3 系統的硬件設計

　　在剛做本系統設計的時候是在CROSSBOW公司的MICAZ節點平臺上做了相關的基礎框架實驗。順利地通過TinyOS操作系統和自組織方式組成網狀網絡，并且采集數據，通過多跳路由方式把數據轉發回基站。雖然CROSSBOW的產品擁有諸多優點，但是因為該產品硬件電路復雜，并且組網方面也存在一些問題，且價格昂貴，不適合于大范圍地布置節點。所以本文最后選擇在TI公司的CC2430片上系統上做系統設計。CC2430是一顆真正的片上系統（SoC） CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4GHz ISM波段應用以及對低成本、低功耗的要求［5，6］。它結合一個高性能2.4GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發器核心和一顆工業級小巧高效的8051控制器，資源非常豐富。

　　對于無線傳感器節點來說最敏感的就是射頻電路，很容易受其它信號的干擾，所以為了降低節點電路本身對射頻RF的干擾，本文設計節點硬件的時候把射頻部分和傳感器信號采集處理部分分為兩個模塊進行設計，然后通過排針排母把兩個模塊進行連接。

　　3.1 系統的硬件框圖設計

　　圖為系統的整體硬件設計框圖，本系統是以CC2430 節點為核心組建Zigbee 網絡。不同節點上分布有各種傳感器，采集各種安防參數以進行聲光報警和執行機構的控制。在執行機構旁也分布有節點用于進行遠程的電器控制，特別是在數字門鎖旁安裝有節點用于智能門禁系統的組成。

　　3.2 CC2430 射頻模塊的設計

　　CC2430模塊的硬件設計方面選擇了TI公司的方案，主要是射頻部分的設計，包括電源濾波、匹配阻抗、非平衡變壓器的設計、PCB微波傳輸帶線，整個結構滿足RF輸入/輸出阻抗（50Ω）的要求，天線采用的是3dB的鞭狀SMA天線。

　　3.3 節點傳感器板和通用底板的設計

　　節點底板用于引出模塊I/O 引腳，作為傳感器電路板和電源供應模塊以及RS232 通訊電路，在該板上可以引出I/O 線控制外部執行機構和采集傳感器數據，并且還可擴展LCD 液晶模塊，方便觀察和調試。

　　4 軟件設計

　　軟件設計分為Zigbee節點的軟件設計和PC上位機的軟件設計。節點的軟件設計是為了組建Zigbee樹形網絡、采集傳感器數據并轉發到協調器、實現聲光報警和對部分電器的控制以及與PC上位機之間的通信。PC上位機軟件設計主要是實現與Zigbee傳感器網絡的交互和設計全圖形化的監視和操作界面以及服務器和客戶端的交互程序（本系統選擇的遠程控制模式采用的是C/S模式）。

　　4.1 Zigbee 節點的軟件設計

　　本系統采用的Zigbee 協議棧是TI 公司的2006 版Zigbee 協議棧， 版本是Z-Stack-1.4.3-1.2.1。

　　TI 完成了對Z-Stack 的兼容，該款市場領先的ZigBee 解決方案針對CC2430 片上系統（SoC）進行了相關兼容性認證。Z-Stack 達到了參考平臺（Golden Unit）水平，作為率先實施最新版ZigBee 標準并通過兩家ZigBee 認證檢試實驗室之一獨立測試的平臺，該產品獲得這一殊榮當之無愧［7］。參考平臺的建立為未來ZigBee Compliant Platform （ZCP）的認證提供了參考點，并且最重要的就是該款協議棧現今對于研究和實驗室免費的，這使得該協議棧的受歡迎度大大提高。Zigbee 節點的軟件開發環境采用的是IAR EmbeddedWorkbench 7.30B，這也是Z-Stack 協議棧推薦使用的軟件開發環境。

　　Z-Stack 已經為用戶完成了對Zigbee 各層的開發包括物理層、MAC 層、網絡層、應用層框架，用戶需要調用Z-Stack 提供的豐富接口即可完成對工程的應用開發，大大降低了開發的周期。因為對Z-Stack 應用開發的大體思路都是相似的，所以本文著重以開發智能門禁系統為例來談談Z-Stack 的應用程序的設計。

　　前文已經提到智能門禁系統所要實現的功能，要在Z-stack 程序中實現這些功能，必然要遵循Zigbee 協議棧的規則。下面圖5 以智能門禁協調器程序的流程來體現Z-Stack 的應用開發。

　　由此可見，在Z-Stack 開發一個系統主要是在應用層上面編寫事件處理函數和按鍵處理函數。但必要的硬件相關程序是編寫在HAL 硬件層的，比如說人體熱釋電傳感器和音樂報警器的初始化和中斷觸發、報警驅動程序等，由硬件觸發中斷后發送事件消息到應用層，操作系統循環檢測到應用層有事件需要處理則執行應用層事件處理函數App_ProcessEvent（），相當于事件驅動機制。下位機與上位機通信的接口是RS232 串口，注意串口程序開發的時候，Z-Stack 是默認允許了硬件流控制的，必須把2430 的CTS 和RTS 端拉為高電平才能互相通信，否則無數據收發，曾經浪費了很多時間在這上面研究。如果協調器無法建立網絡或者路由器和終端設備無法加入網絡，并且LED 燈一直閃爍，或者加入了網絡無法實現設備綁定，究其原因是地址的關系，在Z-Stack 操作系統程序zmain_ext_addr（）里面，如果節點的IEEE 地址全為0xFF（因為寫程序的時候有可能把存IEEE 地址的內存給清除了），則需要按鍵來初始化節點的IEEE 地址，但是路由器和終端設備的初始化地址都一樣為0x20，所以地址重復，無法加入網絡或者實現綁定。可以使用SmartRF04 Flash Programmer 燒寫不同的IEEE 地址到節點上。最后，很重要的一點就是應用層初始化程序中一定要在AF 層登記你的端點—afRegister（端點描述符），否則無法通過你自定義的端點實現設備之間的通信。因為節點上的異構性，即不同的節點擔任著不同的任務和節點上的傳感器也不盡相同，所以編寫程序的時候盡量采用條件編譯#ifdef 的方式。節點上擁有什么樣的功能就編譯什么樣的程序，到時只需要在C/C++ compiler 欄的Preprocesser 項下的defined symbols 先定義你節點的功能再編譯就行了。

　　4.2 上位機軟件設計

　　本系統的上位機程序采用全圖形化的操作界面，大部分的顯示和控制都是在圖像上面進行的，程序設計語言采用的是VB6.0。上位機程序分為服務端和客戶端，服務端用于與協調器進行通信和為遠程客戶端提供查詢和控制服務，客戶端用于遠程家居監視和控制。上位機程序實現的功能主要是圖像顯示報警信息并通知用戶、電器和門禁遠程控制、攝像頭視頻采集和遠程圖像傳輸、家居內人員定位圖形顯示以及所有的監控數據存入SQLServer2000 數據庫中。圖6 是服務器的主監控界面，圖7 是人員定位圖和攝像頭圖像采集界面。客戶端的監控界面與服務端的監控界面基本上一致，服務器界面的變化必然也會導致客戶端的變化。

　　上位機與下位機的交互程序使用了微軟的Mscomm 控件，服務器與客戶端的Internet 通信使用的是Winsock 套接字TCP 連接，攝像頭視頻采集使用的是VFW 視頻窗口建立和圖像采集函數。在設計上位機和下位機通信程序的過程中，很重要的一點就是通信的可靠性，特別是報警信息的收發，為了保證可靠性，本系統建立了一系列的應答通信機制，包括消息應答、等待超時重發、包丟失重發等。本系統的本地控制和遠程控制基本都是在圖像上面進行的操作，比如說要控制客廳的燈光，點擊圖像上面的某一個燈，圖像上的燈就會熄滅，同時通過無線傳感器網絡也相應地關閉實際的燈。

　　5 結論

　　本文介紹了以Zigbee 作為無線傳感器網絡組網技術而建立的智能家居安防監控系統，采用CC2430 片上系統實現了自組織的串狀網絡，具有低成本、低功耗、低復雜度的特點。本文對下位機和上位機均做了設計介紹，特別是提出了全圖形化的顯示和操作界面，客戶無須記住繁雜的控制指令。本智能家居安防系統基本實現了現代家居安防所必需的功能，集家庭安防報警、家居人員定位、智能門禁、電器遠程控制、遠程視頻圖像監控于一體，為下一步的深入研究奠定了基礎。本文雖實現了智能家居安防的基本功能，但是還需進一步加深理論算法的研究，比如節點任務調度和節點部署以節省傳感器網絡的能耗問題，還有節點的休眠和喚醒的時間問題等。