1 關鍵技術介紹

1.1 物聯網技術
    廣義上的物聯網是信息空間與物理空間的融合，將一切事物數字化、網絡化，實現高效信息交互方式，是信息化在人類社會綜合應用達到的更高境界[1]。
    物聯網具有三層結構[2]：第一層是感知和標識系統，作為物聯網的基礎，負責采集物理世界中發生的物理事件和數據，如傳感器、RFID等；第二層是通信網絡，網絡是物聯網信息傳遞和服務支撐的基礎設施；第三層是應用和服務，這是物聯網的最終價值體現。在已有研究成果中，還有其他幾種較具代表性的物聯網體系結構[3]。
1.2 ZigBee技術
    電氣和電子工程師協會(IEEE)成立的IEEE802.15.4工作組，致力于定義一種供廉價的固定、便攜或移動設備使用的極低復雜成本和功耗的低速率無線連接技術，這就是ZigBee技術[4]。 ZigBee的網絡拓撲結構有三種：星型網絡、樹簇型網絡、網型網絡（圖１）[5]。其支持兩種類型的物理設備：支持任何拓撲結構作為網絡協調器或路由的全功能節點，只能作為網絡的終端節點的半功能節點[6]。完全符合家庭網絡通信的需要。

1.3 傳感器技術
　傳感器技術是信息技術的三大基礎之一，是當今國際研究熱點之一[7]。智能傳感器網絡技術主要研究智能傳感器的網絡通信功能，將傳感器技術、通信技術和計算機技術融合起來，以實現信息的“采集”、“傳輸”和“處理”的真正統一，從而構成一個分布式智能傳感器網絡系統[8]。
1.4 嵌入式技術
    嵌入式系統已經為人們所熟悉，有自己的操作系統和特定功能，用于特殊場合的系統[9]。核心是RISC內核的嵌入式微處理器。主要有以下特點：對實時多任務有很強的支持能力，能實現多任務處理并且有較短的中斷響應時間；具有功能很強的存儲區保護功能；可擴展的處理器結構；功耗很低等。
    本設計采用Cortex-A8處理器。該處理器使用了先進的分支預測技術，并且具有專用的NEON整型和浮點型流水線進行媒體和信號處理。這是一款基于ARMv7架構的處理器，采用65 nm工藝，功耗不到300 mW，能夠提供高性能、低費用和低功耗。
2 系統結構的總體設計
2.1系統設計原則
    保證系統的穩定性、實時性、安全性、抗干擾性以及可擴展性是設計一個系統的基本原則。對于本設計，首要任務是監測環境，包括溫度、濕度、光照度和火災預警，非法入侵的監控，從功能實現的角度上就對系統的穩定性和實時性提出了更高的要求。還要留有擴充接口，方便將來的性能提升。在設計時，使用了抽象化、模塊化等思想，采用結構化的設計方法，使軟件達到了設計所需的各項要求。
2.2 總體設計方案
    系統總體設計方案圖如圖2所示。在室內布置煙霧傳感器和紅外傳感器作為監測火災的單元，室內外安裝溫度傳感器、濕度傳感器和光照傳感器作為生活必需的監測單元，安裝紅外傳感器還作為監測非法入侵的防盜單元。以這三個單元為主的家居綜合監測系統，通過ZigBee技術組成傳感器網絡，由終端節點采集到信號，通過ZigBee無線網絡將信息傳遞給路由節點，路由節點再將信息傳遞給協調器節點，在協調器內將信息進行融合，通過無線網絡傳送至GPRS網絡、手持設備、PC客戶端等，用戶可以根據自身情況用遙控器、手持設備、PC客戶端對系統進行設置。當系統判斷確有火災險情、溫濕度變化較大、非法入侵等情況發生時，自動發出不同聲音進行報警并通過GPRS網絡通知用戶。

3 硬件設計
    本設計要實現的功能就是首先要將各種傳感器與無線傳輸芯片結合在一起。系統硬件設計結構圖如圖3所示。

3.1 傳感器的選擇
    (1)MQ-2煙霧傳感器：它由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測量電極和加熱器等部件構成。
    (2)SPS532CA紅外線傳感器：它基于熱電效應原理制成，專門用在火災探測和氣體分析，TO-5真空密封，可靠耐用，輸出信號靈敏度。
    (3)SHT10溫濕度傳感器：采用專利的CMOSENS技術，確保了極高的可靠性和長期穩定性，是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全標定的數字輸出。
    (4)APDS-9002光電傳感器：它采用微型ChipLED無鉛表面封裝，它是業內體積最小的器件之一，其工作特性也完全符合應用需求。
    (5)入侵監測傳感器：采用豪恩（LongHorn）公司的雙鑒探測器LH-902C進行人員入侵判斷。該探測器采用微波和紅外技術同時鑒定入侵信息。
3.2 CC2530的路由器節點設計
    CC2530是一個兼容IEEE802.15.4的片上系統，支持專有的802.15.4的協議以及ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE標準。它使用一個8位的MCU，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，適合作為協調器節點、路由器節點和終端設備的核心部件。
    從硬件角度看，路由器節點的功能主要是實現數據的收發。由電源模塊、時鐘模塊、CC2530、射頻天線單元和LED顯示模塊組成，LED顯示模塊由3個不同顏色的LED發光二極管組成, 分別用來表示節點的工作狀態[10]。其電路結構如圖4所示。

3.3 控制中心節點的設計
    控制中心節點在ZigBee網絡中充當協調器節點的角色，主要負責ZigBee網絡的建立及節點的管理等任務。在本系統中，它還需要對所接收的數據進行處理，以及通過RS-232串口與PC機連接通信。它的硬件系統結構如圖5所示。

    控制中心節點的射頻天線單元用來接收和發送電磁波信號，LCD顯示模塊用來顯示網絡狀況、顯示接收到的數據與指令信息，同時可配合按鍵模塊進行菜單界面的顯示。
    (1)電源部分
    采用外部5 V直流電源供電。使用MAX687電壓轉換芯片為系統轉換至工作電壓3.3 V。
    (2)時鐘部分
    CC2530芯片的時鐘系統由兩個部分組成，32 MHz晶振提供系統正常工作時的時鐘頻率，它分別連接CC2530的P19和P21管腳。32.768 kHz晶振提供系統在低功耗模式下的工作頻率，它分別連接CC2530的P44和P43號管腳。
    (3)射頻天線單元
　射頻天線單元由阻抗匹配電路與天線饋線電路組成。將節點設備外觀以小巧美觀實用的原則進行設計來適應智能家居綜合監測系統的特點。
    (4)LCD顯示模塊設計
　LCD顯示部分采用2×16的字符型液晶顯示模塊。可用于字母、數字及字符的顯示。
    (5)按鍵部分設計
    該節點的按鍵功能是為了方便用戶對該節點進行設置而設計的。設置開、關及重啟三個按鈕。其余系統控制設計在控制端。
4 軟件設計
    軟件設計主要分為三個部分，無線傳感網的信號采集部分的軟件設計、CC2530作為路由器的軟件設計、控制端的軟件設計。
4.1 傳感器節點的程序設計
    傳感器節點的主要功能是通過各種傳感器進行數據采集并進行發送。傳感器節點的程序流程如圖6所示：傳感器節點啟動后，先進行初始化，然后傳感器節點尋找是否存在已經建好的網絡，如果存在，則向ZigBee協調器發送加入請求；否則繼續處于等待狀態。當得到協調器允許后，傳感器節點便加入到網絡中開始采集數據，并將自己的網絡地址與采集到的數據發送到協調器，直到一個周期結束后再開始下一個周期。根據收到指令的不同，傳感器節點的處理程序也各不相同，不同的傳感器，節點程序的設計也有所不同。

4.2 路由器節點的程序設計
    路由器節點的主要作用是負責網絡節點的管理與數據的路由、轉發。在本系統中，路由器節點的工作流程圖如圖7所示。路由器節點啟動后，先進行初始化工作，之后將自己的網絡地址與數據信息發送到控制中心節點，然后進入消息等待狀態。判斷收到的消息不是發送給自己的，則將消息轉發出去；否則，路由器節點將根據收到的消息中的指令執行操作。

4.3 控制中心節點軟件設計
    控制中心節點主要是通過ZigBee網絡的建立，實現指令的發送和數據的接收、轉發，與管理中心（PC機、遙控器、手持設備等）進行通信[11]。因此，主要由以下幾個模塊組成：(1)ZigBee網絡應用數據收發模塊；(2)串口通信模塊；(3)界面操作模塊。
5 系統測試
5.1數據傳輸測試
    本設計采用CC2530芯片作為無線傳輸模塊，最高傳輸速率250 kb/s，在較為理想的環境中，室內傳輸最高可達15 m，室外可達到100 m。根據設計的需要，對室內進行了數據傳輸測試[12]，隨機選取6組數據，室內測試結果如表1所示。

    由表1可知,相隔3 m時，傳輸數據快速準確；相隔5~8 m時，傳輸數據較快速準確；當相隔15 m時，信號微弱，傳輸數據不穩定。這是因為室內障礙物比較多，對傳輸的信號削減較大。因此，當本設計在實際安裝時應考慮距離因素，5~8 m的距離較為合適。
5.2 數據采集及顯示測試
　 通過對溫度、濕度以及光照度的測試和數據傳輸對本系統的CC2530無線通信進行測試。將溫度傳感器、濕度傳感器和光照度傳感器組成的傳感器模塊與一個CC2530模塊連接，將另一個CC2530模塊與測試用的智能主板連接。上電后，傳感器能夠正常采集數據，CC2530無線通信模塊能夠正常通信,自動完成組網和數據傳輸。
    本文提出了一種將物聯網技術與家居綜合監測相結合的系統方案設計，詳細介紹了傳感器選擇、硬件系統搭建和軟件流程設計的整個系統的實現方案。并在實驗室條件下，對系統一部分的功能進行搭建，經過測試，取得了良好的預期效果。由于系統設計得還不夠完善，信息的儲存和分類、界面的智能化和系統的低功耗，都需要進一步的研究和改善。在物聯網飛速發展的今天，家居綜合監測系統必將更加完善，應用和推廣的前景十分廣闊。
參考文獻
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