基于ZigBee的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)設計

1、武漢科技大學碩士學位論文基于ZigBee的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)設計姓名：李婷婷申請學位級別：碩士專業(yè)：計算機應用技術指導教師：閔華松20100507武漢科技大學碩士畢業(yè)論文摘要第頁隨著人們生活水平的提高，居民在住宅環(huán)境、住宅服務等方面也有了新的要求與期待，智能小區(qū)的概念隨之發(fā)展而來。智能小區(qū)融合了計算機技術、通信技術、多媒體技術等現(xiàn)代高科技的結晶，能夠為住戶提供更舒適、更安全、更方便的環(huán)境與服務水準。本文以智能小區(qū)為應用背景，旨在設計基于廬的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，并對影響智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)性能的路由協(xié)議進行了改進，以期能夠在智能小區(qū)應用中有更好的表現(xiàn)。本文介紹了智能小區(qū)的研究背景以及國內外發(fā)展現(xiàn)狀，總結

2、了智能小區(qū)的發(fā)展趨勢；提出了智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案，分別對家庭子系統(tǒng)以及攝像子系統(tǒng)的硬件平臺和軟件架構進行了分析，介紹了硬件設備的特性，描述了智能小區(qū)中各類軟件的功能；對智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)做出了分析，對本文系統(tǒng)所涉及到的一些關鍵技術進行了詳細的流程解釋以及功能實現(xiàn)的分析。本文針對智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中的無線傳感網(wǎng)絡技術，提出了改善傳感網(wǎng)絡性能的路由協(xié)議多徑分級定向擴散路由協(xié)議（觸酣觚）。此協(xié)議以定向擴散協(xié)議為研究基礎，融合了多路徑協(xié)議的路由優(yōu)勢，采用了基于多路徑路由的傳輸機制；采用了基于延時評估的探測包傳輸機制：采用了路徑以及數(shù)據(jù)分級處理的選擇性傳送機制，更加適合智能小區(qū)無線傳感網(wǎng)絡的

3、應用需求。本文以為仿真開發(fā)工具，對多徑分級定向擴散路由協(xié)議進行了分析評價，仿真結果表明：多徑分級定向擴散協(xié)議能夠優(yōu)化智能小區(qū)傳感網(wǎng)絡的傳輸延遲，減小節(jié)點的能量消耗，改善智能小區(qū)傳感網(wǎng)絡的分組接收率。關鍵詞：智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)；多徑分級定向擴散路由協(xié)議；第頁武漢科技大學碩士畢業(yè)論文，、，也，；，：，武漢科技大學也研究生學位論文創(chuàng)新性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文是本人在導師指導下，獨立進行研究所取得的成果。除了文中已經(jīng)注明引用的內容或屬合作研究共同完成的工作外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。，一申請學位

4、論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關責任。論文作者簽名：絲日期：汐落研究生學位論文版權使用授權聲明本論文的研究成果歸武漢科技大學所有，其研究內容不得以其它單位的名義發(fā)表。本人完全了解武漢科技大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關部門（按照武漢科技大學關于研究生學位論文收錄工作的規(guī)定執(zhí)行）送交論文的復印件和電子版本，允許論文被查閱和借閱，同意學校將本論文的全部或部分內容編入學校認可的國家相關數(shù)據(jù)庫進行檢索和對外服務。論文作者簽名：夔竺指導教師簽名：麈絲竺日武漢科技大學碩士畢業(yè)論文第頁第一章緒論研究背景隨著房地產事業(yè)的蓬勃發(fā)展，越來越多的小區(qū)建筑拔地而起。計算機領域各種高新技術

5、的發(fā)展以及人們生活水平的提高，使得住戶對于居住環(huán)境也有了更高的要求與期望。將各種高新計算機技術應用于智能小區(qū)的建設中，提高小區(qū)的居住舒適度，建設新型智能小區(qū)是未來必然的發(fā)展趨勢。老型的住宅小區(qū)對于智能化的普及程度還不高，主要是由攝像機和監(jiān)視器構成的一套監(jiān)控系統(tǒng)，對于智能化的功能設計較為簡單。老型住宅小區(qū)的主要功能是實現(xiàn)小區(qū)內關鍵區(qū)域的視頻監(jiān)控以及單元入口的門禁管理，對于小區(qū)內住戶的安全監(jiān)控并沒有整合到整個智能小區(qū)的監(jiān)控網(wǎng)絡之中。當發(fā)生火災、偷盜等突發(fā)事件，若小區(qū)管理人員沒有及時覺察處理會帶來巨大損失。新型智能小區(qū)需要能夠滿足遠程監(jiān)控、多級聯(lián)網(wǎng)、安全報警、小區(qū)設施管理等多種功能【】。智能小區(qū)是在

6、智能家居的基礎之上發(fā)展而來的，相對于智能家居而言，其所覆蓋的地理范圍更大，所提供的服務更為復雜，對技術的要求更高，布局也更加龐大【】。當前并沒有對于智能小區(qū)較為精準的定義，不同的用戶所要求提供的服務也有所差別。然而智能小區(qū)與住戶之間需要具有較強的交互性，必須能夠實時的感應環(huán)境的當前狀態(tài)以及環(huán)境狀態(tài)的改變，并正確的進行環(huán)境狀態(tài)的判斷，為小區(qū)住戶提供優(yōu)質的智能服務。智能小區(qū)的分類在有線智能小區(qū)系統(tǒng)中，大多是基于硬盤錄像機的半數(shù)字化解決方案，需要在小區(qū)內進行大量的工程布線，小區(qū)周圍也需要布置大量的視頻線、控制線、信號線等。硬盤錄像機解決方案適用于拓撲面積較小的區(qū)域，并不能滿足智能小區(qū)的鋪設范臥。如果

7、硬盤錄像機所擔任的角色為整個小區(qū)的監(jiān)控核心，一旦硬盤錄像機發(fā)生故障，將會導致整個小區(qū)范圍內的監(jiān)控失效，造成巨大損失。采取有線方式的智能小區(qū)系統(tǒng)，需要在小區(qū)范圍內進行大量的布線，復雜的布線會致使安全隱患的增加，同時影響小區(qū)內的環(huán)境美觀，對于有線鋪設系統(tǒng)的維護困難也隨之增加。在無線智能小區(qū)系統(tǒng)中，智能化、集成化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化是當前的發(fā)展趨勢【】。在新型無線智能小區(qū)系統(tǒng)中，監(jiān)控功能只是新型小區(qū)的主要功能需求之一，需要將小區(qū)范圍內的聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)控、報警，以及其他系統(tǒng)的互動等功能集成，進行綜合管理。采取無線方式的智能小區(qū)系統(tǒng)避免了各類設備的復雜布線，各功能模塊一次性安裝，簡潔美觀，同時減少了智能小區(qū)的維護

8、成本。然而在無線智能小區(qū)系統(tǒng)中，所涉及的技術更多更復雜，要求也更高。在有線系統(tǒng)與無線系統(tǒng)相結合的智能小區(qū)系統(tǒng)中，需要同時顧及到智能小區(qū)對于有線設備與無線設備的安裝條件以及技術需求。對于部分無線系統(tǒng)實現(xiàn)較為復雜或者成本較高的功能，采用有線方式進行替換，對于部分無線系統(tǒng)實現(xiàn)方便并且性能優(yōu)異的功能，則采第頁武漢科技大學碩士畢業(yè)論文用無線的方式來完成服務，還需要將有線模塊以及無線模塊整合在起，協(xié)作實現(xiàn)智能小區(qū)內的各個服務功能，為住戶提供舒適的居住環(huán)境。國內外研究現(xiàn)狀國外發(fā)展狀況在國外，智能小區(qū)發(fā)展的較早，最早在美國出現(xiàn)了智能住宅的概念。年由美國的斯坦福研究所提出，將建筑物內的家用電器等設備的控制線統(tǒng)一

9、成家庭總線，是智能小區(qū)的雛形【。在二十世紀八十年代，美國成立了研究協(xié)會專門從事智能住宅相關領域的研究以及家庭電器設計標準的制定【】。同期美國的哈特福特市還完成了對一棟舊式大樓的電梯、照明、防盜、空調等電器設備的監(jiān)測控制，并為用戶提供各種信息服務，標志著世界第一座智能化大樓的建立【刀。隨著智能住宅概念的逐步普及以及智能住宅應用技術的發(fā)展，在歐美等發(fā)達國家得到了廣泛的認同。歐洲在年把家庭系統(tǒng)集成化的研究制定成一項計劃，并投入大量的人力物力進行研究；德國也在二十世紀末由研究會與眾多公司聯(lián)手合作，在杜伊斯堡大學內建成世界首座實現(xiàn)完全的網(wǎng)絡化與電子化，實現(xiàn)操作通信平臺統(tǒng)一的樣板智能住宅；日本也在二十世紀

10、八十年代末提出了家庭總線系統(tǒng)，同時制定了家庭總線系統(tǒng)的標準，并大力推動家庭智能化的發(fā)展吲。國內發(fā)展狀況在國內智能小區(qū)的發(fā)展較晚，直到八十年代中后期智能家居的概念才開始進入中國，并且直到九十年代才開始快速發(fā)展【。隨著計算機相關技術的快速發(fā)展，隨著對于智能家居以及智能小區(qū)的大力宣揚，近十年內智能化家居與智能化社區(qū)在我國得到了空前的發(fā)展。在未來的十年中，居家環(huán)境的智能化發(fā)展仍然將保持良好的增長勢頭。然而智能家居在國內的研究始終沒有一個統(tǒng)一的標準規(guī)范，并沒有形成較大的發(fā)展規(guī)模。國內的開發(fā)商要么遵照國外一些廠商和機構的智能家居開發(fā)標準規(guī)范，要么自行根據(jù)具體需求去開發(fā)設備，還沒有形成行業(yè)性的智能家居規(guī)范或

11、者標準【】。我國從年月就開始出臺關于住宅小區(qū)智能化系統(tǒng)示范工程建設的技術導則，每隔幾年都會有更完善的技術導則出臺，以規(guī)范國內智能化小區(qū)系統(tǒng)的建設【¨。智能小區(qū)系統(tǒng)的建設涉及面廣，需要多個單位之間互相配合，才能夠保證居住小區(qū)智能化系統(tǒng)的設計和建設安裝一定的規(guī)章來逐步實施。智能小區(qū)的發(fā)展趨勢隨著計算機技術、控制技術、通信技術以及各類系統(tǒng)集成化的快速發(fā)展，智能家居的應用也風靡全球，一輪新的發(fā)展高潮居住環(huán)境智能化的發(fā)展趨勢不可抵擋。智能小區(qū)今后將沿著規(guī)范化、一體化、環(huán)?；?、服務增值化方向發(fā)展【。（）規(guī)范化我國在智能住宅領域，產品以及技術的規(guī)范化方面還存在許多的不足與缺陷，必須制武漢科技大學碩

12、士畢業(yè)論文定相應的標準，統(tǒng)一國內市場智能住宅產品以及智能系統(tǒng)的規(guī)范，與國際接軌。（）一體化第頁在智能小區(qū)的發(fā)展領域，涉及了非常多的各類計算機高新技術，也對應著眾多的智能小區(qū)功能模塊。如何將眾多的功能融合在一起，組成性能最優(yōu)的智能小區(qū)一體化控制系統(tǒng)，是智能小區(qū)領域需要重點研究的方面。（）環(huán)?；h(huán)保是整個人類的追求，也是智能小區(qū)系統(tǒng)的主要追求目標之一。在智能小區(qū)建設中，環(huán)保包括了生態(tài)環(huán)境的保護、低消耗能量的追求、資源的可持續(xù)利用等等，如何利用有限的小區(qū)資源，來達到最大程度的小區(qū)環(huán)?；?，也是將來的一大研究熱點。（）服務增值化智能小區(qū)的重要設計目標就是為居民提供優(yōu)質的服務，去除常規(guī)的智能小區(qū)基本服務以

13、外，如何妥善管理與運營，給居民提供更加優(yōu)秀的服務質量，提供額外的增值服務項目也將是未來智能小區(qū)領域的研究熱點。論文的主要工作隨著生活條件的提高以及計算機技術的發(fā)展，人們對居住環(huán)境提出了更高層次的要求，智能小區(qū)的建設需求隨之而來。在智能小區(qū)的建設中，小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的設計好壞與性能優(yōu)劣很大程度上影響著小區(qū)的居住舒適度。在智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的設計中，本文綜合考慮有線網(wǎng)絡與無線傳感網(wǎng)絡的優(yōu)勢與劣勢，采取兩種類型網(wǎng)絡相結合的方式來設計智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)。有線網(wǎng)絡部分主要負責小區(qū)內某些公共區(qū)域需要長時間不問斷采集信息的需求，例如部分重要區(qū)域的全天實時視頻監(jiān)控。無線傳感網(wǎng)絡部分主要負責小區(qū)中住戶的家庭環(huán)境監(jiān)測，采

14、用基于無線傳感網(wǎng)絡的方式來進行家庭監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)與監(jiān)控?，F(xiàn)如今，有線網(wǎng)絡的組建技術以及有線組網(wǎng)所采用的網(wǎng)絡協(xié)議都已經(jīng)相當?shù)耐晟?，能夠適應智能小區(qū)有線網(wǎng)絡部分的應用。在家庭子監(jiān)控系統(tǒng)中，無線傳感網(wǎng)絡的組建以及無線傳感網(wǎng)絡所采用的網(wǎng)絡協(xié)議，都與實際的應用背景聯(lián)系緊密，沒有一種通用的解決方案。本文的主要工作是設計適用于智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案，設計系統(tǒng)的軟硬件架構以及實現(xiàn)系統(tǒng)的各個功能。由于在智能小區(qū)家庭子系統(tǒng)的監(jiān)控應用中，所采用的是無線傳感網(wǎng)絡的解決方案，然而無線傳感網(wǎng)絡并沒有一種適合所有應用背景的網(wǎng)絡協(xié)議。無線傳感網(wǎng)絡路由技術的優(yōu)劣直接影響著網(wǎng)絡的實時性能、網(wǎng)絡的生命周期、網(wǎng)絡的容錯性、網(wǎng)絡的

15、健壯性等一系列性能。為了滿足當前智能小區(qū)家庭子監(jiān)控系統(tǒng)的需求，設計出更合適家庭子系統(tǒng)中無線傳感應用的網(wǎng)絡協(xié)議是本文的又一重要工作。本文通過分析智能小區(qū)家庭子監(jiān)控系統(tǒng)的特點，選取了以數(shù)據(jù)為中心的定向擴散路由協(xié)議為研究基礎，結合多徑路由算法的優(yōu)勢，提出了一種新的路由算法多徑分級定向擴散路由協(xié)議（）。該算法引入了以延時估計為參考的部分信息擴散機制，引入了路徑和信息的分級處理機制，大大改善了定向擴散協(xié)議的實時性以及節(jié)能性，在智能小區(qū)家庭子監(jiān)控系統(tǒng)中有著更優(yōu)秀的表現(xiàn)。第頁武漢科技大學碩士畢業(yè)論文第二章智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的設計目前智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)有多種解決方案，主要分為有線方式和無線方式【”】。在電纜和光纜

16、構成的有線網(wǎng)絡中，各站點不可移動，布線安裝工程量大，線路容易損壞，鋪設專用線路施工耗時久、難度大；在無線局域網(wǎng)中網(wǎng)絡用戶容易增加刪除、無須布線、安裝周期短、后期維護也較容易【。在智能小區(qū)的網(wǎng)絡建設中，對于小區(qū)整體環(huán)境以及重要地點的實時監(jiān)測需要進行二十四小時的視頻監(jiān)控，由監(jiān)控特點所決定只能采取有源的攝像視頻監(jiān)控模式。對于小區(qū)住戶房間的環(huán)境監(jiān)測，無需全天的視頻獲取，選用無線傳感網(wǎng)絡是一個很好的選擇。本文選取無線組網(wǎng)方式應用于智能小區(qū)家庭子監(jiān)控系統(tǒng)，將無線家庭子監(jiān)控系統(tǒng)與有線小區(qū)視頻監(jiān)控融合在一起，以滿足人們對新型智能小區(qū)的居住要求。智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)設計方案針對現(xiàn)有的智能小區(qū)組網(wǎng)特點以及控制系統(tǒng)的特

17、點，文章提出基于無線傳感網(wǎng)絡以及處理平臺的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案。本系統(tǒng)由家庭子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)和總監(jiān)控系統(tǒng)組成（如圖）。小區(qū)是由許多的住戶組成的，家庭子系統(tǒng)負責采集單一住戶的環(huán)境信息，例如溫度、門禁、氣體濃度等等，當家庭環(huán)境發(fā)生異常變化時，子系統(tǒng)會將異常信息發(fā)送到總監(jiān)控系統(tǒng)并發(fā)出報警信息，以通知監(jiān)控人員和戶主并做出及時的處理。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)負責將分散在小區(qū)里的攝像頭所采集的視頻信息發(fā)送到總監(jiān)控系統(tǒng)，方便監(jiān)控人員及時掌握小區(qū)的環(huán)境和實際信息?？偙O(jiān)控系統(tǒng)則負責接收來自家庭子系統(tǒng)和視頻監(jiān)控子系統(tǒng)的信息，并對接收到的信息進行處理并儲存，如果出現(xiàn)異常情況時，及時發(fā)出報警信息，以及時對異常情況進

18、行處理。圖智能小區(qū)系統(tǒng)結構圖武漢科技大學碩士畢業(yè)論文系統(tǒng)硬件第頁本文中智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)是一個基于網(wǎng)絡的分布式系統(tǒng)結構，其硬件框圖如圖所示。其中主控機負責對各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行采集和管理，通過局域網(wǎng)與子系統(tǒng)進行通訊。攝像監(jiān)控終端和家庭子系統(tǒng)相互獨立，它們都通過路由器接入局域網(wǎng)中。蔓圖總體硬件框架家庭子系統(tǒng)家庭子系統(tǒng)主要由傳感網(wǎng)絡和服務器兩部分組成，其硬件組成如圖所示。傳感網(wǎng)絡中各節(jié)點以星型拓撲組成網(wǎng)絡，傳感網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)采集節(jié)點與匯聚節(jié)點通過無線方式進行交互，匯聚節(jié)點與服務器通過串口傳輸數(shù)據(jù)，服務器通過網(wǎng)口接入局域網(wǎng)與主控端進行通信。田二）龜產二照如廣廣二乞圖家庭子系統(tǒng)硬件框圖網(wǎng)口一傳感節(jié)點在家庭子系

19、統(tǒng)傳感網(wǎng)絡中，信息采集節(jié)點以及匯聚節(jié)點都將采用無源供電的方式，從而大大限制了節(jié)點的能耗標準。對于傳感節(jié)點而言，傳感器部分以及處理器部分所耗能量不會太多，擔任無線通信任務的無線模塊對整個節(jié)點的生存周期起著決定性的作用。本文第頁武漢科技大學碩士畢業(yè)論文采用芯片來組建家庭傳感網(wǎng)絡，此款芯片能耗低，能夠滿足本文中智能小區(qū)的應用需求，其硬件結構如圖所示。圖芯片結構芯片在單個芯片上整合了射頻（）前端、內存和微型控制器，很適合電池壽命要求較長的應用【”】。在智能小區(qū)家庭子監(jiān)控系統(tǒng)中，網(wǎng)絡協(xié)議層所采用的是路由協(xié)議，具有全兼容的硬件層與物理層，能夠滿足要求。芯片的主要特點如下所示【：（）具有低功耗高性能的微控制

20、器核。（）集成了符合標準的的無線射頻收發(fā)機，抗干擾性能與靈敏度都較好。（）接收與發(fā)射模式電流損耗分別低于與，休眠模式僅為的電流損耗，且能由外部中斷或者將系統(tǒng)喚醒。（）硬件支持功能，集成了位的模數(shù)轉換，一個位計時器及個位計時器。本文中信息采集節(jié)點，數(shù)據(jù)收集監(jiān)控節(jié)點都采用模塊，而收集監(jiān)控節(jié)點需要通過串口與數(shù)據(jù)處理基站進行通信，并沒有串口擴展。本系統(tǒng)通過采用具有口的無線網(wǎng)絡擴展板，將模塊插入網(wǎng)絡擴展板的模塊插槽，即可通過無線網(wǎng)絡擴展板來完成與基站的通信。處理平臺目前市場上基于的處理器應用較為成熟，從功能適用、性能匹配以及成本因素上考慮，￥處理器是智能小區(qū)無線傳感器網(wǎng)絡應用中基站數(shù)據(jù)處理平臺較為理想的

21、選擇。在文章中基站模塊的硬件部分選用了的具有￥處理器的平臺。￥是基于的芯片，其內部結構如圖所忝，此芯片具有如下特點【】：（）的內核，標稱工作頻率為，最高工作頻率可達。（）運算能力為（）具有，能夠提供完整的操作系統(tǒng)移植。（）具有通用的外部接口。武漢科技大學碩士畢業(yè)論文第頁；嗍除嗍陣矧：剖，險令仁幾瓣酉一卜、矧哳一廠一盥二令目，舢仁令令仁刊刮仁刮、廠，令刪勛阼。一踟赫，、竺、：，除仁圖芯片結構圖攝像子系統(tǒng)攝像子系統(tǒng)主要由服務器和多個攝像頭組成，其硬件組成如圖所示。攝像子系統(tǒng)主要負責智能小區(qū)內一些公共區(qū)域的視頻監(jiān)控和視頻傳輸，通過攝像頭采集小區(qū)內的圖像信息，再經(jīng)由平臺做出處理以后，通過網(wǎng)絡傳送給主控

22、端。每個攝像頭通過接口與服務器連接起來，由進行視頻信息的相關處理，最后通過網(wǎng)口連接到智能小區(qū)的局域網(wǎng)內，與整個小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)整合在一起。圖攝像子系統(tǒng)硬件組成系統(tǒng)軟件本文中的系統(tǒng)是基于局域網(wǎng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，其框架結構如圖所示。在主控機端設計頁面，用于執(zhí)行操作和進行數(shù)據(jù)的交互，其中家庭予系統(tǒng)和攝像子系統(tǒng)都作為主控端數(shù)據(jù)來源的服務器，上面部署嵌入式服務器，以此來響應頁面的數(shù)據(jù)交互。第頁武漢科技大學碩士畢業(yè)論文編碼文件家庭子系統(tǒng)協(xié)議一，一舊也頁面一一一。一。服務，器；軟件一、（瀏覽器綰弛寸件肌攝像予系統(tǒng)甫離一。一盯札頁面：橐羹”軟件圖系統(tǒng)軟件結構圖家庭子系統(tǒng)軟件架構家庭子系統(tǒng)的功能主要是對單戶家庭的環(huán)境

23、信息進行監(jiān)控和報警。家庭子系統(tǒng)采用操作系統(tǒng)作為軟件的運行平臺，在嵌入式應用領域有著較好的系統(tǒng)裁剪性，能夠適應嵌入式設備的內存限制，并且具有較好的實時性、可靠性以及穩(wěn)定性【】。各類軟件的主要功能如下所示：（）操作系統(tǒng)為軟件的運行平臺。（）為儲存家庭子系統(tǒng)中信息的數(shù)據(jù)庫。（）服務器端的人機交互界面用來進行制作。（）將嵌入式服務器作為服務器（一）的網(wǎng)頁服務器。整體的軟件組成如圖所示。武漢科技大學碩士畢業(yè)論文第頁圖家庭子系統(tǒng)的軟件架構攝像子系統(tǒng)軟件架構攝像子系統(tǒng)負責對社區(qū)內的關鍵區(qū)域進行視頻監(jiān)控，各類軟件功能如下：（）操作系統(tǒng)為軟件的運行平臺。（）攝像子系統(tǒng)服務平臺上的視頻服務器由（流媒體服務器）進行

24、建立，并與結合提供視頻的服務。（）將嵌入式服務器作為服務器的網(wǎng)頁服務器。整體的軟件組成如圖所示。在平臺上移植操作系統(tǒng)作為軟件的運行平臺，移植作為流媒體服務器，移植作為嵌入式服務器，并且加載攝像頭驅動。攝像子系統(tǒng)采用攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，然后通過流媒體服務器和把視頻信息實時傳輸?shù)降闹骺叵到y(tǒng)顯示出來。，贏贏嘲畫夏廠一二一一堂全翌！竺一圖攝像子系統(tǒng)軟件架構嵌入式本章小結本章結合智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的應用背景，分析了基于智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡設計方案。本章介紹了系統(tǒng)的硬件架構，即家庭子系統(tǒng)與攝像子系統(tǒng)的硬件組成，并對傳感節(jié)點、處理平臺、攝像子系統(tǒng)的硬件組成部分進行了簡要的說明。本章還介紹了系統(tǒng)的軟第頁武漢科

25、技大學碩士畢業(yè)論文件結構，包括家庭子系統(tǒng)與攝像子系統(tǒng)所用到的軟件以及軟件功能介紹。武漢科技大學碩士畢業(yè)論文第頁第三章智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)在智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)中，主要分為有線部分以及無線部分的軟件設計與軟件實現(xiàn)。對于有線部分主要是將各個攝像子系統(tǒng)通過局域網(wǎng)連接至監(jiān)控終端，采用流媒體服務器進行視頻信息的采集、處理與傳輸。由于攝像頭的數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)處理技術已經(jīng)相當成熟，市面上存在很多較為成熟的解決方案，本章重點在于無線部分的軟件設計與軟件實現(xiàn)，即智能小區(qū)家庭子監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計與實現(xiàn)。家庭子系統(tǒng)的實現(xiàn)傳感網(wǎng)絡的設計與實現(xiàn)在家庭子系統(tǒng)中，各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點與數(shù)據(jù)收集節(jié)點之間采用無線傳感網(wǎng)絡的方式進

26、行通信，所采用的是網(wǎng)絡協(xié)議。網(wǎng)絡拓撲結構可以區(qū)分為星狀拓撲、網(wǎng)狀拓撲、點對點拓撲等拓撲結構【】。結合家庭子監(jiān)控網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳送范圍、組網(wǎng)的復雜度以及實際實現(xiàn)的易操作性，本文選取星型網(wǎng)絡拓撲結構。如圖所示。堋半功螗節(jié)點圖家庭子網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲結構從圖中可以看出，家庭子系統(tǒng)的組建方式是無線星型網(wǎng)絡拓撲結構，由多個功能節(jié)點（終端）和一個網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點（協(xié)調器）所組成。在本文的監(jiān)測系統(tǒng)中，與傳感器相連接，負責采集傳感器的狀態(tài)信息、控制傳感器的狀態(tài)，負責及時將所收集的環(huán)境信息傳送至節(jié)點，并負責接收來自節(jié)點的控制信息，執(zhí)行相應的處理。節(jié)點負責組建傳感網(wǎng)絡，負責接收從節(jié)點傳送而來的信息并通過串口轉送給服務器，負責接

27、收從串口傳入的控制指令并下達指令至各個節(jié)點以控制節(jié)點行為。網(wǎng)絡中節(jié)點工作流程（）節(jié)點工作流程節(jié)點第一步進行初始化，建立監(jiān)控網(wǎng)絡。當接收到來自節(jié)點的入網(wǎng)申請信息時，給它分配網(wǎng)絡地址，并將來自節(jié)點的節(jié)點信息幀（節(jié)點代號）保存到網(wǎng)絡列表。節(jié)點將串口發(fā)送過來的命令放入串口命令存儲緩沖區(qū)；將來自節(jié)點控的點節(jié)第頁武漢科技大學碩士畢業(yè)論文的信息放入信息接收緩沖區(qū)，都以串口中斷的方式來進行。節(jié)點循環(huán)查詢兩個緩沖區(qū)，若緩沖區(qū)不為空，則解析命令并傳送給節(jié)點；若緩沖區(qū)不為空，則通過串口傳送給。節(jié)點的處理流程如圖所示。串口中斷將接收到的串口命令保存至串兀命令緩沖區(qū)一一開始一一土，、一（結束）一圖節(jié)點流程圖（）節(jié)點工作

28、流程節(jié)點第一步進行初始化，申請加入傳感網(wǎng)絡，申請成功即獲得節(jié)點為自己分配的網(wǎng)絡地址，并發(fā)送本節(jié)點的第一幀（節(jié)點代號）至。若節(jié)點發(fā)生中斷（產生突發(fā)情況），則將需要發(fā)送出去的信息放入緩沖區(qū)，若發(fā)生來自制中斷或者查詢中斷，則將命令放入緩沖區(qū)。每隔時間段（可由用戶自行選擇）查詢本節(jié)點的各傳感器和小燈狀況，將狀態(tài)信息存入緩沖區(qū)。節(jié)點將循環(huán)查詢緩沖區(qū)和，若緩沖區(qū)不為空，則解析、執(zhí)行相應命令；若緩沖區(qū)不為空，則將內的信息發(fā)送給節(jié)點。節(jié)點的處理流程圖如圖所示。武漢科技大學碩士畢業(yè)論文第頁將異常信息存入無線否發(fā)送緩沖區(qū)”“每隔一段時問查詢本節(jié)點巾的傳感器與小燈狀態(tài)，并將信息存入無線發(fā)送緩沖區(qū)查咖緩沖區(qū)與，執(zhí)行相

29、應操作廠一一、，一一、返回（、竺！圖節(jié)點流程圖、一砌服務器的數(shù)據(jù)處理過程在本文的監(jiān)控系統(tǒng)中，服務器程序采用多線程的組織結構，如圖所示。各個線程之間通過信號量進行同步與互斥方式的交互，線程間的公用數(shù)據(jù)存放在全局變量區(qū)域，以提供數(shù)據(jù)的共享。每個程序是一個單獨的進程，必須由來進行調用，以協(xié)助界面實時的顯示當前監(jiān)控區(qū)域中各傳感器節(jié)點的狀態(tài)信息。系統(tǒng)中各個線程相互協(xié)同以實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。節(jié)點廠，界面一，廠茅圖服務器軟件結構，；號程線的程線建創(chuàng)新回返于用數(shù)參第頁武漢科技大學碩士畢業(yè)論文如下圖與圖所描述，為服務器中的數(shù)據(jù)的傳遞方向以及數(shù)據(jù)的處理流程圖。一監(jiān)測信息圖家居信息數(shù)據(jù)流圖囪黼息圖磁控制信息圖控制信

30、息數(shù)據(jù)流圖多線程的實現(xiàn)多線程作為一種多任務、并發(fā)的工作方式，具有以下優(yōu)點【】：（）能夠充分的利用資源，提高應用程序的運行速度。（）不同線程之間互不影響，使得線程同步運行。（）改善程序的結構，能夠方便的進行線程間通信等。在系統(tǒng)中包含有線程操作的函數(shù)，本系統(tǒng)采用的是的線程庫。下面介紹幾個重要的函數(shù)【】：線程的創(chuàng)建函數(shù)：（。宰，（）（）：，是線程函數(shù)指針，線程從這個函數(shù)開始獨立地運行；是傳遞給線程函數(shù)的參數(shù)。由于是一個指向參數(shù)類型為，返回值為的指針。）；等待線程結束的函數(shù)：武漢科技大學碩士畢業(yè)論文第頁（，棗木）；參數(shù)是希望等待的線程的線程號，是指向線程返回值的指針。多個線程在并發(fā)執(zhí)行時，可以按系統(tǒng)的

31、實際情況讓各線程間互斥或同步執(zhí)行。其中互斥可以用來保證一段時間內只有一個線程在執(zhí)行某一段代碼，同步是讓不同線程間以一定的順序依次執(zhí)行。本文的智能小區(qū)家庭子系統(tǒng)中，采用互斥鎖來實現(xiàn)線程互斥，采用信號量來實現(xiàn)線程同步。串口通訊的實現(xiàn)串行口在計算機領域有著廣泛的利用，是計算機一種常用的接口，具有連接線少，通訊簡單等特點。在本文的智能小區(qū)家庭子監(jiān)控系統(tǒng)中，所采用的串口標準是接口，數(shù)據(jù)收集節(jié)點通過串口與服務器平臺進行通訊。由于在系統(tǒng)中引入了設備文件的概念，讀寫串口就是對串口設備文件進行讀寫操作，操作非常方便。在家庭子監(jiān)控系統(tǒng)中，設計了串口發(fā)送和串口接收兩個線程。串口發(fā)送線程的主要功能是把服務器的控制命令

32、發(fā)給傳感網(wǎng)絡的匯聚節(jié)點。串口接收線程主要是接收來自傳感網(wǎng)絡發(fā)送過來的監(jiān)測信息，并對監(jiān)測信息作出分析以及相應的處理。兩個串口處理線程的工作流程如圖所示。（開始、一圭一一，被喚醒主一對串口上鎖是發(fā)送數(shù)據(jù)上對串口解鎖，是否接到、確認信息甭串口接收線程串口發(fā)送線程圖串口接收發(fā)送流程第頁武漢科技大學碩士畢業(yè)論文的建立及程序流程在本文的系統(tǒng)中，移植了嵌入式服務器。此嵌入式服務器的功能是將傳感節(jié)點所采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示到頁面上，以提供遠程端的用戶通過服務查看當前信息，并給用戶提供交互界面。在本文智能小區(qū)家庭子監(jiān)控系統(tǒng)中，服務器的軟件流程如圖所示。否圖服務器的處理流程圖齟程序由進行調用，從服務器中取出相關數(shù)據(jù)信

33、息，并將數(shù)據(jù)反饋給，再由將數(shù)據(jù)信息反饋至肌表單，在瀏覽器上進行顯示，工作過程如圖所示。墮錈一嵌入式眥服務器一一一一信息一一圖程序工作過程武漢科技大學碩士畢業(yè)論文第頁攝像子系統(tǒng)的實現(xiàn)在攝像子監(jiān)控系統(tǒng)中，本文在服務器上移植操作系統(tǒng)作為軟件的運行平臺，移植作為流媒體服務器，移植作為嵌入式曲服務器，并加載攝像頭的驅動。系統(tǒng)的軟件流程如圖所示。獲得一幀圖像上；把圖片組成視頻流上把視頻接入務器中頁面上顯示視頻圖攝像監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程圖本文是在嵌入式系統(tǒng)平臺上，采用編程來實現(xiàn)監(jiān)控功能。攝像子系統(tǒng)的圖像采集流程如圖所示。能夠為市場常見的電視捕獲卡、并口以及口的攝像頭提供統(tǒng)一的編程接口函數(shù)，是中關于視頻設備的內核

34、驅動。在中，視頻設備是設備文件，可以像訪問普通文件一樣對其進行讀寫，以實現(xiàn)對設備文件的操作。采集程序的實現(xiàn)過程如下：調用函數(shù)打開與視頻設備相對應的設備文件：接著讀取設備的相關信息，若有必要則更改設備的當前設置；接著進行視頻采集，可以采用內存映射的方式也可直接從視頻設備進行讀取，本文采取直接讀取的方式；最后對采集的視頻進行處理，即計算大小并開始傳輸。第頁武漢科技大學碩士畢業(yè)論文打開視頻設備打開并設置設備信息設置圖片的寬度、高度等屬性獲得圖像采集后所存放的內存區(qū)域，開始進行視頻采集一否是否用直接讀取視（）、頻設備，！計算圖片的大小，將。圖片內容寫入文件用套接字方式傳輸每幀圖像否令關閉設備圖攝像頭圖

35、像采集流程本章小結本章主要介紹了智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)，由于無線網(wǎng)絡的實現(xiàn)部分市面已經(jīng)有了很多的成熟方案，本章主要針對智能小區(qū)家庭監(jiān)控子系統(tǒng)的軟件設計以及軟件實現(xiàn)做了詳細的分析說明。在家庭子監(jiān)控系統(tǒng)中，涉及到網(wǎng)絡中節(jié)點和節(jié)點的處理流武漢科技大學碩士畢業(yè)論文第頁程，服務器的處理流程，串口通訊的處理流程，以及的處理流程。本章還介紹了攝像監(jiān)控子系統(tǒng)的軟件設計與軟件實現(xiàn)，列出了數(shù)據(jù)處理的關鍵流程及部分重要處理函數(shù)。第頁武漢科技大學碩士畢業(yè)論文第四章智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)無線傳感路由協(xié)議的改進在智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的設計中，包括家庭子系統(tǒng)與攝像子系統(tǒng)。在攝像子系統(tǒng)中，通過有線方式將監(jiān)測端與主控端進行連接，采用

36、協(xié)議將攝像子系統(tǒng)接入局域網(wǎng)絡，主要用包來實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的傳輸。當前計算機領域中，有線網(wǎng)絡技術已經(jīng)相當成熟，能夠滿足攝像子系統(tǒng)的應用需求。在家庭子系統(tǒng)中，采用無線傳感網(wǎng)絡的方式實現(xiàn)單個家庭范圍內的信息采集與傳輸。然而無線傳感網(wǎng)絡的組網(wǎng)以及網(wǎng)絡協(xié)議與具體應用聯(lián)系緊密，并沒有一種適合所有無線傳感網(wǎng)絡領域的通用路由協(xié)議。要保證智能小區(qū)家庭子系統(tǒng)中信息的實時采集、低能耗以及高數(shù)據(jù)傳輸率，必須開發(fā)適合智能小區(qū)家庭子監(jiān)控系統(tǒng)背景下的無線傳感網(wǎng)絡路由協(xié)議。目前已經(jīng)有很多研究人員提出無線傳感網(wǎng)絡領域的路由協(xié)議，例如泛洪法（）】、閑聊法（）、協(xié)議【】、定向擴散協(xié)議（）】、協(xié)議、協(xié)議【、協(xié)議（）和多路徑路由協(xié)議【】等。

37、其中定向擴散路由協(xié)議的應用范圍較廣泛，但是數(shù)據(jù)傳輸丌銷大，實時性能也不夠優(yōu)秀；閑聊法適用于延遲要求不高的場合；適用于能夠獲得邊界信息的場合：協(xié)議適用于延遲敏感的小規(guī)模網(wǎng)絡；適用于對突發(fā)事件響應要求較高的場合；協(xié)議需要每個網(wǎng)絡能夠提供每個節(jié)點的位置信息：多路徑路由協(xié)議適用于健壯性要求高但是實時需求相對較低的場合。綜合分析與比較當前較為流行的無線傳感網(wǎng)絡路由協(xié)議，本文認為定向擴散路由協(xié)議應用區(qū)域較廣，可以將其應用于智能小區(qū)家庭子系統(tǒng)的監(jiān)控網(wǎng)絡。在智能小區(qū)家庭子監(jiān)控系統(tǒng)中，信息采集節(jié)點需要具有較長的網(wǎng)絡生命周期，需要能夠主動監(jiān)測環(huán)境信息，需要能夠將突發(fā)事件及時傳送回監(jiān)控端，還必須滿足一定的分組接收率

38、要求。但是將定向擴散路由協(xié)議應用于智能小區(qū)家庭子監(jiān)控系統(tǒng)中，網(wǎng)絡傳輸?shù)难訒r性、能耗性以及要求方面還需要改進，才能夠更加符合智能小區(qū)家庭監(jiān)控子系統(tǒng)的應用需求。定向擴散路由協(xié)議分析定向擴散路由協(xié)議是由，等研究人員在年的時候提出的，定向擴散協(xié)議中引入了梯度的概念，是一種查詢驅動的數(shù)據(jù)傳輸模式，并與屬于數(shù)據(jù)融合范疇的局部算法相結合了來起來，被認為是無線傳感網(wǎng)絡平面式路由協(xié)議研究領域的里程碑【。在定向擴散協(xié)議的基礎上，已經(jīng)有很多學者進行了研究與改進，例如基于跳數(shù)值的梯度建立機制，對兩階段泛洪傳播的優(yōu)化，對兩階段推拉算法的縮減等，很多無線傳感網(wǎng)絡領域的路由協(xié)議，都是在定向擴散模型的基礎上發(fā)展而來。定向擴散

39、路由協(xié)議的工作流程如下所示：（）當有查詢需求的時候，由基站節(jié)點周期性的廣播興趣消息（即查詢消息），當節(jié)武漢科技大學碩士畢業(yè)論文第頁點收到興趣消息以后與消息列表（每個節(jié)點在本地保存有一個興趣列表）進行比對。如果沒有對應的興趣記錄則增加一條新的興趣記錄；如果已經(jīng)存在對應的興趣記錄，則查找當前興趣記錄中是否有對應的梯度項，若存在對應的梯度信息則更新當前梯度的時間域，若不存在對應的梯度信息，則增加對應的梯度項【。各節(jié)點收到興趣消息時重復類似動作，直到找到與興趣相匹配的源節(jié)點或者直到消息遍歷全網(wǎng)。（）在興趣擴散的同時，當節(jié)點接收到鄰居節(jié)點發(fā)送來的興趣，會在本地興趣列表中建立起指向鄰居節(jié)點的反向梯度【。當

40、數(shù)據(jù)采集節(jié)點收集到與興趣相匹配的數(shù)據(jù)，就按照梯度所記錄的數(shù)據(jù)傳輸率（由興趣包攜帶）來設置節(jié)點的數(shù)據(jù)采集率，并沿著梯度將數(shù)據(jù)發(fā)送給自己的鄰居節(jié)點，進行低速率的泛洪傳播，直到數(shù)據(jù)送達【節(jié)點。（）基站在收到源節(jié)點發(fā)送來的探測數(shù)據(jù)以后，根據(jù)一定的挑選規(guī)則挑出一條所認為性能最優(yōu)的路徑，將其作為基站與源節(jié)點之間的增強路徑，通過發(fā)送路徑增強消息來形成加強路型。在加強路徑建立完成以后，數(shù)據(jù)采集節(jié)點與收集節(jié)點之間的高速率傳輸通道便建立了起來。節(jié)點嗽節(jié)點探測包泛洪圖定向擴散協(xié)議關鍵路由過程柚圖為定向擴散協(xié)議中，興趣以及探測包的泛洪過程。路徑的增強與興趣泛洪過程類似，只是由選擇性的興趣傳播替代泛洪傳播，數(shù)據(jù)的傳輸與

41、探測包泛洪過程類似，只是由選擇性的高速率數(shù)據(jù)傳輸替代泛洪傳輸。在定向擴散路由協(xié)議中，采用的是局部的數(shù)據(jù)聚集模式，能夠一定程度上減少整個網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流，然而卻需要進行兩次全網(wǎng)范圍的泛洪擴散。泛洪傳輸更易導致智能小區(qū)家庭子監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)包過多，導致過多的節(jié)點能耗，導致數(shù)據(jù)包的沖突碰撞率上升。在定向擴散協(xié)議中，只有加強路徑建立完畢才能開始高速率的數(shù)據(jù)采集，信息傳輸?shù)难舆t性能還并不理想。由定向擴散協(xié)議的路由算法所決定，源節(jié)點只有在收到查詢消息時才會進行信息的傳輸，當采集端發(fā)生緊急狀況不能主動告知監(jiān)測端。我們必須對定向擴散協(xié)議第頁武漢科技大學碩士畢業(yè)論文進行改進，使其更加符合智能小區(qū)家庭子監(jiān)控系統(tǒng)的

42、應用需求。多徑路由協(xié)議分析多路徑路由最早由學者和提出，主要用于領域的路由研究，能夠與網(wǎng)絡的一些特點有效結合。近來多路徑路由算法已經(jīng)有了很多的研究成果，如基于矧的算法和算法等，基于】的和等。多徑路由指為任意一對通信節(jié)點同時提供多條可用的路徑，并允許節(jié)點自己選擇如何使用這些路徑【。多徑路由能夠為不同的服務質量要求提供不同選擇的路徑，為同一服務提供多條供選擇的路徑以提高服務質量，還能夠根據(jù)網(wǎng)絡的狀態(tài)來調整路徑的選擇，使更多的節(jié)點參與到傳輸過程中以提高網(wǎng)絡利用率。在定向擴散協(xié)議中，路徑加強階段所形成的是單路徑，數(shù)據(jù)以后都在此條路徑上進行傳輸直到失效。若使用多路徑進行傳輸，則能夠將數(shù)據(jù)分配給多條路徑同時進行傳輸，避免了多條消息對單條傳輸通道的等待，延時性能明顯優(yōu)于單路徑。在單路徑路由過程中如果路徑失效則必