相对于传统防盗系统的优势。2.3 ZigBee介绍2.3.1 ZigBee的网络拓扑结构ZigBee网络拓扑结构主要有星形网络和网型网络。不同的网络拓扑对应于不同的应用领域，在ZigBee无线网络中，不同的网络拓扑结构对网络节点的配置也不同，网络节点的类型：协调器、路由器和终端节点，具体配置根据需要决定。1如图2-2所示。图2-2 ZigBee的网络拓扑结构图2.3.2 ZigBee网络设备类型网络协调器：包含所有的网络消息，是3 种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。全功能设备(FFD) ：可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD 或是精简功能装置（RFD）连结，FFD 具备控制器的功能，可提供信息双向传输。 附带由标准指定的全部802.15.4功能和所有特征。 更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用。 也能用作终端设备精简功能设备(RFD) ：RFD只能传送信息给FFD 或从FFD 接收信息。 附带有限的功能来控制成本和复杂性。 在网络中通常用作终端设备。 ZigBee 相对简单的实现自然节省了费用。RFD由于省掉了内存和其他电路，降低了ZigBee部件的成本，而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。2 ZigBee设备类型如表2-1所示。表2-1ZigBee设备类型表设备类型拓扑类型可否成为协器通话对象全功能设备（FFD ）星形，树形，网状可以任何ZigBee设备简化功能设备（RFD）星形不可以只能与协调器通话2.3.3 ZigBee网状（MESH）网络ZigBee网状网络如图2-3所示。图2-3 ZigBee网状网络MESH 网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过多级跳的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能。Mesh是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护。通过以上ZigBee Mesh结构图可以得知，一个ZigBee网络只有一个网络协调器，但可以有若干个路由器。协调器负责整个网络的建网，同时它也可作为与其它类型网络的通讯节点（网关）。构成协调器和路由器的器件必须是全功能器件（FFD），而构成终端设备的器件可以是全功能器件，也可是简约功能器件（RFD）。ZigBee采用按需路由算法AODV ，在节能和网络性能上都有着很大的优势。AODV 路由协议是一种基于距离矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要节点维持通信过程中未达目的节点的路由。节点仅记住下一跳，而非像源节点路由那样记住整个路由。它能在网络中的各移动节点之间动态地、自启动地建立逐跳路由。当链路断开时，AODV 会通知受影响的节点，从而使这些节点能被确认为无效路由。AODV 允许移动节点响应链路的破损情况，并以一种及时的方式更新网络拓扑。AODV 操作是无环回的，并避免了当Ad hoc网络拓扑变化时快速收敛的无限计算问题( 特别是当一个节点进入网络时)。32.3.4 ZigBee协议栈1ZigBee协议的体系结构ZigBee的体系结构由称为层的各模块组成。每一层为其上层提供特定的服务：即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他管理服务。每个服务实体通过相应的服务接入点(SAP )为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。ZigBee协议的体系结构如图2-4所示：4图2-4 ZigBee协议的体系结构图每一层为它的上层提供一套特定的服务。每一个服务实体通过一个服务访问点（SAP）为上层提供服务。图2-4中各层的作用如下：（1）物理层（PHY）物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层内容：ZigBee的激活；当前信道的能量检测；接收链路服务质量信息； ZigBee信道接入方式；信道频率选择；数据传输和接收。（2）介质接入控制子层（MAC）MAC层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；支持PAN连接和分离，提供两个对等MAC实体之间可靠的链路。MAC层功能：网络协调器产生信标；与信标同步；支持PAN (个域网)链路的建立和断开；为设备的安全性提供支持；信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入(CSMA-CA )机制；处理和维护保护时隙( GTS )机制；在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。（3）网络层（NWK）ZigBee协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能。网络层功能：网络发现；网络形成；允许设备连接；路由器初始化；设备同网络连接；直接将设备同网络连接；断开网络连接；重新复位设备；接收机同步；信息库维护。（4）应用层（APL）ZigBee应用层框架包括应用支持层(APS)、ZigBee设备对象( ZDO)和制造商所定义的应用对象。应用支持层的功能包括：维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。ZigBee设备对象的功能包括：定义设备在网络中的角色(如ZigBee协调器和终端设备)，发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。ZigBee 设备对象还负责发现网络中的设备，并且决定向他们提供何种应用服务。ZigBee应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。（5）应用程序框架（AF）运行在ZigBee协议栈上的应用程序实际上就是厂商自定义的应用对象，并且遵循规范（profile）运行在端点1 240上。在ZigBee应用中，提供2种标准服务类型：键值对（KVP）或报文（MSG）ZigBee设备对象（ZDO）：远程设备通过ZDO请求描述符信息，接收到这些请求时，ZDO会调用配置对象获取相应描述符值。另外，ZDO提供绑定服务。52.Z-Stack 体系架构Z-Stack由main（）函数开始执行，main（）函数共做了2件事：一是系统初始化，另外一件是开始执行轮转查询式操作系统6，如图2-5所示：开始系统初始化执行操作系统 图2-5 main函数流程图3.Z-Stack操作系统执行过程Z-Stack操作系统是基于优先级的轮转查询式操作系统，执行流程图如图2-6所示：图2-6 Z-Stack操作系统流程图2.4系统方案设计总体系统设计方案如下：当有人闯入监控区域时，红外热释电传感器迅速捕捉闯入信号，将信息通过点对点的方式由终端节点传给协调器，协调器接收到信号后，对信号进行分析处理，点亮OLED屏，在屏幕上显示“危险”字样，并开启蜂鸣器，以提示有入侵者闯入。与此同时，协调器再向所有终端节点发送广播信号，终端节点在收到信号后，使继电器吸合，联通外围报警照明电路。将协调器通过串口与PC机相连，通过串口调试助手，可看到COM端收到内容为“危险”的信号。 当感应区内没有人时，OLED重新显示为“安全”状态，终端继电器断开，外围报警照明电路断开。以上即是整个防盗系统工作流程。第 3 章 硬件设计系统硬件电路包括主控设备和传感设备，硬件电路总体框图如图3-1所示。图3-1 硬件电路总体框图3.1 主控设备电路主控设备框图如图3-2所示：图3-2 主控设备框图主控设备接受来自传感设备的信息并控制蜂鸣器和OLED显示屏。3.1.1 EB2530核心板电路主控设备的核心组成部分是EB2530核心板，下面着重介绍EB2530核心板。作为主控设备的核心，EB2530核心板集成了CC2530无线传输芯片，支持zigbee传输协议，集成度高，功耗低，运行速度快。1.CC2530最小模块介绍CC2530最小模块体积小（3.6*2.7cm），重量轻，引出全部IO口，标准2.54排针接口。可直接应用在万用板或自制PCB上。模块使用2.4G全向天线，可靠传输距离达250米。自动重连距离高达110米。7CC2530最小模块电路图如图3-3所示：图3-3 CC2530最小模块电路图2.EB2530核心板底板电路底板电路的设计主要是增强ZigBee的使用性，加入一些按键和LED的功能，其自带的usb转串口芯片可方便用户调试。串口通讯：自带USB转串口功能（PL-2303）,方便笔记本用户。供电方式：方口USB。功能接口：Debug接口，兼容TI标准仿真工具，引出所有I/O口，常用的串口引脚以及5V/3.3V引脚。功能按键：1个复位，2个普通按键。LED指示灯：电源指示灯、组网指示灯和普通LED。图3-4为底板电路原理图：图3-4 EB2530底板电路原理图3.1.2 OLED显示电路显示模块用来显示警报信息以通知用户有人闯入监控区。本文中显示模块采用OLED显示屏。OLED显示屏如图3-5所示：图3-5 OLED显示屏1.OLED显示屏介绍OLED，即有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode），又称为有机电激光显示（OrganicElectroluminesence Display, OELD）。OLED由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。8LCD都需要背光，而OLED不需要，因为它是自发光的。这样同样的显示，OLED效果要来得好一些。以目前的技术，OLED的尺寸还难以大型化，但是分辨率确可以做到很高。在本设计中，我们使用的是ALINETEK的OLED显示模块，该模块有以下特点：模块有单色和双色两种可选，单色为纯蓝色，而双色则为黄蓝双色。尺寸小，显示尺寸为0.96寸，而模块的尺寸仅为27mm*26mm大小。高分辨率，该模块的分辨率为128*64。多种接口方式，该模块提供了总共5 种接口包括：6800、8080两种并行接口方式、3线或4线的串行SPI接口方式、IIC 接口方式。不需要高压，直接接3.3V就可以工作了。但是应当注意的是，该模块不和5.0V接口兼容，不能直接接到5V的系统上去，否则可能烧坏模块。2.OLED显示屏原理图如图3-6：图3-6 .OLED显示屏原理图OLED显示屏通过插槽与EB2530核心板相连。当有报警信号发出时，屏幕显示“危险”，否之则显示“安全”。3.2 传感设备电路传感设备框图如图3-7所示： 图3-7 传感设备框图 传感设备利用红外热释电传感器采集闯入信息并传递信息给主控模块。在收到报警信号后控制继电器接通报警电路。3.2.1 EB2530核心板电路传感设备的核心部分之一依旧是EB2530核心板，在这里不再累述。3.2.2 探测器电路红外热释电传感器HC-SR501介绍D-SUN PIR人体红外感应模块是基于红外线技术的自动控制产品。灵敏度高、可靠性强、超低功耗，超低电压工作模式。1.产品参数指标如下：产品型号 HC-SR501人体感应模块工作电压范围 直流电压4.5-20V静态电流 50uA电平输出 高3.3V/低0V触发方式 L不可重复触发/H 重复触发延时时间 0.5-200S(可调)可制作范围零点几秒-几十分钟封锁时间 2.5S(默认)可制作范围零点几秒-几十秒电路板外形尺寸 32mm*24mm感应角度 100度锥角工作温度 -15-+70 度2.功能特点:全自动感应:人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。光敏控制（可选择，出厂时未设）可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。温度补偿(可选择，出厂时未设)：在夏天当环境温度升高至3032，探测距离稍变短，温度补偿可作一定的性能补偿。两种触发方式：（可跳线选择）不可重复触发方式:即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变成低电平；可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点)。具有感应封锁时间(默认设置:2.5S 封锁时间)：感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。(此时间可设置在零点几秒几十秒钟)。工作电压范围宽：默认工作电压DC4.5V-20V。微功耗:静态电流50微安，特别适合干电池供电的自动控制产品。输出高电平信号：可方便与各类电路实现对接。3.使用说明:感应模块通电后有一分钟左右的初始化时间，在此期间模块会间隔地输出0-3次，一分钟后进入待机状态。应尽量避免灯光等干扰源近距离直射模块表面的透镜，以免引进干扰信号产生误动作；使用环境尽量避免流动的风，风也会对感应器造成干扰。感应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元（A元B元）位于较长方向的两端，当人体从左到右或从右到左走过时,红外光谱到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏，当人体从正面走向探头或从上到下或从下到上方向走过时，双元检测不到红外光谱距离的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作；所以安装感应器时应使探头双元的方向与人体活动最多的方向尽量相平行，保证人体经过时先后被探头双元所感应。为了增加感应角度范围，本模块采用圆形透镜，也使得探头四面都感应，但左右两侧仍然比上下两个方向感应范围大、灵敏度强，安装时仍须尽量按以上要求。4.感应范围如图3-8所示：图3-8 HC-SR501感应范围5.HC-SR501原理图如图3-9所示。图3-9 HC-SR501原理图6.接线方式：VCC:接电源正极（5V）OUT:检测引脚GND:接电源负极传感模块使用P0_4作为检测引脚, 人进入其感应范围模块输出高电平，人离开感应区后输出低电平。3.2.3 继电器电路传感设备使用继电器控制报警照明电路开闭，继电器原理图如图3-10。图3-10 继电器电路接线方式： 1、VCC:接电源正极2、GND:接电源负极3、IN: 信号输入端继电器的信号输入端连接EB2530核心版上的P0_5口，当P0_5输出高电平时，继电器吸合，接通报警照明电路；当P0_5跳变为低电平后，继电器断开，断开报警照明电路。第 4 章 软件设计4.1 最小系统程序4.1.1 IAR集成开发环境介绍嵌入式 IAR Embedded Workbench IDE提供一个框架，任何可用的工具都可以完整地嵌入。其中，这些工具包括：1. 高度优化的 IAR AVR C/C+编译器；2. AVR IAR 汇编器；3. 通用 IAR XLINK Linker；4. IAR XAR 库创建器和 IAR XLIB Librarian；5. 一个强大的编辑器；6. 一个工程管理器；7. TM IAR C-SPY 调试器；8. 一个具有世界先进水平的高级语言调试器。嵌入式IAR Embedded Workbench适用于大量8位、16位以及32位的微处理器和微控制器，使用户在开发新的项目时也能在所熟悉的开发环境中进行。它为用户提供一个易学和具有最大量代码继承能力的开发环境，以及对大多数和特殊目标的支持。嵌入式 IAR Embedded Workbench 有效提高用户的工作效率，通过 IAR 工具，用户可以大大节省工作时间。 我们称这个理念为：“不同架构，同一解决方案”。9软件界面如图4-1所示：图4-1 IAR Embedded Workbench IDE软件界面4.1.2通信网络建立撇开本系统不谈，先给大家介绍一下实现一个简单的无线数据通信时的一般步骤：组网：调用协议栈的组网函数、加入网络函数，实现网络的建立与节点的加入。发送：发送节点调用协议栈的无线数据发送函数，实现无线数据发送。接收：接收节点调用协议栈的无线数据接收函数，实现无线数据接收。对于一些基本的操作，协议栈都已经封装好了，用户可以直接调用： afStatus_t AF_DataRequest( afAddrType_t *dstAddr, endPointDesc_t *srcEP, uint16 cID, uint16 len, /发送数据的长度 uint8 *buf, /指向存放发送数据的缓冲区的指针 uint8 *transID, uint8 options, uint8 radius )用户只需要调用该函数就可以实现无线数据的发送。10协调器与终端节点通信网络的建立：由于协议栈本身代码即可实现协调器与终端节点通信网络建立，因此只需要如下图所示分别选择CoordinatorEB-Pro和EndDeviceEB-Pro 将代码下载到开发板即可实现通信网络的建立。如图4-2所示。图4-2 协调器与终端建立通信4.1.3 设置串口为了使pc机接受到来自协调器的报警信息，需要调用相应的函数进行配置，具体方法如图4-3所示：图4-3设置串口MT_UartInit(); /串口初始化MT_UartRegisterTaskID(task_id); /注册串口任务4.1.4 配置IO口寄存器的作用和配置方法。如表4-1所示：表4-1 IO口配置表寄存器作用描述P1 (0x90)端口 1端口 1。通用 I / O 端口。可以从 SFR 位寻址。P1SEL(0xF4)端口 1 功能选择P1.7 到 P0.0 功能选择0： 通用 I / O1： 外设功能P1DIR(0xFE)端口 1 方向P1.7 到 P1.0 的 I/O 方向0： 输入1： 输出P1INP(0xF6)端口 1 输入模式0： 上拉/下拉(见 P2INP (0xF7)端口 2 输入模式)1： 三态将P0_4设置为普通输入口；将P0_5设置为普通输出口；代码如下：P0SEL &= 0x10; /设置P0.4为普通IO口P0DIR &= 0x10; /P0.4定义为输入口P0SEL &= 0x20; /设置P0.5为普通IO口P0DIR |= 0x20; /P0.5定义为输出口4.1.5 协议栈加密家庭家居系统不同于普通场合，对设备的安全性、可靠性要求较高，为避免设备间互相干扰，本系统采用AES128位加密算法，对协议栈进行加密，下面具体介绍加密方法。将f8wConfig.cfg文件中设置为-DSECURE=1,这句话的意思是SECURE=1,这个变量在ZigBee协议栈中作为if语句的条件使用,条件为真的语句中就是开启加密算法的函数.所以要使用AES加密，第一步是要将这个参数设置为1。将ZGlobals.c中的uint8 zgPreConfigKeys = FLASE;修改为uint8 zgPreConfigKeys = TRUE.准备一个key,这个可以在函数nwk_global.c中修改。这里需要特别注意的是，在烧写程序的时候，应保证对各设备都开启AES加密，且保证KEY一致，否则设备无法互相正常通讯。4.2传感设备程序传感设备通过传感器采集闯入信息，并将信息发送给主控模块；当接收到主控模块的信息后，根据信息控制继电器吸合或断开。4.2.1 主函数传感设备首先初始化硬件电路及协议栈操作系统，进入SampleApp层，配置串口及IO口，调用SampleApp层任务事件处理函数，进而调用发送与接收函数。主函数流程图如图4-4所示：图4-4 主函数流程图4.2.2 发送部分：传感设备读取检测引脚电平，对采集到的信息进行处理，并通过点对点方式上传给协调器。流程图如图4-5所示：图4-5 发送部分流程图4.2.3 接收部分程序传感设备在接收到来自主控模块的信息后进行判断,信息是否为0x31，若是，则使继电器吸合，接通报警照明电路；否之，则使继电器断开，断开报警照明电路。流程图如图4-6所示：图4-6 接收部分流程图4.3 主控设备程序 主控模块接收到传感模块的信息后，对信息进行判断，根据条件开启蜂鸣器并使OLED屏显示警报信息。与此同时，通过广播方式向传感模块发送报警指令。4.3.1 发送与接收程序主控设备的主函数及发送接收程序与传感设备大致相似。流程图如图4-7所示：图4-7 发送与接收程序流程图4.3.2 显示报警程序主控设备在接收到来自传感设备的闯入信号后，开启蜂鸣器并使OLED显示屏显示警报信息。 流程图如图4-8所示：图4-8 显示报警程序流程图4.3.3 串口发送程序主控设备在没有接收到来自传感设备的闯入信号时，向PC机通过串口发送“安全”信息，当接收到闯入信号后再向PC机发送“危险”信息。流程图如图4-9所示：图4-9 串口发送程序流程图传感模块利用周期性点播的定时器，间隔2秒定时采集，将采集到的信息发送给主控模块，主控模块通过串口调试助手及OLED屏显示报警信息，并启动蜂鸣器，再利用周期性点播的定时器，间隔2秒向终端节点发送信号，使继电器在得到信号后吸合或断开。吸合的时间为2秒。第5章 系统测试及结果5.1 传感器测试本测试用于测试传感器是否可用。实验步骤：使用P0_4作为检测引脚, 人进入其感应范围模块输出高电平,点亮 LED1，人离开感应范围LED1熄灭P0.4口为HC-SR501传感器的输入端。实物图如图5-1、5-2所示：图5-1 传感器测试监控区内没有人，LED1熄灭，工作正常。图5-2 传感器测试人进入感应区域后，LED1点亮，工作正常。5.2 主从模块通讯测试本测试用于测试主从模块是否能够建立通讯网络。实验步骤：选择CoodinatorEB-Pro, 下载到开发板A；作为协调器。选择EndDeviceEB-Pro, 下载到开发板B；作为终端设备。给两块开发板上电，通过观察D3来判断组网是否成功，协调器D3熄灭说明组网成功，当终端D3熄灭时说明连网成功，同时Led1闪烁。实物图如图5-3所示：图5-3 主从模块通讯测试LED1闪烁，工作正常。5.3显示报警电路测试本测试用于测试报警电路是否可用显示警报信息以及蜂鸣器是否正常工作。实验步骤：接通电源，使EB2530模块点亮OLED显示屏，并显示“security”字样。实物图如图5-4所示：图5-4 显示报警电路测试OLED显示屏显示“security”，蜂鸣器发出响声，工作正常。5.4 系统整体测试：本测试用于检测整体系统是否能够正常工作。实验步骤：选择CoodinatorEB-Pro, 下载到开发板A；作为协调器，通过USB 线跟电脑连接，并接上OLED显示屏及蜂鸣器。选择EndDeviceEB-Pro, 下载到开发板B；作为终端设备无线发送数据给协调器,并接上红外热释电传感器、继电器。给两块开发板上电，打开串口调试助手。串口调试助手实验现象如图5-5所示：图5-5 串口调试助手实验现象串口调试助手成功收取到来自主控模块的警报信息，工作正常。模块实物图如图5-6、5-7所示：图5-6 模块实物图感应区没有人时，OLED屏显示“安全”，继电器断开，蜂鸣器不工作，系统工作正常。图5-7 模块实物图 感应区有人时，OLED屏显示“危险”，继电器吸合，蜂鸣器发出响声。系统工作正常。当监控区没有人进入时，串口调试助手收到“安全”信息，OLED屏显示“安全”；当有人进入监控区后，串口调试助手收到“危险”信息，同时听到蜂鸣器发出响声， OLED屏显示“危险”，继电器吸合。5.5 调试过程中出现的问题1）起初设定点对点和广播发送数据的周期为1秒，结果发现当传感器探测到闯入信号后，继电器无法正常吸合。为解决这个问题，将发送数据的周期改为2秒，同时将继电器吸合的时间改为1.5秒。再次上电调试，发现问题解决了。2）OLED显示屏接到5V电压时，无法正常显示，改为接3.3V电压，上电后可以正常显示。第6章 总结与展望本文所讲的基于物联网的智能防盗报警系统能及时准确地向用户报告闯入信息，具有很强的实用性。该报警系统有以下优势：1）它采用的基于ZigBee协议的无线通信技术，已发展比较成熟，可靠性高，功耗低，非常适用于家庭防盗报警系统。2）每个终端节点都可以进行探测采集工作，并将数据发送给协调器，做到了分散采集，集中处理。大大提高了防盗系统的智能化。3)程序可以反复烧写，方便技术人员调试。本系统实现了传感网络与无线通信网络的结合，实现了报警、OLED显示、串口显示等，可靠性高，功耗低。 但是由于时间关系，有些功能仍待开发，比如上位机的开发，以及通过GPRS模块收发短信等。在日后的学习工作中，我会逐渐完善该系统的功能。在经济社会高速发展的当下，随着人们对财产安全的重视程度与日剧增，家庭智能防盗系统必将迎来一个发展的大浪潮。致 谢在毕业设计即将结束之即，在此我想对大学期间教诲过我的老师表示最衷心的感谢，是他们孜孜不倦的教诲让我掌握了很多技术知识，从而有能力做此设计。同时我也要感谢在本次设计过程中对我提供帮助的老师和同学，正是由于有了他们的帮助，使我在设计过程中遇到问题时能有信心去面对问题，并在他们的帮助下很好的解决问题。特别要感谢的是我的指导教师宋戈老师，在我的毕业设计过程中给予了我很大的帮助和细心指导，宋老师不但知识广博、治学严谨、实践经验丰富，而且平易近人，和蔼可亲。当我在设计过程中遇到困难时，宋老师总是耐心地为我解答，为我的设计完成减轻了很多阻力。最后，我还想感谢学院和系里面向我提供的许多帮助与便利，学院提供的实验机房极大的方便了我在设计过程中查找资料，编辑和完成论文，系里提供的各种实验器材使我能够有效的完成实际电路的制作。再次对以上提到的单位和个人表示我最衷心的感谢。参考文献1王小强，欧阳骏，黄宁淋 编著ZigBee无线传感器网络设计与实现M 化学工业出版社 2012-6-12姜仲，刘丹 著ZigBee技术与实训教程基于CC2530的无线传感网技术M 清华大学出版社 2014-5-13无线龙 编著ZigBee 无线网络原理M 冶金工业出版社 2011-9-14青岛东合信息技术有限公司 著Zigbee开发技术及实践M 西安电子科技大学出版社 2014-1-15李明亮，蒙洋，康辉英编著例说ZigBeeM 北京航空航天大学出版社 2013-7-16（美）法拉哈尼 著，沈建华，王维华，阔鑫 译ZigBee无线网络与收发器M 北京航空航天大学出版社 2013-8-17李文仲，段朝玉等编著ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践M 北京航空航天大学出版社 2009-3-18吕治安编著zigBee网络原理与应用开发M 北京航空航天大学出版社2008-2-19ShahinFarahani PhD Zigbee Wireless Networks and TransceiversM Newnes 2008-9-3010 Houda Labiod,AfifiHossam,Costantino de Santis Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee and Wimax M Springer-Verlag New YorkInc. 2007-6-25附录附录 外文文献ZigBee: Wireless Technology for Low-Power Sensor NetworksTechnologists have never had trouble coming up with potential applications for wireless sensors. In a home security system, for example, wireless sensors would be much easier to install than sensors that need wiring. The same is true in industrial environments, where wiring typically accounts for 80% of the cost of sensor installations. And then there are applications for sensors where wiring isnt practical or even possible.The problem, though, is that most wireless sensors use too much power, which means that their batteries either have to be very large or get changed far too often. Add to that some skepticism about the reliability of sensor data thats sent through the air, and wireless sensors simply havent looked very appealing.A low-power wireless technology called ZigBee is rewriting the wireless sensor equation, however. A secure network technology that rides on top of the recently ratified IEEE 802.15.4 radio standard (Figure 1), ZigBee promises to put wireless sensors in everything from f