基于物聯(lián)網(wǎng)的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著通信技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，安防監(jiān)控系統(tǒng)逐漸進(jìn)入大眾的視線并成為熱門(mén)的研究課題。作為安防系統(tǒng)的子系統(tǒng)，家庭火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)在減少家庭災(zāi)害發(fā)生，提高人們生活質(zhì)量方面發(fā)揮了重要的作用。傳統(tǒng)的家庭火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)往往存在不嫌不便、單傳感器監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度不高、遠(yuǎn)程監(jiān)控能力不強(qiáng)等諸多缺陷。網(wǎng)絡(luò)化的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)在系統(tǒng)造價(jià)上價(jià)格不菲，減少監(jiān)控系統(tǒng)成本和功耗，提高系統(tǒng)集成度和準(zhǔn)確度是本課題設(shè)計(jì)目的。為此，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式家庭火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。運(yùn)用ZigBee技術(shù)構(gòu)建家庭監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的傳輸鏈路，依托物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施Internet，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程家庭火災(zāi)監(jiān)控。設(shè)計(jì)多傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境狀態(tài)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在智能網(wǎng)關(guān)中心進(jìn)行融合解決，提高監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度，得到最終的監(jiān)測(cè)結(jié)果；以嵌入式路由芯片RT3052實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)關(guān)，減少系統(tǒng)的成本和功耗。為了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，分別對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能網(wǎng)關(guān)部分進(jìn)行了具體的硬件和軟件設(shè)計(jì)。為家庭火災(zāi)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)煙霧、氣體、火焰、溫度等傳感器電路；為入侵監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)了紅外熱釋電傳感電路。以ZigBee單芯片CC2530為核心，構(gòu)建家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)，運(yùn)用ZigBee2023協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信。通過(guò)測(cè)試，設(shè)計(jì)的無(wú)線ZigBee網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)平臺(tái)能完畢和ZigBee和Internet的交互，能對(duì)的采集多傳感器數(shù)據(jù)，監(jiān)控火情，較高概率對(duì)火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與報(bào)警，達(dá)成了預(yù)期的目的。關(guān)鍵詞：火災(zāi)監(jiān)控；ZigBee；多傳感器；智能網(wǎng)關(guān)；數(shù)據(jù)融合ABSTRACTWiththedevelopmentofcommunicationstechnologyandtheimprovementofpeople'slivingstandards,securitymonitoringsystemisgraduallyknownbyusandhasbecomeahotresearchtopic.Asasubsystemofthesecuritymonitoringsystem,homefiremonitoringsystemplaysanimportantroleinreducingfamilydisasters,improvingthequalityofpeople'sLive.Traditionalhomefiremonitoringsystemhasmanydefects,suchasinconvenientwiring,lowmonitoringaccuracyofsingle-sensorandpoorremotemonitoringcapacity.Thenetworkedfirecontrolsystemonthesystemcostisnotcheap,loweringthecostofmonitoringandcontrolsystemandpowerconsumption,improvethesystemintegrationandaccuracyofthistopicdesigngoal.Tothisend,thispaperproposesaembeddedhomefiremonitoringsystembasedonInternetofthings.UsingZigBeetechnologytobuildfamilymonitoringnetworktransmissionlink,relyingontheInternetinfrastructurenetworkInternet,realizethefamilyfireremotemonitoring.Multiplesensorstomonitorenvironmentalstateisdesigned,andthemonitoringdatafusionprocessinginthecenteroftheintelligentgateway,toimprovemonitoringaccuracy,getthefinalmonitoringresults;RoutingonembeddedchipRT3052intelligentgateway,reducethesystemcostandpowerconsumption.Inordertorealizethesystemofwirelesssensornetworkandintelligentgatewaypartcarriedonthedetaileddesignofhardwareandsoftware.Designedforhomefiremonitoringsmoke,gas,suchasflame,temperaturesensorcircuit;Monitoringfortheinvasionofpyroelectricinfraredsensorcircuitisdesigned.WithZigBeeCC2530singlechipasthecore,tobuilddomesticnetworkcommunicationsplatform,usingZigBee2023protocolstacktoachievethewirelessdatacommunication.Undertesting,theZigBeewirelessnetworkcancommunicateproperly，intelligentgatewaycanaccomplishthedataforwardingbetweenZigBeeandtheInternet.Besides,itcanproperlycollectthemulti-sensordata,monitorthefireanddetecthomefireinahighprobability.Inaword,thehomesecuritymonitoringsystemachievesthedesiredobjective.Keywords:firemonitoring.ZigBee,multi-sensorintelligentgateway,datafusion引言物聯(lián)網(wǎng)——一個(gè)具有前瞻性的技術(shù)，迅速成為信息技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)，其核心技術(shù)更是成為眾多學(xué)者的研究焦點(diǎn)，并將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)看做是一場(chǎng)一觸即發(fā)的科技火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主線目的，是為了可以在最早的時(shí)間探測(cè)到火災(zāi)的發(fā)生，從而響應(yīng)人員第一時(shí)間采用措施，把火災(zāi)控制在和消滅在初期階段。若火災(zāi)發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，導(dǎo)致報(bào)警延誤，由小火變成大火，就也許導(dǎo)致重大的人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。我國(guó)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)起步較發(fā)達(dá)國(guó)家晚幾十年，雖然取得了較快的發(fā)展，但大多數(shù)是引進(jìn)國(guó)外技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)較少。目前的實(shí)際工程當(dāng)中傳統(tǒng)型的區(qū)域報(bào)警系統(tǒng)和集中報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，大多數(shù)為多線制連接方式，即探測(cè)器、報(bào)警器、控制器之間是采用兩條或多條的銅芯絕緣導(dǎo)線。其系統(tǒng)安裝成本約占設(shè)備成本的33%-70%，且施工復(fù)雜，系統(tǒng)擴(kuò)展性能差，自稱體系，自我封閉，線路易老化或遭到腐蝕，抗干擾能力，誤報(bào)警率高。目前大力發(fā)展的智能化火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用較少，重要集中智能系統(tǒng)為主，巡檢速度低，穩(wěn)定性和可靠性差，不合用于規(guī)模龐大的建筑。大多數(shù)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)以感溫、感煙探測(cè)器為主，存在比較突出的遲報(bào)、誤報(bào)、漏報(bào)、損毀等現(xiàn)象，往往達(dá)不到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)定，這些都是制約著火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)展的障礙。分析以上局限性，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)向著網(wǎng)絡(luò)化。智能化、高可靠性等方向發(fā)展是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。文本講物聯(lián)網(wǎng)這一新興技術(shù)引入到火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，作為連接探測(cè)端和控制端的傳輸鏈路，可靠快速的傳遞信息，并改變傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)器布局方式，提高探測(cè)火災(zāi)的覆蓋范圍，有效的提高火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以提高網(wǎng)路容量，對(duì)探測(cè)范圍內(nèi)的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)編碼，對(duì)于移動(dòng)設(shè)備、大空間火災(zāi)探測(cè)等熱點(diǎn)問(wèn)題也具有很好的效果，是火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)展的新方向。1緒論1.1系統(tǒng)開(kāi)發(fā)背景隨著社會(huì)的不斷的發(fā)展，社會(huì)財(cái)富日益增長(zhǎng)，人們對(duì)家居生活質(zhì)量規(guī)定越來(lái)越高。房子不僅僅限于傳統(tǒng)的居住功能，提供舒適安全、高品位的生活空間是人們對(duì)未來(lái)的美好期待?；馂?zāi)對(duì)人們的生產(chǎn)和生活安全構(gòu)成了極大的威脅。據(jù)記錄，70年代我國(guó)火災(zāi)平均損失為2.5億元，80年代我國(guó)火災(zāi)平均損失有所增長(zhǎng)，但約為3.2億元。從90年代開(kāi)始，特別是1993年以后，火災(zāi)導(dǎo)致的財(cái)產(chǎn)損失直線上升，年平均損失高達(dá)十幾億元，每年因火災(zāi)死亡人數(shù)多于2023人。因此實(shí)現(xiàn)家庭火災(zāi)監(jiān)控具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。我國(guó)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從無(wú)到有、簡(jiǎn)樸到復(fù)雜的發(fā)展過(guò)程，其智能化限度也越來(lái)越高。目前，國(guó)產(chǎn)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)均采用漢字顯示，價(jià)格低廉，適合我國(guó)國(guó)情，但是火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)由于多數(shù)沒(méi)有分布智能呢個(gè)，可靠性低，且產(chǎn)品沒(méi)有沒(méi)有形成系列化、品種不全，產(chǎn)品的外觀也較差，變成復(fù)雜，調(diào)試部方便，設(shè)備兼容性差。國(guó)外產(chǎn)品多數(shù)具有分布智能，可靠性性高，產(chǎn)品的具有系列化、品種齊全，產(chǎn)品外觀美觀，人機(jī)對(duì)話功能強(qiáng)。缺陷是多數(shù)沒(méi)有漢化，操作維護(hù)部便，價(jià)格較高，設(shè)備兼容性差。世界無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還處在起步階段，我國(guó)在這些方面處在世界的前列，但是目前我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，技術(shù)還處在概念和實(shí)驗(yàn)的初級(jí)階段，物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈條還沒(méi)有徹底形成，處在起步階段，但物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景是令人期待的，以后的發(fā)展空間是巨大的。上世紀(jì)九十年代以來(lái)，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)得到了不同限度的發(fā)展?；馂?zāi)預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)用無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)室把整個(gè)系統(tǒng)連成一個(gè)集中的網(wǎng)絡(luò)，在控制屏幕上能及時(shí)看清楚哪些地方有也許誘發(fā)火災(zāi)，可以及時(shí)作出相應(yīng)的解決。家庭住所就是一個(gè)互相關(guān)聯(lián)的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)論哪個(gè)角落出現(xiàn)了火災(zāi)隱患點(diǎn)它不久就會(huì)以無(wú)線的方式傳輸?shù)娇刂浦行?，甚至直接控制滅火裝置，這就需要看設(shè)計(jì)的需要了。1.2系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的目的與意義現(xiàn)有的家庭火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)存在著安裝不便，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度和遠(yuǎn)程監(jiān)控能力不強(qiáng)等缺陷，與人們對(duì)居住環(huán)境的規(guī)定越來(lái)越高，家用設(shè)施的安全管理亟待改善的迫切需要形成了強(qiáng)烈的矛盾，家庭內(nèi)部監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量小，對(duì)傳輸實(shí)時(shí)性的規(guī)定不高，選用ZigBee為代表的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)組建智能網(wǎng)關(guān)，連接家庭內(nèi)部監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)，用戶只要通過(guò)瀏覽訪問(wèn)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，便可以對(duì)家庭中的各種危險(xiǎn)情況，如煤氣泄漏、火災(zāi)引發(fā)、入室盜竊進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，監(jiān)控報(bào)警信息能自動(dòng)發(fā)送到用戶的手機(jī)上，提醒采用措施。據(jù)記錄，全家家庭各種室盜竊犯罪案件和因煤氣泄漏引發(fā)的火災(zāi)正呈現(xiàn)最年攀升的態(tài)勢(shì)。本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提高了家庭安全性，為構(gòu)建和諧社會(huì)奠定了一定上網(wǎng)基礎(chǔ)：另一方面，由于本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)樸、安裝方便、價(jià)格低廉，也為普通中低收入家庭火災(zāi)遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了一個(gè)良好的選擇。1.3火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)可以及時(shí)有效發(fā)現(xiàn)火情，迅速產(chǎn)生報(bào)警，是減少火災(zāi)災(zāi)害的重要工具?？v觀火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程，一般可以分為以下幾個(gè)發(fā)展階段：第一個(gè)階段，從十九世紀(jì)到上世紀(jì)中期，這個(gè)階段使用簡(jiǎn)樸的感溫探測(cè)器來(lái)進(jìn)行火災(zāi)的探測(cè)，火災(zāi)探測(cè)根據(jù)探測(cè)環(huán)境的溫度參量鑒定是否有火災(zāi)發(fā)生，容易受到外界干擾，靈敏度低并且響應(yīng)慢。第二階段，從上世紀(jì)50年代到70年代，誕生了離開(kāi)感煙探測(cè)器，一般采用“先見(jiàn)煙再見(jiàn)火”的探測(cè)手段。這個(gè)時(shí)期的檢測(cè)系統(tǒng)多采用多線制，規(guī)定一個(gè)火災(zāi)探測(cè)器與報(bào)警器有至少兩條的導(dǎo)線相連，保證探測(cè)點(diǎn)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，但是存在布線復(fù)雜。調(diào)試難度大等缺陷。第三階段，從上世紀(jì)80年代開(kāi)始，采用總線制火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)，火災(zāi)探測(cè)器和報(bào)警器之間的通信需要一臺(tái)微機(jī)和收發(fā)電路實(shí)現(xiàn)，使用全總線控制，有布線簡(jiǎn)樸、安裝調(diào)試容易、火災(zāi)報(bào)警定位精確等優(yōu)點(diǎn)。第四階段，從上世紀(jì)80年代后期至今，隨著著計(jì)算機(jī)技術(shù)。傳感器技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，火災(zāi)監(jiān)測(cè)體系走向了智能化和網(wǎng)絡(luò)化，出現(xiàn)了分布式智能和網(wǎng)絡(luò)通信火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。分布式智能火災(zāi)系統(tǒng)特點(diǎn)在于火災(zāi)探測(cè)器解決火災(zāi)信號(hào)，提高了火災(zāi)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和可靠性；網(wǎng)絡(luò)通信火災(zāi)系統(tǒng)使得火災(zāi)報(bào)警控制器能通過(guò)Internet互換信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程火災(zāi)信息管理和通信服務(wù)。國(guó)外火災(zāi)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)起步較早，許多國(guó)家已經(jīng)建立了城市火災(zāi)的自動(dòng)報(bào)警網(wǎng)絡(luò)，形成了比較完善的火災(zāi)預(yù)警和藹后解決體系。我國(guó)對(duì)火災(zāi)監(jiān)控應(yīng)用起步較晚，隨著改革開(kāi)放的進(jìn)一步和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速增長(zhǎng)，我國(guó)的火災(zāi)監(jiān)控行業(yè)發(fā)展迅速，系統(tǒng)控制模式逐步從多線制控制系統(tǒng)、多元化一體化向分布式控制系統(tǒng)發(fā)展；探測(cè)技術(shù)從單一的感煙探測(cè)器發(fā)展成多元復(fù)合探測(cè)。然而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的消防報(bào)警產(chǎn)品型號(hào)繁雜，各種產(chǎn)品提供的接口。通信協(xié)議都存在較大差異，導(dǎo)致出現(xiàn)故障之后，因廠家因素得不到及時(shí)維修，埋下了較大的火災(zāi)隱患。隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，我國(guó)逐漸講無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到火災(zāi)探測(cè)領(lǐng)域。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多研究單位和高校都開(kāi)展了相應(yīng)的研究，雖然只是起步階段，應(yīng)用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)控有巨大的研究潛力和市場(chǎng)應(yīng)用前景。在家庭監(jiān)控系統(tǒng)中，控制網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)不可或缺的部分，起著信息傳達(dá)的作用，一方面控制網(wǎng)絡(luò)收集傳感器終端的信號(hào)或電子產(chǎn)品并傳遞到主控制器，另一方面下達(dá)主控制器對(duì)終端家用電器或者電子產(chǎn)品的控制信號(hào)，從目前的發(fā)展來(lái)看，控制網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了從電力載波到家庭總線，再到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程。家庭控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸率規(guī)定較低，但對(duì)傳輸?shù)臏?zhǔn)確度規(guī)定較高，有線的網(wǎng)絡(luò)架設(shè)存在著布線成本高、安裝不夠靈活、升級(jí)困難等諸多弊端，這為家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用提供了機(jī)遇。1.4本文的研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排傳統(tǒng)家庭火災(zāi)監(jiān)測(cè)暴露出不嫌不便。監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度不高、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)能力不強(qiáng)等弊端，本文擬構(gòu)建一款低成本、低復(fù)雜度、高性價(jià)比的家庭火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)用ZigBee技術(shù)，構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，作為家庭監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸鏈路；運(yùn)用嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建智能網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)連接內(nèi)部傳感網(wǎng)絡(luò)、外部Internet網(wǎng)并作為整個(gè)系統(tǒng)的控制盒解決中心。為了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，對(duì)ZigBee的原理和組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，應(yīng)用ZigBee單芯片CC2530組建了家庭網(wǎng)絡(luò)，完畢傳感器數(shù)據(jù)的獲取和傳輸。在智能網(wǎng)關(guān)端，通過(guò)在嵌入式系統(tǒng)上一直Web服務(wù)器，以SQLite作為嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用CGI接口嵌入式Web服務(wù)器和用戶瀏覽器之間的動(dòng)態(tài)頁(yè)面的交互。為了提高監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，引入了數(shù)據(jù)融合理論，暈暈多傳感器感知家庭環(huán)境狀態(tài)，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和證據(jù)理論多傳感器信息以判斷火災(zāi)狀態(tài)。論文的章節(jié)組織安排如下：：緒論。介紹系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的背景、目的和意義，回顧火災(zāi)控制系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，并比較常見(jiàn)短距離無(wú)線通信技術(shù)的特點(diǎn)，給出本文的研究?jī)?nèi)容。：系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。給出家庭火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能網(wǎng)關(guān)的構(gòu)建、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。具體的闡述了家庭火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)。：系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。具體介紹了ZigBee網(wǎng)絡(luò)、傳感器節(jié)點(diǎn)軟件、多傳感器數(shù)據(jù)融合和智能網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)。：系統(tǒng)的測(cè)試與分析。進(jìn)行了ZigBee網(wǎng)絡(luò)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)試盒分析。：總結(jié)和展望?？偨Y(jié)了本文的重要工作，指出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分存在的局限性和有待改善的地方，并對(duì)下一步工作進(jìn)行了展望。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)2.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，系統(tǒng)重要涉及ZigBee無(wú)線傳感器和智能網(wǎng)關(guān)兩個(gè)部分。本設(shè)計(jì)以ZigBee芯片cc2530為核心組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以路由芯片RT3052實(shí)現(xiàn)嵌入式智能網(wǎng)關(guān)。在終端設(shè)計(jì)多種監(jiān)控傳感器，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)與Internet交互，方便用戶遠(yuǎn)程登錄網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行查詢，并發(fā)送報(bào)警信息。圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖總體來(lái)說(shuō)，本系統(tǒng)重要功能有：智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)無(wú)線路由功能，方便家用電腦和手機(jī)設(shè)備接入Internet,訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)資源：用戶通過(guò)瀏覽器遠(yuǎn)程登錄網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，以網(wǎng)頁(yè)的形式實(shí)時(shí)查看家庭監(jiān)控狀況。家庭內(nèi)部布置了檢測(cè)火災(zāi)的溫度傳感器、煙霧傳感器、一氧化碳傳感器等：監(jiān)測(cè)入侵的紅外熱釋電傳感器，這些傳感器的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及綜合效果均可在網(wǎng)頁(yè)上展示。為了增長(zhǎng)視頻監(jiān)控的能力，在家庭智能網(wǎng)關(guān)上，可以通過(guò)啟動(dòng)WIFI攝像頭，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控;當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到危險(xiǎn)信號(hào)，比如系統(tǒng)鑒定有火情發(fā)生或是有人入侵，智能網(wǎng)關(guān)將報(bào)警信息及時(shí)發(fā)送到用戶手機(jī)上，告知用戶采用解決措施。系統(tǒng)的工作流程是：智能網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)發(fā)送監(jiān)控命令，此命令啟動(dòng)各個(gè)監(jiān)控終端按照一定的周期采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)按照約定的格式發(fā)送的網(wǎng)關(guān)端；網(wǎng)關(guān)端移植嵌入式Web服務(wù)器，用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)該服務(wù)器，以網(wǎng)頁(yè)方式監(jiān)測(cè)家庭狀況；一旦系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到危險(xiǎn)，便通過(guò)飛信向注冊(cè)過(guò)的手機(jī)用戶發(fā)送報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)完整的家庭火災(zāi)監(jiān)控。2.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息的獲取是應(yīng)用的首要環(huán)節(jié)，傳感器作為最基本的信息獲取手段，直接用于感知外部信息。傳感器可以將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)化成與之相相應(yīng)的信號(hào)，方便后端解決。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在組成上往往包含信號(hào)感知系統(tǒng)、信號(hào)解決系統(tǒng)、信號(hào)傳輸通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)四個(gè)部分。圖2.2是一個(gè)典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其工作方式是：大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)自組織方式形成感知網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)作為信息的采集者和發(fā)送者，通過(guò)設(shè)立的路由節(jié)點(diǎn)，完畢多跳信息傳輸，最后信息匯聚到sink節(jié)點(diǎn)（匯聚節(jié)點(diǎn)），內(nèi)部的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)就是通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)與外部網(wǎng)絡(luò)通信，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用微小型的傳感器節(jié)點(diǎn)獲取信息，節(jié)點(diǎn)之間具有自動(dòng)組網(wǎng)和協(xié)同工作能力，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部采用無(wú)線通信方式，與傳統(tǒng)的傳感器相比，具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)：靈活性強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)布設(shè)便可開(kāi)展工作；可靠性強(qiáng)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)某些節(jié)點(diǎn)失效，其功能可由其他節(jié)點(diǎn)代替；精度高，大量傳感器節(jié)點(diǎn)可提高監(jiān)控區(qū)域的信息感知精度；圖2.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2.2.1ZigBee技術(shù)ZigBee技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)率、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)，其底層采用的協(xié)議為IEEE802.15.4。根據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee定義了三個(gè)工作頻段，分別是868MHZ、915MHZ和2.4GHZ。其中2.4GHZ頻段是全球通用的ISM頻段，在該頻段，數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)成250kbps,此外兩個(gè)頻段868/915MHZ傳輸速率分別是20kbps和40kbps.ZigBee技術(shù)重要針對(duì)以電池為電源的應(yīng)用，這些應(yīng)用對(duì)低數(shù)據(jù)率。低成本。更高的電池壽命有較高的規(guī)定。在某些ZigBee的應(yīng)用中，無(wú)線設(shè)備大部分時(shí)間處在休眠模式，因此，ZigBee設(shè)備在電池需要更換前可以工作數(shù)年之久。當(dāng)無(wú)線通信的目的在于發(fā)送或者接受簡(jiǎn)樸的命令，或從傳感器收集信息，ZigBee能提供比現(xiàn)有典型無(wú)線技術(shù)更有效、性價(jià)比更高的解決方案。2.2.2ZigBee的發(fā)展歷程早在2023年，有涉及PhilipsSemiconductor、Honeywell、Mitsubishi、等公司組成了ZigBee聯(lián)盟，致力于低復(fù)雜度、低成本、地?cái)?shù)據(jù)率、近距離的無(wú)線通信技術(shù)的研究。IEEE在2023年間發(fā)布了該技術(shù)底層所采用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE802.15.4協(xié)議，作為ZigBee的物理層和MAC層標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。2023年終，ZigBee聯(lián)盟基于IEEE底層協(xié)議，定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。該聯(lián)盟在2023年6月份公布了“ZigBeespecificationV10”,這第一份ZigBee規(guī)范也標(biāo)志著ZigBee技術(shù)的正式誕生，也正是由于該規(guī)范的面世，ZigBee技術(shù)逐漸被大家結(jié)識(shí)，并得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用。到了2023年終，聯(lián)盟對(duì)協(xié)議進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)的修訂，推出了V1.1版本，然而此標(biāo)準(zhǔn)仍然存在些許缺陷，在2023年再次修訂，推出了ZigBee2023.該標(biāo)準(zhǔn)也將其應(yīng)用拓展到家庭自動(dòng)化、建筑自動(dòng)化、鈔票抄表基礎(chǔ)也將其的應(yīng)用拓展到家庭自動(dòng)化、建筑自動(dòng)化、鈔票抄表基礎(chǔ)建設(shè)方面。2.2.3ZigBee的節(jié)點(diǎn)類型IEEE802.15.4定義了兩種設(shè)備類型：全功能設(shè)備和精簡(jiǎn)功能設(shè)備，全功能設(shè)備實(shí)現(xiàn)了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中描述的所有功能，并且可以用作網(wǎng)絡(luò)中的任何角色：另一方面，精簡(jiǎn)功能設(shè)備只有部分功能，例如，全功能設(shè)備可以和網(wǎng)絡(luò)中的任何其他設(shè)備通信，但精簡(jiǎn)功能設(shè)備卻只能和全功能通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中雖然存在如此之多的節(jié)點(diǎn)，然而節(jié)點(diǎn)的類型只有三種：協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)均可以與網(wǎng)中任意節(jié)點(diǎn)或是協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，則是精簡(jiǎn)功能設(shè)備。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的管理者，在網(wǎng)絡(luò)中處在核心重要的地位，不管采用什么拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)的初始化過(guò)程中，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信道的掃描，網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)歷，接受其他節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求，并為加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分派網(wǎng)絡(luò)地址。在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層面上來(lái)看，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)還負(fù)責(zé)提供路由途徑、綁定服務(wù)、安全服務(wù)等功能。路由節(jié)點(diǎn)存在于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇闃?shù)形或者網(wǎng)狀型的網(wǎng)絡(luò)中，一般來(lái)說(shuō)，路由節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中不可斷電或者休眠。他們實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面的功能，意識(shí)作為路由通信，拓展通信距離，二是終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)它可以加入網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)存在于珍格格網(wǎng)絡(luò)的末端、往往與傳感器或者執(zhí)行單元相連，起著發(fā)送采集數(shù)據(jù)和接受的作用，不能轉(zhuǎn)發(fā)信息。這類節(jié)點(diǎn)一般是用電池供電，因此對(duì)功耗的規(guī)定較高，在不需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，往往需要關(guān)閉終端節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入休眠模式。2.2.4ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋃igBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在應(yīng)用上存在三中比較常見(jiàn)的形式：星形網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。星形網(wǎng)絡(luò)作為最簡(jiǎn)樸的一種網(wǎng)絡(luò)組成形式，包含一個(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.3所示。終端節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行通信，必須通過(guò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)樸，但一旦協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就癱瘓。樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，存在一個(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，至少一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，若干個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)分布在父節(jié)點(diǎn)的分支，形成樹(shù)形。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)可以直接與終端及誒單通信，即可通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)，下連分支，路由節(jié)點(diǎn)可連一系列路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.4所示。圖2.3星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D2.4樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)及誒單通信的途徑較之樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)有了增長(zhǎng)，路由及誒單之間可以直接通信，大大增長(zhǎng)了通信效率，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，信息能嘗試通過(guò)其他途徑到達(dá)，提高系統(tǒng)的容錯(cuò)率，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.5所示。圖2.5網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?.2.5ZigBee尋址方式在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要一個(gè)唯一的地址，IEEE802.15.4使用兩種方式尋址：16位的短地址、64位的擴(kuò)展地址。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以選擇使用短地址或者擴(kuò)展地址來(lái)尋址，而短地址允許在單個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行通信，使用短地址機(jī)制可以減少消息的長(zhǎng)度和所需分派的內(nèi)存空間。單個(gè)網(wǎng)絡(luò)需要有一個(gè)PAN表達(dá)符，用來(lái)區(qū)分不同的網(wǎng)絡(luò)，將唯一的PAN標(biāo)記符和一個(gè)短地址相結(jié)合后，兩個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)之間便可通信。64位地址尋址方式意味著網(wǎng)絡(luò)中的最大設(shè)備數(shù)可以送達(dá)。。因此，IEEE802.15.4無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?？梢苑浅＞薮螅欢W(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目還受限于協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存和解決能力。ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層為節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展地址額外分派一個(gè)短地址，每個(gè)擴(kuò)展地址和短地址是互相相應(yīng)的，冰潔映射關(guān)系記錄在一個(gè)查找表中。短地址為網(wǎng)路層的數(shù)據(jù)傳輸發(fā)明了必要條件。2.2.6ZigBee體系結(jié)構(gòu)與常見(jiàn)的Internet網(wǎng)絡(luò)相似，ZigBee技術(shù)體系通常由分層協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)，每層負(fù)責(zé)完畢規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)，各層之間是互相透明的。ZigBee技術(shù)體系結(jié)構(gòu)重要有物理層、媒體介入控制層、網(wǎng)絡(luò)以及應(yīng)用層，各層之間的分布如圖2.6所示。應(yīng)用層ZDO應(yīng)用對(duì)象ZDO應(yīng)用對(duì)象應(yīng)用支持層（APS）應(yīng)用支持層（APS）安全服務(wù)ZigBee協(xié)議安全服務(wù)網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層MAC層 MAC層物理層（PHY）IEE802.15.4物理層（PHY） 圖2.6ZigBee體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的最下面兩層是由IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)PHY和MAC層的具體信息。在物理層，存在數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)和管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)，通過(guò)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)為物理層數(shù)據(jù)提供服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)層重要功能涉及設(shè)備連接和斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)時(shí)采用機(jī)制，以及在傳輸過(guò)程中采用的安全機(jī)制。此外，還涉及設(shè)備之間的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)和轉(zhuǎn)交。應(yīng)用層由應(yīng)用支持層、ZDO、用戶定義的應(yīng)用框架組成。應(yīng)用支持層為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層提供了一個(gè)接口，功能涉及：維護(hù)綁定表、在綁定的設(shè)備之間傳輸信息、管理組地址、提供可信數(shù)據(jù)傳輸。ZDO的功能涉及:定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色，發(fā)起和響應(yīng)綁定請(qǐng)求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全機(jī)制。此外，負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，并且決定向他們提供何種應(yīng)用服務(wù).ZigBee應(yīng)用框架駐扎在ZigBee設(shè)備中的應(yīng)用對(duì)象控制盒管理協(xié)議棧各層提供活動(dòng)的環(huán)境。應(yīng)用對(duì)象由制造商開(kāi)發(fā)，也正是在這里定制了基于各種不同應(yīng)用的設(shè)備。在一個(gè)設(shè)備中可以有多達(dá)240個(gè)應(yīng)用對(duì)象。應(yīng)用對(duì)象使用APSDE-SAP在應(yīng)用對(duì)象節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。每個(gè)應(yīng)用對(duì)象都有一個(gè)專有的終端節(jié)點(diǎn)地址，設(shè)定終端地址允許多個(gè)設(shè)備共享同一頻段。2.3智能網(wǎng)關(guān)的構(gòu)建2.3.1嵌入式系統(tǒng)后PC時(shí)代的來(lái)臨，嵌入式系統(tǒng)日益在消費(fèi)電子、汽車電子、工業(yè)控制、航空航天、網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)一般又嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序以及外圍硬件設(shè)備組成。對(duì)嵌入式系統(tǒng)的普遍定義是：以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，合用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本。體積、功耗有嚴(yán)格規(guī)定的專用激素啊你系統(tǒng)。目前嵌入式解決器，已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信工程、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)。由于嵌入式系統(tǒng)的專用型和定制性，逐漸衍生并發(fā)展了一下主流的嵌入式微解決器：包廣泛使用的ARM解決器、MIPS解決器POWERPC解決器、DSP解決器。在ARM解決器方面，有廣泛使用的ARM7系列ARM9系列、ARM11系列、CORTEX系列。ARM11基于ARMV6架構(gòu)，面向下一代消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、汽車電子產(chǎn)品以及無(wú)線設(shè)備。ARM11功耗低，多媒體解決能力強(qiáng)，適合消費(fèi)電子和無(wú)線的應(yīng)用場(chǎng)合;高性能與高數(shù)據(jù)吞吐量結(jié)合滿足網(wǎng)絡(luò)解決應(yīng)用；浮點(diǎn)解決和實(shí)時(shí)性能滿足汽車電子應(yīng)用需求。在MIPS解決器方面，指令集架構(gòu)經(jīng)歷了從最初的MIPSI到目前可支持?jǐn)U展模塊的MIPS32和MIPS64系列。MIPS32和MPIS64體系結(jié)構(gòu)定位于高性能、低功耗的MIPS指令集，作為開(kāi)放性可擴(kuò)充的體系結(jié)構(gòu)，通過(guò)用戶定義指令和協(xié)解決器實(shí)現(xiàn)了對(duì)MIPS特定應(yīng)用擴(kuò)展指令集的支持。MIPS32/64面向特定的應(yīng)用，其指令包含了應(yīng)用特定指令擴(kuò)展形式。嵌入式應(yīng)用對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性規(guī)定較高，嵌入式操作系統(tǒng)是否穩(wěn)健也是嵌入式系統(tǒng)可靠運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)。通過(guò)數(shù)年的發(fā)展，在嵌入式領(lǐng)域涌現(xiàn)了一些優(yōu)秀的操作系統(tǒng)，并在不同應(yīng)用領(lǐng)域得到發(fā)展。2.3.2嵌入式Web服務(wù)器在平常生活中，我們經(jīng)常運(yùn)用瀏覽器訪問(wèn)各種網(wǎng)站獲取信息，咋這個(gè)過(guò)程中，瀏覽器作為一個(gè)大度的客戶端，需要訪問(wèn)Web服務(wù)器，服務(wù)器響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求,返回解決結(jié)果，并以超文本標(biāo)記語(yǔ)言的形式在瀏覽器上呈現(xiàn)，用戶便完畢了一次Web遠(yuǎn)程訪問(wèn)。與此類似，嵌入式Web服務(wù)器是將Web服務(wù)器移植到嵌入式設(shè)備中，用戶在客戶端只需通過(guò)Web瀏覽器就可以對(duì)嵌入式設(shè)備進(jìn)行管理和監(jiān)控。服務(wù)器和瀏覽器之間進(jìn)行TCP/IP，數(shù)據(jù)傳輸采用HTTP協(xié)議，每個(gè)客戶端和服務(wù)器需要分派一個(gè)IP地址，實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)器的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，客戶端的請(qǐng)求通過(guò)HTTP請(qǐng)求的方式發(fā)送給遠(yuǎn)端的Web服務(wù)器，服務(wù)器端的守護(hù)程序在HTTP的80端口監(jiān)聽(tīng)簡(jiǎn)介請(qǐng)求，守護(hù)程序?qū)邮艿降腍TTP請(qǐng)求進(jìn)行解析，假如該請(qǐng)求時(shí)靜態(tài)文獻(xiàn)，守護(hù)程序?qū)⒆x取響應(yīng)的文獻(xiàn)并翻譯給客戶端；當(dāng)客戶端請(qǐng)求CGI應(yīng)用程序，服務(wù)器端調(diào)用CGI完畢響應(yīng)的執(zhí)行，返回HTTP應(yīng)答，完畢訪問(wèn)和響應(yīng)的整個(gè)過(guò)程。圖2.7是Web服務(wù)器工作原理圖。Web服務(wù)器Web瀏覽器Web服務(wù)器Web瀏覽器InternetHTTP請(qǐng)求HTTP請(qǐng)求Internet HHTTP應(yīng)答HTTP應(yīng)答圖2.7Web服務(wù)器工作原理圖CGI是通用網(wǎng)關(guān)接口的縮寫(xiě)，是Web服務(wù)器與外部擴(kuò)展應(yīng)用程序加護(hù)的一種標(biāo)準(zhǔn)接口。Web可以通過(guò)CGI讀取客戶端需要的動(dòng)態(tài)信息，如實(shí)現(xiàn)基于Web的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)。客戶端瀏覽器的請(qǐng)求信息傳遞給Web服務(wù)器，CGI從標(biāo)準(zhǔn)輸入STDIN得到輸入信息，將解決結(jié)果使用標(biāo)準(zhǔn)輸出STDOUT輸出，通過(guò)Web服務(wù)器反饋給客戶端瀏覽器。用戶能傳遞不同的參數(shù)給CGI，運(yùn)用CGI技術(shù)使得瀏覽器和服務(wù)器之間可以方便交互CGI工作流程如圖2.8所示。STDOUT結(jié)果Web瀏覽器CGI腳本W(wǎng)eb服務(wù)器Web瀏覽器CGI腳本W(wǎng)eb服務(wù)器POSTGET啟動(dòng)CGI圖2.8CGI工作流程圖Web服務(wù)器可分為兩個(gè)基本組成部分，HTTP的守護(hù)程序和服務(wù)器端應(yīng)用程序。守護(hù)程序?qū)崿F(xiàn)的功能涉及：簡(jiǎn)歷和客戶端的連接、接受客戶端HTTP請(qǐng)求信息、反饋HTTP響應(yīng)消息、關(guān)閉和客戶端的連接。服務(wù)器端應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)其和外部系統(tǒng)的中介，完畢服務(wù)器功能擴(kuò)展。CGI作為Web服務(wù)器和應(yīng)用程序之間信息傳遞的接口，定義了應(yīng)用程序從守護(hù)程序活兒用戶提交信息和將應(yīng)用解決解決結(jié)果反饋給客戶端的方式。隨著Intenet的廣泛運(yùn)用，基于B/S架構(gòu)的軟件模型得以流行，該模型提倡給客戶端。服務(wù)器的設(shè)計(jì)理念。也就是重要的應(yīng)用程序放在服務(wù)器上，客戶端只需要一個(gè)瀏覽器環(huán)境，但是一般的嵌入式設(shè)備資源有限，在嵌入式應(yīng)用中，Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)必須有較小的容量，在滿足基本功能的前提下，不影響嵌入式系統(tǒng)的整體性能。2.3.3網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite本監(jiān)控系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)會(huì)定期發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的管理，需要在網(wǎng)關(guān)上移植嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)。嵌入式系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和程序運(yùn)營(yíng)空間有較強(qiáng)規(guī)定，選擇嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)必須滿足適當(dāng)?shù)捏w積和較強(qiáng)的功能，除此之外，開(kāi)源代碼可認(rèn)為數(shù)據(jù)庫(kù)必須滿足適當(dāng)?shù)捏w積和較強(qiáng)的功能。除此之外，開(kāi)源代碼可認(rèn)為數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)提供解決方案。嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)從現(xiàn)實(shí)來(lái)看，無(wú)須獨(dú)立運(yùn)營(yíng)的數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，由程序直接調(diào)用的相應(yīng)API實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存取操作。應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)在相同的進(jìn)程中，避免了數(shù)據(jù)操作時(shí)進(jìn)程之間的頻繁通信。目前對(duì)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)研究較多的SQLite，SQLite是一種嵌入式SQL庫(kù)，支持視圖、事務(wù)、觸發(fā)器，采用單文獻(xiàn)存放數(shù)據(jù)，提供了豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)接口，在體積和性能上取得了較好的平衡且代碼開(kāi)源。因此選擇該數(shù)據(jù)庫(kù)移植到系統(tǒng)平臺(tái)上，進(jìn)行項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，在Web服務(wù)器上對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)一般通過(guò)CGI來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖2.9是Web服務(wù)器上對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)，一般通過(guò)CGI來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖2.9是Web數(shù)據(jù)庫(kù)工作原理框圖。HTML文檔HTML文檔Web瀏覽器Web服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)Web瀏覽器Web服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)HTTPHEMLHEMLSQLCGI接口CGI接口結(jié)果圖2.9Web數(shù)據(jù)庫(kù)工作原理框圖當(dāng)用戶通過(guò)瀏覽器查詢數(shù)據(jù)信息，SQLite可以和CGI程序在同一服務(wù)器平臺(tái)。運(yùn)用CGI程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的打開(kāi)、查詢和更新。Web前端界面接受用戶的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，CGI程序調(diào)用API函數(shù)操作數(shù)據(jù)庫(kù)文獻(xiàn)，并將結(jié)果反饋到瀏覽器前端。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)在上文中，我們知道無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在組成上往往包含信號(hào)感知系統(tǒng)、信號(hào)解決系統(tǒng)、信號(hào)傳輸系統(tǒng)、電源系統(tǒng)四個(gè)部分。信號(hào)感知系統(tǒng)采用各種傳感器，來(lái)實(shí)現(xiàn)外接信息的獲?。恍盘?hào)解決系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)可以分開(kāi)設(shè)計(jì)，從減少系統(tǒng)成本和提高集成角度考慮，本項(xiàng)目選擇一個(gè)集成無(wú)線通信功能的片上系統(tǒng)；電源系統(tǒng)的構(gòu)建在于為整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供能量，并提供相應(yīng)的功耗管理功能，下文對(duì)哥哥組成部分分別加以描述。3.1.1電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中處在一個(gè)非常重要的階段，成功的設(shè)計(jì)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。高效的工作。常用的電源電路涉及開(kāi)關(guān)電源盒穩(wěn)壓電源，開(kāi)關(guān)電源工作效率高，一般輸出的電流較大。但紋波也較大；穩(wěn)壓電源的輸出穩(wěn)定度較高，但存在輸出電流較小、效率低、調(diào)整范圍小等缺陷，采用何種方案設(shè)計(jì)取決于系統(tǒng)對(duì)電源系統(tǒng)的具體需求。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)電源設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要關(guān)注協(xié)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)三種節(jié)點(diǎn)。由于在終端節(jié)點(diǎn)上分布著多種傳感器，故在設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)是，需要考慮傳感器需求電源電壓的種類精度以及成本。由于大多數(shù)傳感器的工作電壓范圍很寬，為了方便，統(tǒng)一設(shè)計(jì)成5V供電。通過(guò)估算，單個(gè)氣體傳感器正常工作功耗電流在100mA以上，總共的驅(qū)動(dòng)電流在500mA以上。終端節(jié)點(diǎn)上主芯片CC2530解決器和溫濕度傳感器DHT21需要設(shè)計(jì)3.3V的電壓，選擇了一款低成本的線性穩(wěn)壓器LMS1117，將開(kāi)關(guān)電源5V的輸入轉(zhuǎn)為3.3V輸出，圖3.1是終端傳感器節(jié)點(diǎn)的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)采用CC2530芯片來(lái)構(gòu)建，電源設(shè)計(jì)以LMS1117為核心。在進(jìn)行電源系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)時(shí)，需要特別注意電源系統(tǒng)的完整性，線性穩(wěn)壓器LMS1117輸出需要加22uF的固體鉭電容作為頻率補(bǔ)償，保證大多數(shù)情況下輸出的穩(wěn)定性，此外在輸入和輸出端口可適當(dāng)加不同量級(jí)的電容，讓高頻噪聲下地，得到較小的紋波輸出。圖3.1終端傳感器節(jié)點(diǎn)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1.2煙霧傳感器設(shè)計(jì)火災(zāi)的發(fā)生初期往往隨著煙霧的產(chǎn)生，為了及時(shí)、高效的探測(cè)火災(zāi)，對(duì)煙霧的檢測(cè)非常重要。本項(xiàng)目選擇一款常見(jiàn)的煙霧傳感器MQ—2，該傳感器使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w和煙霧時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增大而增大，基于這個(gè)原理設(shè)計(jì)MQ—2信號(hào)采集電路，去除傳感器出來(lái)表征氣體濃度的變化。圖3.2是MQ—2的基本工作電路，MQ—2傳感器有六個(gè)管腳，其中4個(gè)管腳用于信號(hào)輸出，其余兩個(gè)用于提供加熱電壓，外形呈對(duì)稱分布，工作時(shí)需要提供兩個(gè)電壓；加熱電壓VH和回路電壓VC，其中加熱電壓為傳感器提供特定的工作溫度，回路電壓用于測(cè)量與傳感器串聯(lián)的負(fù)載RL上的電壓VRL，加熱電壓保證了該傳感器正常工作。根據(jù)廠家提供的手冊(cè)，加熱電壓工作在5V,回路電壓小于24V，在保證傳感器性能規(guī)定的前提下，加熱電壓和回路電壓可以共用。為了能使傳感器對(duì)傳感器的迷你輸出電壓進(jìn)行出路，負(fù)載電阻的阻值要設(shè)立恰當(dāng)。MQ-2傳感器的電路設(shè)計(jì)如圖3.2所示，回路電壓和加熱電壓均為5V，傳感器體電阻量級(jí)在千歐姆，設(shè)立負(fù)載電阻R9為10K歐的寒冬變阻器。根據(jù)電力路連接關(guān)系科得到如在負(fù)載電壓公式：式中，VRL是負(fù)載電壓，VC是回路電壓，RL是負(fù)載電阻，RS是傳感器在不同煙霧濃度情況下的體電阻。通過(guò)控制RL的阻值，可以將輸出電壓控制在可采樣的范圍內(nèi)，方便后端模數(shù)轉(zhuǎn)換快進(jìn)行采樣解決。圖3.2煙霧傳感器電路3.1.3氣體傳感器設(shè)計(jì)天然氣是一種比較常見(jiàn)的燃料，現(xiàn)代家庭火災(zāi)的發(fā)生和氣體中毒很大因素在于燃?xì)獾男孤?。正是基于這樣的考慮，在終端傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)立了監(jiān)控天然氣泄露的傳感單元MQ-4，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境天然氣濃度，杜絕火災(zāi)隱患。MQ-4傳感器的工作原理和外形和MQ-2相似，電路設(shè)計(jì)與MQ-2相同，在此不再贅述。燃燒的初期會(huì)產(chǎn)生的大量的CO氣體，CO氣體傳感器工作時(shí)需要交替提供5V和1.5V電壓。3.1.4溫度傳感器設(shè)計(jì)DHT21是具有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，采用單排4針引腳封裝。使用時(shí)，只需DATA引腳連接到MCU的任意GPIO即可，這里是連接到CC2530的P1_5引腳。此外，為了保證CC2530對(duì)DHT21有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，在DHT21DATA引腳接有5.1K的上拉電阻，保證芯片有合適的灌電流。這樣，只要按照DHT21的邏輯時(shí)序編寫(xiě)程序，控制MCU引腳的輸入/輸出，就可以從DATA引腳準(zhǔn)確讀出溫濕度數(shù)據(jù)。DHT21的電路設(shè)計(jì)如3.3所示：圖3.3溫度傳感器電路設(shè)計(jì)3.1.5火焰?zhèn)鞲衅髟O(shè)計(jì)當(dāng)明火產(chǎn)生會(huì)輻射紅外波，為了進(jìn)行火焰的低成本探測(cè)，選擇了一款火焰?zhèn)鞲衅?，結(jié)合雙電壓比較器芯片LM393設(shè)計(jì)成模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)雙輸出的形式。當(dāng)探測(cè)器區(qū)域不存在火焰，傳感器電阻極大，模擬信號(hào)端輸出低電平，此時(shí)在數(shù)字端也是輸出低電平；當(dāng)火焰存在，流過(guò)傳感器的電流逐漸增大，模擬輸出端電壓逐漸變高，數(shù)字輸出端輸出高電平，發(fā)光二極管D10點(diǎn)亮指示探測(cè)到火焰，圖3.4是檢測(cè)火焰的應(yīng)用電路圖。圖3.4火焰檢測(cè)電路圖3.1.6ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)完畢了傳感器的選型和設(shè)計(jì)之后，在終端節(jié)點(diǎn)上，運(yùn)用ZigBee芯片CC2530，添加上文介紹的傳感器，構(gòu)建終端傳感節(jié)點(diǎn)。在路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建上，結(jié)構(gòu)上只要在終端傳感節(jié)點(diǎn)上刪去所有傳感器，ZigBee芯片CC2530的應(yīng)用設(shè)計(jì)完全一致。CC2530芯片系列中使用的8051CPU內(nèi)核是一個(gè)單周期的8051兼容內(nèi)核。它有三種不同的內(nèi)存訪問(wèn)總線（SFR，DATA和CODE/XDATA），單周期訪問(wèn)SFR，DATA和主SRAM。它還涉及一個(gè)調(diào)試接口和一個(gè)18輸入擴(kuò)展中斷單元。中斷控制器總共提供了18個(gè)中斷源，分為六個(gè)中斷組，每個(gè)與四個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)之一相關(guān)。當(dāng)設(shè)備從活動(dòng)模式回到空閑模式，任一中斷服務(wù)請(qǐng)求就被激發(fā)。一些中斷還可以從睡眠模式（供電模式1-3）喚醒設(shè)備。內(nèi)存仲裁器位于系統(tǒng)中心，由于它通過(guò)SFR總線把CPU和DMA控制器和物理存儲(chǔ)器以及所有外設(shè)連接起來(lái)。內(nèi)存仲裁器有四個(gè)內(nèi)存訪問(wèn)點(diǎn)，每次訪問(wèn)可以映射到三個(gè)物理存儲(chǔ)器之一：一個(gè)8-KBSRAM、閃存存儲(chǔ)器和XREG/SFR寄存器。它負(fù)責(zé)執(zhí)行仲裁，并擬定同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)物理存儲(chǔ)器之間的順序。8-KBSRAM映射到DATA存儲(chǔ)空間和部分XDATA存儲(chǔ)空間。8-KBSRAM是一個(gè)超低功耗的SRAM，即使數(shù)字部分掉電（供電模式2和3）也能保存其內(nèi)容。這是對(duì)于低功耗應(yīng)用來(lái)說(shuō)很重要的一個(gè)功能。32/64/128/256KB閃存塊為設(shè)備提供了內(nèi)電路可編程的非易失性程序存儲(chǔ)器，映射到XDATA存儲(chǔ)空間。除了保存程序代碼和常量以外，非易失性存儲(chǔ)器允許應(yīng)用程序保存必須保存的數(shù)據(jù)，這樣設(shè)備重啟之后可以使用這些數(shù)據(jù)。使用這個(gè)功能，例如可以運(yùn)用已經(jīng)保存的網(wǎng)絡(luò)具體數(shù)據(jù)，就不需要通過(guò)完全啟動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)尋找和加入過(guò)程。Balun電路設(shè)計(jì)中，運(yùn)用了四個(gè)離散元器件，為滿足差分信號(hào)相位對(duì)的，RF_N和RF_P之間需要走一段一半波長(zhǎng)的傳輸線，為滿足單級(jí)天線阻抗匹配，Balun輸出和天線之間走一段0.07k23℃的傳輸線。3.2智能網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)智能網(wǎng)關(guān)基本功能是實(shí)現(xiàn)無(wú)線路由，家庭電腦和手機(jī)能方便訪問(wèn)Internet，接受無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)接受瀏覽器遠(yuǎn)程訪問(wèn)請(qǐng)求，啟動(dòng)攝像頭采集監(jiān)控視頻，發(fā)送報(bào)警信號(hào)等工作。為了減少系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本，選擇了Ralink公司的一款高性價(jià)比路由芯片來(lái)完畢硬件系統(tǒng)的搭建。由RT3052、射頻收發(fā)模塊CC2430、兩路射頻天線、電源及復(fù)位模塊、USB接口、以太網(wǎng)接口模塊以及存儲(chǔ)器模塊組成?；谇度胧铰酚尚酒木W(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，相比于傳統(tǒng)的基于PC的家庭網(wǎng)關(guān)有體積小、功耗和成本低等優(yōu)點(diǎn)。為了減少設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，以CC2430為核心的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口和RT3052通信。為了減少成本，在主控制芯片應(yīng)用程序中添加飛信實(shí)現(xiàn)短信報(bào)警。用戶在使用本系統(tǒng)之前需要注冊(cè)認(rèn)證。攝像頭通過(guò)WIFI與網(wǎng)關(guān)通信，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)4.1.1ZigBee協(xié)議棧通用的ZigBee協(xié)議棧有標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee2023、ZigBee2023協(xié)議棧版本，精簡(jiǎn)版本的MSSTATE_LRWPAN協(xié)議棧，此外飛思卡爾公司開(kāi)發(fā)了BeeStack協(xié)議棧。德州儀器公司發(fā)布的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack達(dá)成ZigBee測(cè)試機(jī)構(gòu)評(píng)估的ZigBee聯(lián)盟參考平臺(tái)水平，目前已為全球眾多ZigBee開(kāi)發(fā)商廣泛采用。Z-Stack符合ZigBee2023規(guī)范，支持多種平臺(tái)，其中涉及CC2430片上系統(tǒng)、CC2420收發(fā)器平臺(tái)以及TIMSP430超低功耗MCU。從德州儀器官方網(wǎng)站上可以免費(fèi)下載ZigBee協(xié)議棧，該協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了IEEE802.15.4定義的MAC、PHY層協(xié)議，并滿足ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)范。ZigBee協(xié)議棧的正常運(yùn)營(yíng)對(duì)開(kāi)發(fā)環(huán)境版本的規(guī)定較高，如ZStack-1.4.3-1.2.1版本的協(xié)議棧需要在IAR7.30B平臺(tái)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。德州儀器發(fā)布的基于ZigBee2023的協(xié)議棧程序結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，其中協(xié)議棧以分層次的形式組織程序，分別描述如下：App：應(yīng)用層目錄，該目錄中包含了應(yīng)用層的內(nèi)容和項(xiàng)目的重要內(nèi)容，用戶在此創(chuàng)建自己的工程設(shè)計(jì)。HAL：硬件層目錄，包含和硬件相關(guān)的配置和驅(qū)動(dòng)。MAC：MAC層目錄，包含MAC的參數(shù)配置文獻(xiàn)和該層的庫(kù)函數(shù)接口。MT：實(shí)現(xiàn)各層交互，進(jìn)行串口的配置。NWK：網(wǎng)絡(luò)層目錄，包含網(wǎng)絡(luò)層的參數(shù)文獻(xiàn)和該層的函數(shù)接口文獻(xiàn)，提供APS(應(yīng)用支持層)的函數(shù)接口。OSAL：協(xié)議棧的操作系統(tǒng)函數(shù)。Profile：AF層目錄，包含AF層解決函數(shù)。Security：安全層目錄，實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧的安全解決函數(shù)。Tools：工程配置目錄，進(jìn)行協(xié)議棧的相關(guān)配置。ZMac：MAC層目錄，涉及MAC層參數(shù)配置和該層庫(kù)函數(shù)的回調(diào)解決函數(shù)。ZMain：主函數(shù)目錄，是整個(gè)協(xié)議棧的入口。Output：輸出文獻(xiàn)目錄，目錄下的文獻(xiàn)由編譯器自動(dòng)生成。圖4.1ZigBee2023的協(xié)議棧程序結(jié)構(gòu)Z-Stack下層為上層提供了數(shù)據(jù)和服務(wù)接口，上層可以通過(guò)這些接口使用下層提供的管理和數(shù)據(jù)服務(wù)。Z-Stack程序在組織上考慮到精簡(jiǎn)性，節(jié)點(diǎn)底層實(shí)現(xiàn)代碼完全一致，在開(kāi)發(fā)環(huán)境IAR7.30B中，通過(guò)設(shè)立不同的預(yù)編譯函數(shù)和參數(shù)文獻(xiàn)來(lái)選擇ZigBee網(wǎng)絡(luò)中三種節(jié)點(diǎn)并執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)，提高了代碼組織效率。在ZStack-1.4.3-1.2.1版本的協(xié)議棧中，協(xié)議棧的運(yùn)營(yíng)通過(guò)OSAL的操作系統(tǒng)層函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。作為一個(gè)輪詢的操作系統(tǒng)，需要執(zhí)行MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、HAL層、APS層、ZDO、用戶自定義應(yīng)用程序，OSAL正是通過(guò)對(duì)這些任務(wù)的調(diào)用執(zhí)行來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)協(xié)議。OSAL類似于其他嵌入式操作系統(tǒng)，提供了任務(wù)管理、消息管理、時(shí)間管理、中斷管理以及內(nèi)存的管理等功能。在進(jìn)行任務(wù)的開(kāi)發(fā)時(shí)往往需要完畢以下工作：建立任務(wù)、初始化任務(wù)、設(shè)立解決函數(shù)。在Z-Stack中有兩個(gè)關(guān)鍵數(shù)組：*tasksEvents與*tasksArr，tasksEvents這個(gè)數(shù)組存放的是從序號(hào)為0到tasksCnt的任務(wù)，每個(gè)任務(wù)在本次循環(huán)中是否要被運(yùn)營(yíng)，需要運(yùn)營(yíng)的任務(wù)其值非零，否則為零。而tasksArr數(shù)組則存放了每個(gè)任務(wù)的入口地址，只有在tasksEvents中記錄的需要運(yùn)營(yíng)的任務(wù)，在本次循環(huán)中才會(huì)被調(diào)用到。協(xié)議棧的運(yùn)營(yíng)采用事件輪詢機(jī)制，當(dāng)初始化完畢之后，查詢是否有事件發(fā)生并進(jìn)入中斷執(zhí)行；當(dāng)有多個(gè)事件同時(shí)發(fā)生時(shí)，需要判斷優(yōu)先級(jí)然后依次解決。在建立一系列任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)給不同的任務(wù)分派不同的優(yōu)先級(jí)，保證高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)有事件時(shí)最先得到解決，MAC層任務(wù)一般會(huì)賦予最高優(yōu)先級(jí)。操作系統(tǒng)會(huì)不斷查詢各層任務(wù)中是否有事件發(fā)生，有事件產(chǎn)生就會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的解決函數(shù)，否則輪詢下去。在OSAL中任務(wù)在執(zhí)行完之后需要將任務(wù)的事件清空，否則低優(yōu)先的任務(wù)得不到執(zhí)行。在Z-Stack的工作流程中實(shí)行了系統(tǒng)的初始化，重要涉及了板載硬件初始化、芯片電壓檢測(cè)、系統(tǒng)堆棧初始化、板載IO口初始化、HAL驅(qū)動(dòng)初始化、MAC初始化、操作系統(tǒng)初始化，后進(jìn)入操作系統(tǒng)，進(jìn)行事件解決流程。當(dāng)存在事件時(shí)，按照優(yōu)先級(jí)對(duì)事件進(jìn)行解決，解決之后進(jìn)入休眠模式直到有中斷發(fā)生，觸發(fā)進(jìn)入事件解決程序，解決流程如圖4.2所示。開(kāi)始開(kāi)始事件解決事件喚醒有事件Y事件解決事件喚醒等待解決N進(jìn)入休眠進(jìn)入休眠圖4.2Z-Stack事件解決流程

4.1.2協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)功能：組建并維護(hù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送監(jiān)控命令到終端節(jié)點(diǎn)，接受終端節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與智能網(wǎng)關(guān)的雙向通信。當(dāng)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)起一個(gè)建立新網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)程，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)會(huì)掃描信道，涉及能量掃描和積極掃描兩個(gè)過(guò)程，能量掃描將對(duì)信道能量值進(jìn)行一個(gè)遞增排序，保存可允許能量值內(nèi)的信道進(jìn)一步解決，接著進(jìn)行積極掃描，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體優(yōu)先選擇一個(gè)沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)的信道進(jìn)行新網(wǎng)絡(luò)的建立。假如掃描到一個(gè)合適的信道，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置，如給網(wǎng)絡(luò)分派一個(gè)特有的PAN描述。擬定好PAN描述符后，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體將為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)分派網(wǎng)絡(luò)地址。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置完畢之后，啟動(dòng)新網(wǎng)絡(luò)的建立，并允許設(shè)備加入該網(wǎng)絡(luò)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)被分派一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址在組網(wǎng)時(shí)分派0x0000，其余節(jié)點(diǎn)在加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)分派。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令可以實(shí)現(xiàn)單播、組播、廣播的功能，分別是對(duì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)組（由幾個(gè)節(jié)點(diǎn)組成）、所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送，在協(xié)議棧中對(duì)以下三個(gè)變量進(jìn)行設(shè)立即可實(shí)現(xiàn)。SampleApp_SPI_SendCommand_DstAddr.addrModeSampleApp_SPI_SendCommand_DstAddr.endPointSampleApp_SPI_SendCommand_DstAddr.addr.shortAddr本項(xiàng)目規(guī)定協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)對(duì)所有的終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送采集數(shù)據(jù)的命令，設(shè)立如下：SampleApp_SPI_SendCommand_DstAddr.addrMode=(afAddrMode_t)AddrBroadcast;SampleApp_SPI_SendCommand_DstAddr.endPoint=SAMPLEAPP_ENDPOINT;SampleApp_SPI_SendCommand_DstAddr.addr.shortAddr=0xFFFF;協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令之后，接受終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，接受到的數(shù)據(jù)必須實(shí)時(shí)傳遞給智能網(wǎng)關(guān)。afIncomingMSGPacket_t*pkt這個(gè)指針用于接受節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，這是個(gè)結(jié)構(gòu)體指針，在結(jié)構(gòu)體中定義了組標(biāo)記、串標(biāo)記、節(jié)點(diǎn)短地址、節(jié)點(diǎn)端點(diǎn)號(hào)、是否廣播、連接質(zhì)量、時(shí)間戳等。在設(shè)計(jì)該段程序時(shí)，發(fā)送的數(shù)據(jù)格式和接受的格式統(tǒng)一，方便智能網(wǎng)關(guān)從串口讀取協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的接受信息。4.1.3路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)路由節(jié)點(diǎn)主程序與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)相似，路由節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入?yún)f(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)組建的網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)路由并為子節(jié)點(diǎn)分派地址。當(dāng)監(jiān)測(cè)的范圍超過(guò)了ZigBee節(jié)點(diǎn)單跳傳輸距離，路由節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中是必須的。路由節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖4.3所示。開(kāi)始網(wǎng)絡(luò)初始化網(wǎng)絡(luò)初始化N初始化結(jié)果Y發(fā)送短地址、組信息到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送短地址、組信息到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)等待消息等待消息來(lái)自協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給終端節(jié)點(diǎn)YN轉(zhuǎn)發(fā)給終端節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)圖4.3路由節(jié)點(diǎn)的工作流程路由節(jié)點(diǎn)完畢網(wǎng)絡(luò)初始化之后便加入了ZigBee網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送自己的短地址和組信息到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，此后處在等待接受消息狀態(tài)。當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)接受到來(lái)自協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的命令，把此命令轉(zhuǎn)發(fā)至終端節(jié)點(diǎn)；當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)接受來(lái)自終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)的發(fā)送函數(shù)afStatus_tAF_DataRequest()的關(guān)鍵參數(shù)是發(fā)送數(shù)據(jù)目的地址、發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。本項(xiàng)目中路由節(jié)點(diǎn)自身短地址通過(guò)函數(shù)SampleApp_GetShortAddr()獲得，將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指向該函數(shù)，并將該數(shù)據(jù)緩沖區(qū)填入發(fā)送函數(shù)的相應(yīng)位置。4.2傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)在ZigBee終端設(shè)計(jì)了煙霧、氣體、火焰、溫度以及入侵傳感器，終端節(jié)點(diǎn)接受協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的命令，并啟動(dòng)各種傳感器的正常工作，通過(guò)取樣解決將傳感器數(shù)據(jù)按照一定的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。4.2.1煙霧傳感器軟件煙霧傳感器輸出是模擬信號(hào)，為了便于后端解決器的解決，需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化。在ZigBee傳感器終端，主控模塊是CC2430，該芯片片內(nèi)集成了8通道的模數(shù)轉(zhuǎn)化接口。選擇P0的0號(hào)端口作為MQ-2的采樣端口。煙霧傳感器在不同的煙霧濃度環(huán)境下，自身的體電阻發(fā)生改變，從而導(dǎo)致輸出電壓變化。當(dāng)煙霧傳感器的電阻記為R，煙霧濃度記為C，那么存在如下的關(guān)系：logR=mlogC+n(4.1)根據(jù)廠家提供的靈敏度曲線圖，我們可以從中隨機(jī)選擇兩組電阻和濃度數(shù)據(jù)，由此計(jì)算出m、n兩個(gè)常數(shù)。再根據(jù)傳感器的負(fù)載電壓和體電阻的關(guān)系，可以求得傳感器輸出電壓和濃度的關(guān)系。圖4.4為廠家給出的傳感器靈敏度特性圖，橫坐標(biāo)是氣體濃度，縱坐標(biāo)是傳感器體電阻比值。

圖4.4傳感器靈敏度特性圖4.2.2氣體傳感器軟件天然氣傳感器MQ-7在結(jié)構(gòu)上和工作原理與煙霧傳感器MQ-2相似，在軟件設(shè)計(jì)上思緒MQ-2一致。CO傳感器MQ-7正常工作需要5V高電壓和1.5V低電壓周期交替供電，高電壓連續(xù)時(shí)間是60s，低電壓連續(xù)時(shí)間是90s，通過(guò)解決器的一個(gè)IO口定期控制繼電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)MQ-7供電電壓的選擇，其他軟件設(shè)計(jì)與MQ-2類似。4.2.3火焰、入侵傳感器軟件火焰?zhèn)鞲衅鲬?yīng)用電路輸出模擬電平高低，表達(dá)是否存在火焰的，可以通過(guò)處理器采樣進(jìn)行解決。紅外入侵檢測(cè)通過(guò)采樣定期器輸出信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到周期為1s的高電平脈沖，可初步鑒定有人入侵。4.2.4溫度傳感器軟件多個(gè)溫度傳感器DHT21可以掛載在同一總線上，通過(guò)總線對(duì)DHT21進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，一般按照如下環(huán)節(jié)：芯片初始化，接受芯片反饋信號(hào)，發(fā)送ROM指令，發(fā)送數(shù)據(jù)操作指令，執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。本項(xiàng)目中，在控制器CC2530的一IO口連接一個(gè)傳感器，因此在軟件的編寫(xiě)上，可跳過(guò)ROM指令。DHT21的工作流程如圖4.5所示。該傳感器初始化，讀寫(xiě)操作對(duì)時(shí)序規(guī)定比較嚴(yán)格，在芯片復(fù)位時(shí)，由控制器發(fā)出至少480us低電平復(fù)位信號(hào)，控制器然后要進(jìn)入15-60us的等待狀態(tài)，在這段時(shí)間內(nèi)收到有DHT21的低電平反饋信號(hào)，標(biāo)明該傳感器正常初始化了。DHT21進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，控制器必須將數(shù)據(jù)總線拉低15us，表白寫(xiě)操作的開(kāi)始，而后才是芯片對(duì)數(shù)據(jù)總線的采樣時(shí)間DHT21讀操作時(shí)，控制器必須將數(shù)據(jù)總線拉低1us，表白讀操作的開(kāi)始，在讀間隙的15us內(nèi)完畢讀操作才干保證通信正常。初始化初始化時(shí)間到結(jié)束讀取溫度發(fā)送讀溫度命令初始化溫度轉(zhuǎn)換命令跳過(guò)ROM時(shí)間到結(jié)束讀取溫度發(fā)送讀溫度命令初始化溫度轉(zhuǎn)換命令跳過(guò)ROM圖4.5DHT21的工作流程圖4.3多傳感器數(shù)據(jù)融合單傳感器往往獲取測(cè)量對(duì)象的某一屬性信息，容易受環(huán)境其它因素干擾?；馂?zāi)發(fā)生會(huì)產(chǎn)生光、煙、溫度、輻射和氣體濃度變化等特性信號(hào)，綜合運(yùn)用終端節(jié)點(diǎn)采集的氣體、溫度和煙霧，決策判斷是否發(fā)生了火災(zāi)及其狀態(tài)，有助于提高火災(zāi)探測(cè)性能。根據(jù)傳感器輸出響應(yīng)特性和專家知識(shí)，選擇高斯函數(shù)作為煙霧、溫度、CO氣體傳感器輸出表征火災(zāi)發(fā)生的信任度函數(shù)，分別如圖4.6、圖4.7和圖4.8所示，其中橫坐標(biāo)為傳感器輸出值，縱坐標(biāo)為火災(zāi)概率。信任度函數(shù)有三段，從左到右依次為無(wú)火災(zāi)、不擬定、有火災(zāi)。當(dāng)煙霧濃度大于210ppm(體積比)、CO輸出大于15ppm(體積比)或者溫度超過(guò)065C，鑒定為有火災(zāi)，且火災(zāi)發(fā)生信任度隨傳感器輸出值增大而增長(zhǎng)。圖4.6煙霧輸出火災(zāi)概率曲線圖4.7溫度輸出火災(zāi)概率曲線圖4.8一氧化碳輸出火災(zāi)概率曲線在獲取煙霧、溫度、CO氣體傳感器輸出后，可根據(jù)火災(zāi)發(fā)生的信任度函數(shù)獲得當(dāng)前火災(zāi)發(fā)生的信任度，分別記為和采用順序方式融合三個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，即先融合煙霧和溫度得到火災(zāi)發(fā)生信任函數(shù)，然后再將此信任函數(shù)與一氧化碳?xì)怏w進(jìn)行融合，融合的順序不影響最終結(jié)果。D-S證據(jù)融合理論有很強(qiáng)的不擬定信息解決能力，但是各個(gè)證據(jù)的分派依賴于概率分派函數(shù)模型，在通常情況下模型帶有一定的主觀性。運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多傳感器初級(jí)融合，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出作為證據(jù)體，再運(yùn)用D-S證據(jù)理論進(jìn)行二級(jí)融合解決，可提高決策準(zhǔn)確度。融合的體系結(jié)構(gòu)如圖4.9所示，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)特性級(jí)的融合，而證據(jù)理論實(shí)現(xiàn)決策級(jí)的融合。決策解決信息預(yù)解決證據(jù)理論融合BP網(wǎng)絡(luò)融合多傳感器數(shù)據(jù)決策解決信息預(yù)解決證據(jù)理論融合BP網(wǎng)絡(luò)融合多傳感器數(shù)據(jù)圖4.9兩級(jí)數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)上文建立了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，為了得到該模型輸入層與隱層、隱層與輸出層間的具體參數(shù)，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)火實(shí)驗(yàn)提供的一半火災(zāi)樣本訓(xùn)練30000次，得到輸入層與隱層之間權(quán)值系數(shù)表4.10所示，隱層與輸出層之間的權(quán)值系數(shù)如表4.11所示。圖4.10權(quán)值系數(shù)圖4.11權(quán)值系數(shù)火災(zāi)的發(fā)生是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，傳感器某個(gè)時(shí)刻的測(cè)量值信息與前一段時(shí)間積累測(cè)量信息有相關(guān)性。在實(shí)際火災(zāi)檢測(cè)過(guò)程中，采用多組傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和DS證據(jù)融合兩級(jí)解決，得到火災(zāi)鑒定情況?？偨Y(jié)和展望一、工作總結(jié)家庭火災(zāi)作為一種發(fā)生頻率較高的災(zāi)害，受到國(guó)內(nèi)外的普遍關(guān)注，他的任何時(shí)間。任何地區(qū)都也許發(fā)生。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑物構(gòu)筑物應(yīng)用材料的多樣化，家庭易燃物多，各類工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，易燃材料增多?；馂?zāi)發(fā)生的次數(shù)，火災(zāi)導(dǎo)致的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失日漸增多?，F(xiàn)代社會(huì)，由于人口密度較大建筑物日欲趨于大型化和一體化，一旦發(fā)生火災(zāi)，滅火的難度更大。為了避免火災(zāi)的劫難性后果，建立起更高的可靠性。實(shí)時(shí)