家居物聯(lián)網(wǎng)安全系統(tǒng)的研究畢業(yè)論文

1、<p>　　編 號： </p><p>　　審定成績： </p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）</b></p><p>　　填表時間： 年 月</p><p>　設(shè)計（論文）題目：家居物聯(lián)網(wǎng)安全系統(tǒng)的研究</p><p>&l

2、t;b>　　摘 要</b></p><p>　　物聯(lián)網(wǎng)正在以超越“爆炸”的速度發(fā)展，其對世界的影響也是越來越明顯。智能家居是現(xiàn)代家居生活的一種趨勢，以至于在第三屆中國國際物聯(lián)網(wǎng)（傳感器網(wǎng)絡(luò)）博覽會上，家居智能作為“十二五”規(guī)劃中工信部主推應(yīng)用領(lǐng)域之一，家居系統(tǒng)產(chǎn)品或網(wǎng)絡(luò)家居得以展示，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居方面的應(yīng)用已經(jīng)初見成效。</p><p>　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家

3、居系統(tǒng)中的應(yīng)用不斷成熟，考慮到智能家居系統(tǒng)中存在的一些安全問題，例如“如何對住宅環(huán)境進行實時監(jiān)測”，以及現(xiàn)有家居安全系統(tǒng)存在的局限性，一種基于物聯(lián)網(wǎng)的高度網(wǎng)絡(luò)化智能家居安防系統(tǒng)被設(shè)計出來。該智能家居安防系統(tǒng)是針對對非授權(quán)訪問進行檢測、攔截和報警進行設(shè)計。本設(shè)計涉及到兩個節(jié)點（CC2530芯片為主控芯片的開發(fā)板），一個用作協(xié)調(diào)器節(jié)點，一個用作終端設(shè)備；協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)，并維護網(wǎng)絡(luò)，與PC電腦相連，終端設(shè)備負(fù)責(zé)控制各個功能模塊的正常工作，

4、并把數(shù)據(jù)傳遞給協(xié)調(diào)器節(jié)點。另外功能模塊主要有溫濕度采集模塊、煙霧檢測模塊、繼電器模塊和人體紅外傳感模塊。</p><p>　　本文主要從理論和原理方面對家居物聯(lián)網(wǎng)的安全系統(tǒng)進行研究，另外也從硬件方面做了很簡易的家居環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】智能家居系統(tǒng) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 家居安防 傳感器網(wǎng)絡(luò)</p><p><b>　　目 錄<

5、;/b></p><p><b>　　前 言1</b></p><p>　　第一章 智能家居2</p><p>　　第一節(jié) 智能家居的概述2</p><p>　　第二節(jié) 國內(nèi)外智能家居的發(fā)展?fàn)顩r2</p><p>　　一、國內(nèi)智能家居的現(xiàn)狀2</p><p&

6、gt;　　二、國內(nèi)的相關(guān)政策3</p><p>　　三、國外智能家居的現(xiàn)狀3</p><p>　　第三節(jié) 智能家居中的安全問題4</p><p>　　第四節(jié) 本章小結(jié)5</p><p>　　第二章 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)6</p><p>　　第一節(jié) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)6</p><p>

7、;　　第二節(jié) IEEE 802.5.4/ZigBee無線通信標(biāo)準(zhǔn)7</p><p>　　一、IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)簡介7</p><p>　　二、ZigBee標(biāo)準(zhǔn)簡介8</p><p>　　第三節(jié) 家居物聯(lián)網(wǎng)安全系統(tǒng)的研究10</p><p>　　一、家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)10</p><p>　　二、系統(tǒng)安

8、全問題的研究11</p><p>　　第四節(jié) 本章小結(jié)11</p><p>　　第三章 課題的硬件描述12</p><p>　　第一節(jié) 設(shè)計總框圖12</p><p>　　第二節(jié) CC2530芯片及最其小系統(tǒng)介紹12</p><p>　　一、CC2530芯片簡介12</p><p>

9、;　　二、CC2530最小系統(tǒng)組成14</p><p>　　第三節(jié) 功能模塊介紹15</p><p>　　一、溫濕度檢測模塊15</p><p>　　二、煙霧檢測模塊17</p><p>　　三、人體紅外探測模塊18</p><p>　　四、光敏傳感器模塊19</p><p><

10、;b>　　五、顯示模塊20</b></p><p>　　六、繼電器模塊22</p><p>　　第四節(jié) 本章小結(jié)23</p><p>　　第四章 課題的軟件描述24</p><p>　　第一節(jié) 總體流程24</p><p>　　第二節(jié) 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件設(shè)計25</p>&l

11、t;p>　　一、無線傳感器和控制節(jié)點軟件設(shè)計25</p><p>　　二、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計25</p><p>　　第三節(jié) 功能模塊的軟件設(shè)計26</p><p>　　一、煙霧檢測模塊26</p><p>　　二、紅外人體感應(yīng)模塊28</p><p>　　三、溫濕度檢測模塊29</p>

12、;<p>　　第四節(jié) 本章小結(jié)29</p><p>　　第五章 系統(tǒng)測試30</p><p>　　第一節(jié) 網(wǎng)絡(luò)測試30</p><p>　　第二節(jié) 煙霧檢測模塊測試31</p><p>　　第三節(jié) ZigBee管理系統(tǒng)界面32</p><p>　　第四節(jié) 本章小結(jié)34</p>

13、<p>　　第六章 總結(jié)35</p><p><b>　　致 謝36</b></p><p><b>　　參考文獻37</b></p><p><b>　　附 錄38</b></p><p><b>　　一、英文原文38</b>&

14、lt;/p><p><b>　　二、英文翻譯46</b></p><p><b>　　三、源程序52</b></p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生

15、活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理化系統(tǒng)，提高家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并保證環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境[1]。</p><p>　　智能家居又稱智能住宅，通俗地說，它是融合了自動化控制系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)化智能化的家居控制系統(tǒng)[2]。智能家居將讓用戶有更方便的手段來管理家庭設(shè)備，比如，通過家觸摸屏、無線遙控器、電話、互聯(lián)網(wǎng)或者語音識別控制家用設(shè)備，更可以執(zhí)行場景

16、操作，使多個設(shè)備形成聯(lián)動；另一方面，智能家居內(nèi)的各種設(shè)備相互間可以通訊，不需要用戶指揮也能根據(jù)不同的狀態(tài)互動運行，從而給用戶帶來最大程度的高效、便利、舒適與安全。</p><p>　　智能家居系統(tǒng)集綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動控制技術(shù)和音、視頻技術(shù)與一體的將家居生活有關(guān)的設(shè)備集成的一個綜合性系統(tǒng)。由于智能家居采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議的不同，大多數(shù)智能家居系統(tǒng)都采用綜合布線方式，但少數(shù)系統(tǒng)可能并不采用

17、綜合布線技術(shù)，如電力載波，不論哪一種情況，都一定有對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)來完成所需的信號傳輸任務(wù)，因此網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是智能家居集成中關(guān)鍵的技術(shù)之一。安全防范技術(shù)是智能家居系統(tǒng)中必不可少的技術(shù)，在小區(qū)及戶內(nèi)可視對講、家庭監(jiān)控、家庭防盜報警、與家庭有關(guān)的小區(qū)一卡通等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。自動控制技術(shù)是智能家居系統(tǒng)中必不可少的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在智能家居控制中心、家居設(shè)備自動控制模塊中，對于家庭能源的科學(xué)管理、家庭設(shè)備的日程管理都有十分重要的作用。音視頻技

18、術(shù)是實現(xiàn)家庭環(huán)境舒適性、藝術(shù)性的重要技術(shù)，體現(xiàn)在音視頻集中分配、背景音樂、家庭影院等方面[3]。</p><p><b>　　第一章 智能家居</b></p><p>　　第一節(jié) 智能家居的概述</p><p>　　智能家居是在互聯(lián)網(wǎng)的影響下物聯(lián)化的體現(xiàn)。智能家居通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家中的各種設(shè)備（如音視頻設(shè)備、照明系統(tǒng)、窗簾控制設(shè)備、安防系統(tǒng)、

19、數(shù)字影院系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)家電以及三表抄送等）連接到一起，給家居生活提供家電控制、照明控制、窗簾控制、電話遠(yuǎn)程控制、室內(nèi)外遙控、防盜報警、環(huán)境監(jiān)控、暖通控制、紅外轉(zhuǎn)發(fā)以及可編程定時控制等多功能和手段。與傳統(tǒng)家居相比較，智能家居不僅具有普通家居的居住功能，還兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、便利、舒適、安全、環(huán)保的居住環(huán)境，提供全方位的信息交互功能。幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，

20、幫助人們有效安排時間，增強家居生活的安全性，甚至還為各種能源費用節(jié)約資金。</p><p>　　智慧家居概念的起源很早，但一直未有具體的建筑案例出現(xiàn)，直到1984年美國聯(lián)合科技公司（United Technologies Building System）將建筑設(shè)備信息化、整合化概念應(yīng)用于美國康乃迪克州（conneticut）哈特佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding時，才出現(xiàn)了首棟的“智能型

21、建筑”，從此就解開了全世界各國相爭建造智能家居的序幕[1]。</p><p>　　第二節(jié) 國內(nèi)外智能家居的發(fā)展?fàn)顩r </p><p>　　一、國內(nèi)智能家居的現(xiàn)狀</p><p>　　智能家居作為一個新生產(chǎn)業(yè)，處于一個導(dǎo)入期和成長期的臨界點，市場消費觀念還未形成，但隨著智能家居市場推廣普及的進一步落實，培育起消費者的使用興趣，智能家居市場的消費潛力必然是巨大的，產(chǎn)業(yè)前

22、景是光明的。正因為如此，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)越來越重視對智能家居行業(yè)市場的研究。智能家居至今在我國已經(jīng)經(jīng)歷了近12年的發(fā)展，從人們最初的夢想，到今天真實的走進我們的生活，經(jīng)歷了一個艱難的過程。</p><p>　　智能家居在我國的發(fā)展經(jīng)歷大致可以分為四個階段：萌芽期、開創(chuàng)期、徘徊期和融合演變期。萌芽期是智能家居在我國的第一個發(fā)展階段，整個行業(yè)還處于一個熟悉概念和認(rèn)識產(chǎn)品的階段；開創(chuàng)期期間我國成立了多家智能家居研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)

23、。智能家居的市場營銷、技術(shù)培訓(xùn)體系逐漸完善起來；徘徊期由于在開創(chuàng)期期間智能家居企業(yè)的野蠻成長和惡性競爭，給智能家居行業(yè)帶來了極大的負(fù)面影響。同時，國外智能家居品牌局部進入中國市場；融合演變期市場明顯出現(xiàn)增長的勢頭，在2011年以后，智能家居一方面進入一個相對快速的發(fā)展階段，另一反面協(xié)議與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開始主動互通和融合，使智能家居行業(yè)的發(fā)展更加快速。</p><p><b>　　二、國內(nèi)的相關(guān)政策</b

24、></p><p>　　截止2013年，全球范圍內(nèi)信息技術(shù)創(chuàng)新不斷加快，信息領(lǐng)域的新產(chǎn)品、新服務(wù)和新業(yè)態(tài)大量涌現(xiàn)，不斷激發(fā)新的消費需求，成為日益活躍的消費熱點。我國的市場規(guī)模非常的龐大，也正處于居民消費升級和信息化、工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化加快融合發(fā)展的階段，信息消費具有良好的發(fā)展基礎(chǔ)和巨大的發(fā)展?jié)摿?。我國政府為了推動信息化、智能化城市發(fā)展在2013年8月14日發(fā)表了關(guān)于促進信息消費擴大內(nèi)需的若干意見，大

25、力普及寬帶、寬帶提速，加快推動信息消費持續(xù)增長，這都為智能家居、物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。</p><p>　　鼓勵智能終端產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展。面向移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)的熱點，加快實施智能終端產(chǎn)業(yè)化工程，支持研發(fā)智能手機、智能電視等終端產(chǎn)品，促進終端與服務(wù)一體化發(fā)展。支持?jǐn)?shù)字家庭智能終端研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，大力推動數(shù)字家庭示范應(yīng)用和數(shù)字家庭產(chǎn)業(yè)基地建設(shè)。鼓勵整機企業(yè)與芯片、器件、軟件企業(yè)協(xié)作，研發(fā)各類新型信息消

26、費電子產(chǎn)品。支持電信、廣電運營單位和制造企業(yè)通過定制、集中采購等方式開展合作，帶動智能終端產(chǎn)品競爭力提升，夯實信息消費的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。</p><p>　　三、國外智能家居的現(xiàn)狀</p><p>　　自從世界上第一幢智能建筑1984年在美國出現(xiàn)以后，美國、加拿大、歐洲、澳大利亞和東南亞的經(jīng)濟比較發(fā)達的國家先后提出了各種智能家居的方案。智能家居在美國、德國、新加坡、日本等經(jīng)濟發(fā)達國家都有廣泛的應(yīng)

27、用。</p><p>　　1998年5月新加坡舉辦的“98亞洲家庭電器與電子消費品國際展覽會”上，通過在場內(nèi)模擬“未來之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系統(tǒng)。它的系統(tǒng)功能包括三表抄送功能、安防報警功能、可視對講功能、監(jiān)控中心功能、家電控制功能、有線電視接入、電話接入、住戶信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布線箱、寬帶網(wǎng)接入和軟件配置等。</p><p>　　比爾蓋茨的家是國外第一個使用

28、智能家居的家庭，至今已經(jīng)快有30年的歷史了，智能家居控制系統(tǒng)也逐漸進入人們的視野中，也讓更多的人了解和嘗試這么一個新鮮的事物。</p><p>　　第三節(jié) 智能家居中的安全問題</p><p>　　隨著人們居住環(huán)境的升級，人們越來越重視自己的個人安全和財產(chǎn)安全，對人、家庭以及住宅的小區(qū)的安全方面提出了更高的要求；同時，經(jīng)濟的飛速發(fā)展伴隨著城市流動人口的急劇增加，給城市的社會治安增加了新的難

29、題，要保障小區(qū)的安全，防止偷搶事件的發(fā)生，就必須有自己的安全防范系統(tǒng)，人防的保安方式難以適應(yīng)我們的要求，智能安防已成為當(dāng)前的發(fā)展趨勢。</p><p>　　智能家居系統(tǒng)中的安全防范措施一般包括視頻監(jiān)控、設(shè)置門禁系統(tǒng)和防盜報警。視頻監(jiān)控是對主要的出入口通道以及家中比較重要的地方進行監(jiān)控，該方式有效地對家居環(huán)境進行監(jiān)控。設(shè)置門禁系統(tǒng)，可以有效地阻止“非授權(quán)入侵”。防盜報警是在門禁系統(tǒng)中的一個擴展功能，當(dāng)有陌生人妄想以

30、強硬的手段進入到房屋內(nèi)時，我們的防盜報警系統(tǒng)可以在他觸動門禁系統(tǒng)的同時，警報響起，當(dāng)然更加完善的系統(tǒng)還可以給房子主人發(fā)送短信，提醒他家中有陌生人闖入，同時給小區(qū)保安室也發(fā)一條短信，告知他小區(qū)有安全隱患發(fā)生。</p><p>　　智能安防系統(tǒng)也是一個不小的系統(tǒng)，在進行具體的設(shè)計的時候需要考慮到很多實實在在的問題，例如系統(tǒng)集成化問題。從當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀來看，各類智能家居的安全防范措施的發(fā)展還處于起步階段，各有利弊，這就

31、需要我們對這些進行總結(jié)，探索一種安全系數(shù)高、價格較低的安防系統(tǒng)，從而為人們提供一個安全、舒適的生活環(huán)境。</p><p><b>　　第四節(jié) 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要對智能家居作一個大概的介紹，這包括智能家居系統(tǒng)的功能以及智能家居在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，并對智能家居的發(fā)展前景是非?？春玫?。智能家居系統(tǒng)是一個龐大的系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中，綜合應(yīng)用了很多的技

32、術(shù)手段，包括綜合布線技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。</p><p>　　智能家居行業(yè)在國內(nèi)發(fā)展的時間也還不是很長，但是取得的成就是無可非議的，但是，智能家居各方面的功能也還不是很完善，智能家居安防系統(tǒng)就是一例，所以才有本文對家居物聯(lián)網(wǎng)安全系統(tǒng)的研究這么一個課題。</p><p>　　第二章 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)</p><p>&

33、lt;b>　　第一節(jié) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)</b></p><p>　　物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）是由Kevin Ashton在1998年提出來的，通過射頻識別、紅外感應(yīng)及激光掃描、二維碼、GPS等技術(shù)將任何物品連接成網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、處理和通信，從而實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的智能化識別和監(jiān)控。</p><p>　　物聯(lián)網(wǎng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓

34、所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。它具有普通對象設(shè)備化，自治終端互聯(lián)化和普適服務(wù)智能化3個重要特征[1]。</p><p>　　物聯(lián)網(wǎng)根據(jù)全面感知，可靠傳遞以及智能處理的三大功能需求，可以將其實現(xiàn)過程分為三層結(jié)構(gòu)：第一層為感知延伸系統(tǒng)，主要功能為采集信息和控制設(shè)備；第二層為異構(gòu)融合的泛在通信網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通以及存儲處理功能；第三層為應(yīng)用和服務(wù)層，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和分析等[4]。

35、物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)可以表示為圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)</p><p>　　第二節(jié) IEEE 802.5.4/ZigBee無線通信標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　一、IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)簡介</p><p>　　IEEE 802.15.4是一種結(jié)構(gòu)、低成本、低功耗的無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。它具備如下特

36、征：（1）實現(xiàn)20kb/s、40kb/s、100kb/s、250kb/s四種不同的傳輸速率。（2）支持星型和點到點兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（3）在網(wǎng)絡(luò)中采取兩種地址方式：16位地址和64位地址。其中16位地址是有協(xié)調(diào)器分配的，64位地址是全球唯一的擴展地址。（4）采用可選的時槽保障（GTS）機制。（5）采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問（CSMA-CA）的信道訪問機制。（6）支持ACK機制以保證可靠傳輸。（7）低功耗機制。（8）鏈路能量檢測（ED，

37、Energy Detection）。（9）鏈路質(zhì)量指示。（10）工作在ISM頻段上，其中在2.4GHz波段上有16個信道，在915MHz波段上有30個信道，在868MHz上有3個信道。（11）數(shù)據(jù)安全策略。</p><p>　　在IEEE 802.15.4中定義了兩種設(shè)備：全功能設(shè)備（FFD）和精簡功能設(shè)備（RFD）。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，全功能設(shè)備可以擔(dān)任協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點的角色，在擔(dān)任協(xié)調(diào)器時主要負(fù)責(zé)組建

38、網(wǎng)絡(luò)；精簡功能設(shè)備擔(dān)任只能擔(dān)任路由器節(jié)點和終端節(jié)點的角色，主要進行數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控的工作[5]。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.2所示：</p><p>　　圖2.2 星型和點到點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和MAC子層，符合開放系統(tǒng)互連模型（OSI）。物理層包括射頻收發(fā)器和底層控制模塊，MAC子層為高層提供

39、訪問物理信道的服務(wù)接口[5]。圖2.3表明了協(xié)議層次之間的關(guān)系。</p><p>　　圖2.3 IEEE 802.15.4協(xié)議棧架構(gòu)</p><p>　　在MAC子層之上的高層包括網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，對于不同高層協(xié)議，也可以通過邏輯鏈路控制子層（LLC，Logical Link Control）以及特定服務(wù)聚合子層（SSCS）來訪問MAC子層。</p><p>　　二、

40、ZigBee標(biāo)準(zhǔn)簡介</p><p>　　ZigBee是一種標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率無線通信所需要的一系列通信協(xié)議[1]?；赯igBee的無線網(wǎng)絡(luò)所使用的工作頻段為868MHz、915MHz和2.4GHz，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps。</p><p>　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)層功能實現(xiàn)</p><p>　　ZigBee標(biāo)準(zhǔn)確定了ZigBee網(wǎng)絡(luò)中

41、的三種設(shè)備：ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備。每一個網(wǎng)絡(luò)都必須包括一臺ZigBee協(xié)調(diào)器，它負(fù)責(zé)建立并啟動一個網(wǎng)絡(luò)，其中包括選擇適合的射頻信道、唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符等一系列操作。ZigBee路由器作為遠(yuǎn)程設(shè)備之間的中繼器來進行通信，能夠用來拓展網(wǎng)絡(luò)的范圍，負(fù)責(zé)搜尋網(wǎng)絡(luò)路徑在任意兩個設(shè)備之間建立端到端的傳輸。ZigBee終端設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集。</p><p><b

42、>　　ZigBee組網(wǎng)</b></p><p>　　組建一個完整的ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)包括兩個步驟：網(wǎng)絡(luò)初始化、節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，其中節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)又包括了兩個步驟：通過與協(xié)調(diào)器連接入網(wǎng)和通過已有的父節(jié)點入網(wǎng)。</p><p>　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)起的，任何一個ZigBee節(jié)點要組建一個網(wǎng)絡(luò)必須要滿足兩個條件：（1）節(jié)點是全功能設(shè)備（FFD）；具備ZigB

43、ee協(xié)調(diào)器的能力；（2）節(jié)點還沒有與其他網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)節(jié)點已經(jīng)與其他網(wǎng)絡(luò)連接時，此節(jié)點只能作為該該網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點，因為一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個協(xié)調(diào)器[6]。</p><p>　　ZigBee組網(wǎng)的流程如圖2.4所示：</p><p>　　圖2.4 ZigBee組網(wǎng)流程圖</p><p><b>　　ZigBee的特點</b></p&

44、gt;<p>　　總得來說ZigBee技術(shù)具有如下特點：（1）高可靠性。ZigBee聯(lián)盟在制定ZigBee規(guī)范時已經(jīng)考慮到數(shù)據(jù)在傳輸過程中的內(nèi)在的不確定性，采取了一系列措施來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，主要包括：物理層兼容搞可靠的短距離無線通信協(xié)議IEEE 802.15.4同時使用OQPSK和DSSS技術(shù)；使用CSMA-CA技術(shù)來解決數(shù)據(jù)沖突問題；使用16-bits CRC來確保數(shù)據(jù)的正確性；使用帶應(yīng)答的數(shù)據(jù)傳輸方式來確保數(shù)據(jù)正

45、確的傳輸目的地址；采用星型網(wǎng)絡(luò)盡量保證數(shù)據(jù)可以沿著不同的傳輸路徑從源地址到達目的地址。（2）低成本、低功耗。低功耗只是針對終端節(jié)點而言的，因為只有終端節(jié)點才可以定時休眠，而協(xié)調(diào)器和路由器節(jié)點必須一直供電；ZigBee模塊成本低，大量布點比較經(jīng)濟，一個路由節(jié)點可以管理高達255個節(jié)點。（3）高安全性。（4）低數(shù)據(jù)速率。</p><p>　　第三節(jié) 家居物聯(lián)網(wǎng)安全系統(tǒng)的研究</p><p>&

46、lt;b>　　一、家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)</b></p><p>　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，物聯(lián)網(wǎng)在智能家居中的應(yīng)用方案也不斷被人們所接受。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用克服了傳統(tǒng)家居布線困難、維護難度大和停電易造成系統(tǒng)癱瘓等問題。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也為智能家居引入了新的概念和發(fā)展空[7]。</p><p>　　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是由許多個功能相同或者是不同的無線傳感器節(jié)點通過自組方式形成的無線網(wǎng)絡(luò)，具

47、有檢測精度高、低功耗、低成本、實時性好、高容量和覆蓋面積大等顯著的優(yōu)點。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，充分利用計算機技術(shù)、無線通信技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電力自動化、信息集成、智能傳感和電力電子技術(shù)等技術(shù)的優(yōu)點[8]，將所有不同的設(shè)備應(yīng)用和綜合功能互連于一體，以無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，連接智能傳感器，設(shè)計“物—物”和“人—物”相聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠把家居電氣信息、家居防盜信息、家居電器信息和家居環(huán)境等信息整合與共享，能夠?qū)崿F(xiàn)人們對物的遠(yuǎn)程監(jiān)

48、控，建立智能化高效率的現(xiàn)代化家居生活環(huán)境[7]。</p><p>　　利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計智能家居電器控制系統(tǒng)總體框圖如圖2.5所示：</p><p>　　圖2.5 智能家居電器控制系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　二、系統(tǒng)安全問題的研究</p><p>　　智能家居系統(tǒng)的功能非常的強大，而系統(tǒng)的安全問題也是必須優(yōu)先考慮的一點。安防監(jiān)控系統(tǒng)是智

49、能家居系統(tǒng)中保證家居生活安全的一個系統(tǒng)，其包括個人安全和財產(chǎn)安全。傳統(tǒng)的人防的保安方式已經(jīng)難以適應(yīng)我們對家居安全的要求，所以智能安防成為了當(dāng)前發(fā)展的趨勢。</p><p>　　智能安防系統(tǒng)主要包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、防盜報警系統(tǒng)和電器安全控制和檢測系統(tǒng)三個子系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能化具有以下優(yōu)點：1、安全：安防系統(tǒng)可以對陌生人入侵、煤氣泄漏、火災(zāi)等情況提前及時發(fā)現(xiàn)并通知主人。2、簡單：操作非常簡單，可以通過遠(yuǎn)程遙控器或

50、者門口控制器進行布防或者撒放。3、實用：視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以依靠安裝在室外的攝像機可以有效地防止小偷進一步行動，并且可以在事后取證給警方提供有利的證據(jù)。</p><p>　　實現(xiàn)智能安防的技術(shù)很多，但都各有利弊，并且技術(shù)不是很成熟，本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安防系統(tǒng)，是當(dāng)前最為流行的一種技術(shù)方式，因為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用在智能家居安全系統(tǒng)中可以避免大面積的布線，又可以大量布點，并且可以降低成本。</p>&l

51、t;p><b>　　第四節(jié) 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹物聯(lián)網(wǎng)的起源和發(fā)展、它所具備的核心技術(shù)和重要特點。也正因為物聯(lián)網(wǎng)具有那些特點，使物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展非常迅猛，技術(shù)更是不斷成熟，被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。</p><p>　　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上的一些優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)家居中存在的一下困難。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在智能家居系統(tǒng)中，給智能家居引入了很多新的概念，并給智能

52、家居的發(fā)展留下了新的空間，同時智能家居系統(tǒng)功能會更加強大，更加完善，使人們的家居生活更加舒適，更加人性化?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計會把智能家居行業(yè)帶到一個嶄新的舞臺，這也會是行業(yè)發(fā)展的一種趨勢和熱點。</p><p>　　最后介紹基于物聯(lián)網(wǎng)智能家居的安全系統(tǒng)，安全問題應(yīng)該是智能家居系統(tǒng)最重要、最優(yōu)先考慮的一個問題，因為所有的家居生活要順利開展，必須的保證家居生活的安全。只有不存在安全隱患的情況下，所有的功

53、能才有實現(xiàn)的意義，所以本設(shè)計重點研究智能家居系統(tǒng)的安全性能。</p><p>　　第三章 課題的硬件描述</p><p><b>　　第一節(jié) 設(shè)計總框圖</b></p><p>　　本設(shè)計通過組建一個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對家居環(huán)境進行實時監(jiān)測。該ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)包括一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和一個終端設(shè)備，這兩個節(jié)點都是用TI公司的CC2530

54、芯片搭建的開發(fā)板構(gòu)成的，這兩個開發(fā)板是一樣的，只是在使用的時候，通過燒錄不同的程序代碼，使它們實現(xiàn)不同的功能</p><p>　　本文采用的ZigBee技術(shù)有個優(yōu)點是低功耗，這里只需要兩節(jié)5號電池就可以支持長達6個月到2年左右的使用時間[9]。所以不需要設(shè)計專門的電源模塊供電，那樣在使用過程中也是十分的不方便，除了用電池供電外，還有一種方法，就是用太陽能電池對節(jié)點供電，在這里就不介紹太陽能電池供電的情況了。<

55、;/p><p>　　圖3.1 設(shè)計總框圖</p><p>　　第二節(jié) CC2530芯片及最其小系統(tǒng)介紹</p><p>　　一、CC2530芯片簡介</p><p>　　CC2530是用于2.4GHz的IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總得材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。C

56、C2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM和許多其他強大的功能。CC2530有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進一步確保了低功耗能源消耗。</p><p>　　CC2530內(nèi)在集成的模

57、塊大致可以分為三種類型：CPU和內(nèi)存相關(guān)的模塊；外設(shè)、時鐘和電源管理相關(guān)的模塊；無線電相關(guān)的模塊。</p><p>　　CC2530采用6mm*6mm的QFN40封裝，CC2530功能引腳圖如圖3.2所示：</p><p>　　圖3.2 CC2530功能引腳圖</p><p>　　CC2530共有4個定時器。定時器1是一個獨立的16為定時器，支持典型定時/計數(shù)功能，

58、定時器有五個獨立的捕獲/比較通道，每個通道定時器使用一個I/O引腳。定時器用于范圍廣泛的控制和測量應(yīng)用。定時器2是一個24位的睡眠定時器，運行在一個32KHz的時鐘頻率上，定時器在復(fù)位之后立即啟動，如果沒有中斷就繼續(xù)運行。定時器的當(dāng)前值可以從SFR寄存器ST2：ST1：ST0中讀取。定時器3和4是兩個8位的定時器，每個定時器有兩個獨立的比較通道，每個通道上使用一個I/O引腳，定時器3/4的特性有：（1）兩個捕獲/比較通道；（2）設(shè)置、清

59、除或切換輸出比較；（3）時鐘分頻器，可以被1、2、4、8、16、32、64、128整除；（4）在每次捕獲/比較和最終計數(shù)事件發(fā)生時產(chǎn)生中斷請求；（5）DMA觸發(fā)功能。</p><p>　　二、CC2530最小系統(tǒng)組成</p><p>　　CC2530最小系統(tǒng)的構(gòu)建是保證CC2530能夠?qū)崿F(xiàn)其所有功能的前提條件，該芯片只需要少許的外部器件就能夠完成其最小系統(tǒng)的搭建。CC2530最小系統(tǒng)電路圖

60、如圖3.3所示：</p><p>　　圖3.3最小系統(tǒng)電路圖</p><p><b>　　1、晶振電路</b></p><p>　　CC2530需要兩個晶振電路，一個32MHz的和一個32.768MHz的，晶振電路的接口如圖3.4所示：</p><p>　　圖3.4 晶振電路接口圖</p><p>

61、;<b>　　2、天線電路</b></p><p>　　在基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中，天線電路的設(shè)計較為重要，因為這涉及射頻通路指標(biāo)是否優(yōu)良，對通信距離、系統(tǒng)功耗都有較大的影響。本文的天線電路設(shè)計如圖3.5所示：</p><p><b>　　圖3.5 天線電路</b></p><p>　　第三節(jié) 功能模

62、塊介紹</p><p>　　本設(shè)計主要涉及到溫濕度檢測模塊、毒煙檢測傳感器模塊、人體紅外探測模塊、光敏傳感器模塊、液晶顯示模塊和繼電器。</p><p><b>　　一、溫濕度檢測模塊</b></p><p>　　本設(shè)計溫濕度檢測采用的是DHT11溫濕度傳感器，這是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器[10]。它應(yīng)用專門的數(shù)字模塊采集技

63、術(shù)和溫濕度傳感器技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕器元件和一個NTC測濕元件，[11]并與一個高性能8位單片機相連接。因為該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。</p><p><b>　　傳感器性能說明</b></p><p>　　傳感器性能說明如表3.1所示：</p><p>

64、　　表3.1 傳感器性能說明</p><p>　　溫濕度檢測模塊原理圖</p><p>　　溫濕度檢測模塊原理圖如圖3.6所示：</p><p>　　圖3.6 溫濕度檢測模塊原理圖</p><p><b>　　二、煙霧檢測模塊</b></p><p>　　本設(shè)計煙霧檢測采用的是MQ-2煙霧傳感器。

65、MQ-2氣體傳感器所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時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。MQ-2的主要特征如下：</p><

66、;p>　　工作溫度：-10℃～+50℃</p><p>　　報警濃度：0.65～15.5%FT</p><p>　　工作濕度：10～90%</p><p>　　工作電源：12VDC/9VDC</p><p>　　信號輸出：常開/常閉</p><p><b>　　安裝方式：吸頂</b><

67、/p><p><b>　　外殼：阻燃樹脂</b></p><p>　　產(chǎn)品尺寸：直徑105mm 厚度32mm</p><p>　　MQ-2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖3.7所示：</p><p>　　圖3.7 MQ-2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形圖</p><p>　　根據(jù)MQ-2的工作原理（其電導(dǎo)率隨著氣體濃度

68、的增大而增大，其電阻是電導(dǎo)率的倒數(shù)，所以隨著煙霧濃度的增大其電阻是減小的）并且參考圖MQ-2Datasheet上的測試電路，在根據(jù)圖3.7的電路圖，可以得到煙霧傳感器的輸出電壓如式3.1所示。</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　三、人體紅外探測模塊</p><p>　　本設(shè)計采用HC-SR501人體感應(yīng)模塊進行

69、人體探測，HC-SR501是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊，采用德國原裝進口的LHI778探頭設(shè)計，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備，尤其是干電池供電的自動控制產(chǎn)品。</p><p>　　HC-SR501人體感應(yīng)模塊的電氣參數(shù)如表3.2所示：</p><p><b>　　表3.2 電氣參數(shù)</b></p><p&g

70、t;　　HC-SR501人體感應(yīng)模塊的功能特點如下：</p><p>　　全自動感應(yīng)：人進入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平。</p><p>　　光敏控制（可選擇，出產(chǎn)是未設(shè)置）可設(shè)置光敏控制，白天或光線強時不感應(yīng)。</p><p>　　兩種觸發(fā)方式：一種是不可重復(fù)觸發(fā)方式，即感應(yīng)輸出高電平后，延時時間段一結(jié)束，輸出將自動從高

71、電平編程低電平；另一種是可重復(fù)觸發(fā)方式，即感應(yīng)輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍內(nèi)，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖絒12]。</p><p>　　具有感應(yīng)封鎖時間（默認(rèn)設(shè)置2.5S的封鎖時間）：感應(yīng)模塊在每一次感應(yīng)輸出后（高電平變成低電平），可以緊跟著設(shè)置一個封鎖時間段，在此時間段內(nèi)感應(yīng)器不接受任何感應(yīng)信號[13]。此功能可以實現(xiàn)“感應(yīng)輸出時間”和“封鎖時間”兩者的

72、間隔工作，可應(yīng)用于間隔探測產(chǎn)品，同時此功能可有效的抑制負(fù)載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。（此時間可設(shè)置在零點幾秒至幾十秒）[14]。</p><p>　　微功耗：靜態(tài)電流<50微安，特別適合干電池供電的自動控制產(chǎn)品。</p><p>　　輸出高電平信號：可方便與各類電路實現(xiàn)對接。</p><p>　　HC-SR501人體感應(yīng)模塊的電路如圖3.8所示：</p&

73、gt;<p>　　圖3.8 人體感應(yīng)模塊電路</p><p><b>　　四、光敏傳感器模塊</b></p><p>　　光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，它的敏感波長在可見波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長[15]。光傳感器不只局限于對光的探測，它還可以作為探測元件組成的其他傳感器，對許多非電量進行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信

74、號的變化即可。</p><p>　　光敏傳感器中最簡單的電子器件是光敏電阻，它能感應(yīng)光線的明暗變化，輸出微弱的電信號，通過簡單電子線路的放大處理，可以控制LED燈具的自動開關(guān)。因此自動控制、家用電器中得到廣泛的應(yīng)用[16]。</p><p>　　光敏傳感器模塊電路圖如圖3.9所示：</p><p>　　圖3.9 光敏傳感器模塊電路圖</p><p

75、><b>　　五、顯示模塊</b></p><p>　　本設(shè)計顯示模塊采用的是OLED，即有機發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode），又稱為有機激光顯示。OLED由于同時具備自發(fā)光，不需要光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲線面板、使用溫度范圍廣、構(gòu)造及制程比較簡單等優(yōu)點。被認(rèn)為是下一代的平面器新興應(yīng)用技術(shù)。</p>&l

76、t;p>　　LCD都需要背光，而OLED不需要，因為它是自發(fā)光的。這樣同樣的顯示，OLED效果要來得好一些。以目前的技術(shù)，OLED的尺寸還難以大型化，但是分辨率卻可以做到很高。在本次設(shè)計中，使用的是ALINETEK的OLED顯示模塊，該模塊有一下的特點：</p><p>　　模塊有單色和雙色兩種可選，單色為純藍(lán)色，雙色是黃藍(lán)兩色。</p><p>　　尺寸小，顯示尺寸為0.96寸，而

77、模塊的尺寸僅為27mm*26mm大小。</p><p>　　高分辨率，該模塊的分辨率為128*64。</p><p>　　多種接口方式，該模塊提供了總共5種接口包括：6800、8080兩種并行接口方式、3線或4線的串行SPI接口方式、IIC接口方式（只需要兩根線就可以控制OLED了）。</p><p>　　不需要高電壓，直接接3.3V就可以工作了。</p>

78、;<p>　　5種模式通過模塊的BSO~2設(shè)置，BSO~2的設(shè)置與模塊接口模式的關(guān)系如表3.3所示</p><p>　　表3.3 設(shè)置5種模式與模塊接口的關(guān)系</p><p>　　顯示模塊的原理圖如圖3.10所示：</p><p>　　圖3.10 顯示模塊原理圖</p><p>　　該模塊采用8*2的2.54排針與外部連接，總共

79、有16個管腳，在16條線中，我們只用了15條，有一個是懸空的。15條線中，電源和地線占了2條，還剩下13條信號線。在不同模式下，我們需要的信號線數(shù)量是不同的，在8080模式下，需要全部13條，而在IIC模式下，僅需要2條線就夠了！這其中有一條是共同的，那就是復(fù)位線RST（RES），RST上的低電平，將導(dǎo)致OLED復(fù)位，在每次初始化之前，都應(yīng)該復(fù)位一下OLED模塊。</p><p>　　模塊的8080并行接口的發(fā)明

80、者是INTEL，該總線也被廣泛應(yīng)用于各類液晶顯示器，ALIENTEK OLED模塊也提供了這種接口，使得MCU可以快速的訪問OLED。ALIENTEK OLED模塊的8080接口方式需要如下一些信號線：</p><p>　　CS：OLED片選信號。</p><p>　　WR：向OLED寫入數(shù)據(jù)。</p><p>　　RD：從OLED讀取數(shù)據(jù)。</p>

81、<p>　　D[7：0]：8位雙向數(shù)據(jù)線。</p><p>　　RST(RES)：硬復(fù)位OLED。</p><p>　　DC：命令/數(shù)據(jù)標(biāo)志（0，讀寫命令；1，讀寫數(shù)據(jù)）。</p><p><b>　　六、繼電器模塊</b></p><p>　　繼電器是具有隔離功能的自動開關(guān)元件，廣泛應(yīng)用于遙控、遙測、通訊、自

82、動控制、機電一體化及電力電子設(shè)備中，是最重要的控制元件之一[17]。繼電器一般都有能反映一定輸入變量（如電流、電壓、功率、阻抗、頻率、溫度、壓力、速度、光等）的感應(yīng)機構(gòu)（輸入部分）；在繼電器的輸入部分和輸出部分之間，還有對輸入量進行耦合隔離，功能處理和對輸出部分進行驅(qū)動的中間機構(gòu)（驅(qū)動部分）[17]。</p><p>　　由于家電電器工作電壓是220V，而單片機工作電壓是5V，因而監(jiān)控家電時需要引入繼電器。繼電器

83、是一種控制器件。它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動關(guān)系。通常應(yīng)用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。當(dāng)收到特定的短信要把家電打開時，MCU通過打開繼電器給插座上電，即可打開家電，當(dāng)需要關(guān)閉家電時，也是通過繼電器關(guān)閉家電。</p><p>　　CC2530是一個弱電器件,一般情況下它們大都工作

84、在電壓為5V甚至更低、驅(qū)動電流在mA級以下，而要把它的輸出用于一些大功率場合，比如控制步進電機，很顯然是不可行的。因此，就要設(shè)計一個環(huán)節(jié)來銜接，這個銜接環(huán)節(jié)就是“功率驅(qū)動”。一個典型簡單的功率驅(qū)動環(huán)節(jié)就是繼電器的驅(qū)動。此處，繼電器驅(qū)動含有兩層意思：一是通過GPIO口對繼電器本身進行驅(qū)動，因為繼電器對于CC2530來說是一個功率器件；另一個就是繼電器去驅(qū)動其它負(fù)載，比如繼電器可以驅(qū)動中間繼電器，也可以直接驅(qū)動接觸器，因此繼電器驅(qū)動就是CC

85、2530與其塔大功率負(fù)載的接口。CC2530的I/O口輸出電壓高電平為3.3V，直接接上繼電器后電平被拉低，無法控制繼電器的閉合。三極管具有良好的信號放大功能，信號經(jīng)過三極管的放大后，再接入繼電器，可以實現(xiàn)對繼電器的控制，最終實現(xiàn)對交流電路的控制[18]。</p><p>　　繼電器的原理圖如圖3.11所示：</p><p>　　圖3.11 繼電器原理圖</p><p&

86、gt;　　繼電器模塊的電路圖如圖3.12所示：</p><p>　　圖3.12 繼電器模塊電路圖</p><p><b>　　第四節(jié) 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章通過對基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居的分析，確定了系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計，然后針對其方案進行軟硬件選型。首先是確定以CC2530為主控芯片的開發(fā)板作為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，一個為協(xié)調(diào)器，主要負(fù)責(zé)

87、組建網(wǎng)絡(luò)；一個為終端節(jié)點，主要負(fù)責(zé)控制各個功能模塊進行功能實現(xiàn)，并向協(xié)調(diào)器發(fā)送信息。然后確定了該方案所涉及到的功能模塊（主要包括溫濕度檢測模塊、煙霧檢測模塊、人體感應(yīng)模塊、光電傳感模塊、顯示模塊和繼電器模塊），對各個功能模塊進行分析，最后確定各個功能模塊的設(shè)計。</p><p>　　第四章 課題的軟件描述</p><p><b>　　第一節(jié) 總體流程</b><

88、/p><p>　　現(xiàn)代家居理念倡導(dǎo)低碳環(huán)保，要求在低能耗的條件下完成家居生活的智能化革命。本系統(tǒng)的傳感器單元采集、傳輸數(shù)據(jù)設(shè)計為周期工作，系統(tǒng)各傳感元件狀態(tài)可分為工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)。整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分為三種類型：底層普通節(jié)點、簇中心節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。一般的傳感器節(jié)點和控制節(jié)點作為底層普通節(jié)點，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過簇中心節(jié)點進行收集轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)調(diào)，再經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器到達監(jiān)控中心服務(wù)器。設(shè)計總的流程圖如圖4.1所示：</p&

89、gt;<p>　　圖4.1 總體流程圖</p><p>　　第二節(jié) 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件設(shè)計</p><p>　　一、無線傳感器和控制節(jié)點軟件設(shè)計</p><p>　　無線傳感器和無線控制節(jié)點都是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層的普通節(jié)點，承擔(dān)了智能家居環(huán)境參數(shù)的采集和執(zhí)行器件的控制任務(wù)。作為底層普通節(jié)點的無線通信模塊，當(dāng)節(jié)點初始化后，它會依據(jù)ZigBee協(xié)議搜尋網(wǎng)絡(luò)

90、，并請求加入節(jié)點。請求得到確定后，節(jié)點會將自身的地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，并自動與協(xié)調(diào)器建立綁定。在接收到數(shù)據(jù)傳送請求之后，無線傳感器節(jié)點就會將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)值按時傳給協(xié)調(diào)器，無線控制節(jié)點則接收協(xié)調(diào)器的控制命令對執(zhí)行器件進行相應(yīng)的控制輸出[19]。該節(jié)點的軟件流程如圖4.2所示：</p><p>　　圖4.2 終端節(jié)點軟件流程圖</p><p>　　二、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計</p>

91、<p>　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收由簇網(wǎng)絡(luò)的簇中心節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)并及時傳送給鍵控中心服務(wù)器，同時接收監(jiān)控中心服務(wù)器的控制命令，通過簇節(jié)點發(fā)送給無線控制節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在完成初始化后，則新建無線網(wǎng)絡(luò)，如果新建網(wǎng)絡(luò)成功，允許網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)定為綁定[19]。此時，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器檢測是否有節(jié)點要求加入網(wǎng)絡(luò)，如果接受到節(jié)點的加入請求，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器會記錄下節(jié)點的地址，并建立綁定，同時向各節(jié)點發(fā)出傳送數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的軟件流程圖如圖4.3所示：<

92、;/p><p>　　圖4.3 協(xié)調(diào)器軟件流程圖</p><p>　　第三節(jié) 功能模塊的軟件設(shè)計</p><p><b>　　一、煙霧檢測模塊</b></p><p>　　MQ-2氣體傳感器可檢測多種可燃性氣體，當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃性氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化

93、轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出電壓信號[15]。根據(jù)傳感器輸出的電壓大小判斷環(huán)境中可燃性氣體濃度的大小。</p><p>　　MQ-2氣體傳感器輸出的是電壓信號，處理器要把相應(yīng)的電壓值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)值，CC2530自帶了A/D轉(zhuǎn)換的功能，A/D轉(zhuǎn)換芯片在嵌入式系統(tǒng)中對應(yīng)的設(shè)備文件中，首先系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)打開嵌入式設(shè)備中的A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備，打開設(shè)備失敗返回-1，以后的系統(tǒng)函數(shù)就可以對設(shè)備進行操作。</p>

94、<p>　　如圖3.7所示，MQ-2其他傳感器有6只針狀管引腳，其中4個用于信號輸出，2個用于提供加熱電流。設(shè)傳感器表面電阻是Rs，它是通過與其串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的有效電壓信號輸出獲得的，參考MQ-2datasheet 可得二者之間的關(guān)系如式4.1所示：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　根據(jù)式4.1以及MQ-2的工作原理

95、（其電導(dǎo)率隨著氣體濃度的增大而增大，其電阻式電導(dǎo)率的倒數(shù)，所以電阻是減小的，其特性相當(dāng)于一個滑動變阻器），可以得到式4.2。</p><p><b>　　（4.2）</b></p><p>　　Vc為回路電壓即電源電壓，其加在MQ-2傳感器的1腳、3腳之間，Vout是傳感器4腳、6腳輸出電壓，R3為傳感器的體電阻。若氣體濃度上升，必將導(dǎo)致R3下降。而R3的下降則會導(dǎo)致

96、MQ-2的4腳、6腳對地輸出的電壓增大，所以氣體濃度增大，其輸出電壓也會增大。</p><p>　　CC2530開發(fā)板的A/D轉(zhuǎn)換器會把輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成0-1023之間的數(shù)字，轉(zhuǎn)換成的數(shù)字越大，說明電壓越大即煙霧濃度越大。假設(shè)程序中經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字是C，在程序中可以設(shè)兩個值C1、C2，假設(shè)C1=400，C2 =800，若C>C1，系統(tǒng)把室內(nèi)的抽風(fēng)機打開，把有害氣體排出室外，若C>C2，系

97、統(tǒng)把蜂鳴器開起，進行報警。</p><p>　　此煙霧報警模塊的程序流程圖如圖4.4所示。</p><p>　　圖4.4 煙霧檢測模塊程序流程圖</p><p>　　二、紅外人體感應(yīng)模塊</p><p>　　紅外人體感應(yīng)模塊在智能家居系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，可以應(yīng)用在家門外，檢測是否有陌生人靠近房屋，也可以使用在保險柜處，檢測是否有人在保險柜附近活動

98、，還可以使用在窗戶邊，有效的防止小孩在窗戶邊玩耍時，不小心從窗戶掉到樓下去。本設(shè)計以預(yù)防小孩墜樓為例說明紅外人體感應(yīng)模塊的用處。</p><p>　　我們通過在窗戶附近安裝人體紅外傳感器，檢測到小孩靠近窗戶時將關(guān)閉窗戶，小孩離開窗戶后將把窗戶打開，最大限度保護小孩的安全。在模型中我們只用了一個人體紅外傳感器，還不能準(zhǔn)備判斷是大人還是小孩靠近窗戶，但在實際項目中可在不同高度安裝人體紅外傳感器通過高度準(zhǔn)確是大人還是小

99、孩靠近窗戶。</p><p>　　紅外傳感器正常工作時，人在進入傳感器的檢測范圍內(nèi)，輸出高電平。當(dāng)安裝在窗戶邊的傳感器檢測到有小孩時，系統(tǒng)決定將窗戶關(guān)閉。紅外人體感應(yīng)模塊的程序流程圖如圖4.5所示：</p><p>　　圖4.5 紅外人體感應(yīng)模塊程序流程圖</p><p><b>　　三、溫濕度檢測模塊</b></p><p

100、>　　溫濕度檢測模塊是對家居環(huán)境的溫度和濕度進行實時檢測，當(dāng)溫度過高或過低時可以通過空調(diào)控制室內(nèi)的溫度，使室內(nèi)溫度保持在一個適當(dāng)?shù)臏囟戎?；同樣，?dāng)室內(nèi)濕度過高或過低時，可以通過抽濕器或加濕器對室內(nèi)濕度進行調(diào)節(jié)。溫室度檢測模塊的程序流程圖如圖4.6所示：</p><p>　　圖4.6 溫濕度檢測模塊程序流程圖</p><p><b>　　第四節(jié) 本章小結(jié)</b>&

101、lt;/p><p>　　本章介紹系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的軟件實現(xiàn)過程，首先介紹系統(tǒng)總體框架設(shè)計，然后介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的程序?qū)崿F(xiàn)流程圖（包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點），最后介紹主要模塊的實現(xiàn)流程圖，這包括紅外人體感應(yīng)模塊、煙霧檢測模塊和溫濕度檢測模塊。</p><p><b>　　第五章 系統(tǒng)測試</b></p><p><b>　　第一

102、節(jié) 網(wǎng)絡(luò)測試</b></p><p>　　本文的無線網(wǎng)絡(luò)中包括兩個節(jié)點，一個協(xié)調(diào)器，一個終端設(shè)備。無線網(wǎng)絡(luò)是由協(xié)調(diào)器發(fā)起的，當(dāng)給協(xié)調(diào)器節(jié)點上電以后，LED3燈常亮組建網(wǎng)絡(luò)成功，如圖所示5.1所示：</p><p>　　圖5.1 協(xié)調(diào)器上電組網(wǎng)</p><p>　　協(xié)調(diào)器成功組建網(wǎng)絡(luò)以后，給終端節(jié)點上電，剛開始led1閃亮，當(dāng)成功加入網(wǎng)絡(luò)以后，led3常亮

103、，同時在顯示屏上顯示“EndDevice:A9e3 Parent:0”,如圖5.2所示，表示終端設(shè)備的地址為：A9E3，父節(jié)點（也就是協(xié)調(diào)器）地址為：0。</p><p>　　圖5.2 終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　當(dāng)協(xié)調(diào)器突然斷電，也就網(wǎng)絡(luò)消失，這時終端設(shè)備led1和led3都閃亮，一直掃描周圍環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)存在情況。顯示屏上顯示“Assoc cnf fail”，表示加入網(wǎng)絡(luò)失敗。

104、</p><p>　　第二節(jié) 煙霧檢測模塊測試</p><p>　　煙霧報警模塊在室內(nèi)空氣質(zhì)量良好時功能模塊上的led燈是處在關(guān)閉狀態(tài)的，當(dāng)煙霧濃霧偏高時，功能模塊中的led燈打開，同時系統(tǒng)把抽風(fēng)那機打開把室內(nèi)有害氣體排出室外；當(dāng)煙霧濃度過高時，功能模塊中的led燈打開，同時啟動蜂鳴器進行煙霧報警。</p><p>　　在進行系統(tǒng)測試時，用打火機給煙霧傳感器加煙霧，

105、測試煙霧傳感器檢測打火機有害氣體的情況進行測試，經(jīng)過測試，此功能模塊正常工作。</p><p>　　當(dāng)室內(nèi)空氣質(zhì)量良好時，功能模塊狀態(tài)如圖5.3所示：</p><p>　　圖5.3 空氣質(zhì)量良好模塊狀態(tài)(綠色led燈關(guān)閉)</p><p>　　當(dāng)室內(nèi)空氣中煙霧濃霧偏高時，功能模塊狀態(tài)如圖5.4所示：</p><p>　　圖5.4 煙霧濃度偏高

106、模塊狀態(tài)(綠色led燈亮起)</p><p>　　第三節(jié) ZigBee管理系統(tǒng)界面</p><p>　　ZigBee管理系統(tǒng)時一款對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行管理和監(jiān)控的軟件，針對不同的開發(fā)項目，可以設(shè)定不同的模型，本設(shè)計所用到的ZigBee管理系統(tǒng)涉及到的功能有：環(huán)境溫濕度的檢測以及溫度/濕度的趨勢曲線；煙霧檢測功能和燈控功能。ZigBee管理系統(tǒng)界面如圖5.5所示：</p>

107、<p>　　ZigBee管理系統(tǒng)就是一個上位機，能夠?qū)揖迎h(huán)境和家庭中的家電進行控制，這很方便我們對家居環(huán)境有一個很清晰的了解，更有利于我們對家中的家用電器進行遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)家居安防功能。</p><p>　　圖5.5是剛打開管理系統(tǒng)時的界面顯示，當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立起，各功能模塊都正常工作，在進行數(shù)據(jù)采集時，顯示的界面如圖5.6所示：</p><p>　　我們先打開管理系統(tǒng)，找

108、到串口，并打開，然后點擊“自動更新”按鈕，最后按下終端設(shè)備上的S1鍵，進行數(shù)據(jù)上傳，這時管理系統(tǒng)的界面上就會顯示功能模塊采集到的數(shù)據(jù)。另外，當(dāng)我們按下管理系統(tǒng)上“關(guān)閉所有燈”的按鈕時，就會對我們家居中的臺燈進行關(guān)閉。</p><p>　　圖5.5 ZigBee 管理系統(tǒng)界面</p><p>　　圖5.6 管理系統(tǒng)監(jiān)控界面</p><p><b>　　第四節(jié)

109、 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要是對系統(tǒng)實現(xiàn)功能進行測試，主要測試煙霧傳感器對空氣中煙霧濃度檢測和溫濕度傳感器對家居生活中溫度和濕度的檢測。另外就是測試ZigBee管理系統(tǒng)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中功能模塊的監(jiān)控。最終測試表明，各功能模塊和管理系統(tǒng)都能正常工作。</p><p><b>　　第六章 總結(jié)</b></p><p&

110、gt;　　本文題目叫“家居物聯(lián)網(wǎng)安全系統(tǒng)的研究”，主要研究智能家居安防系統(tǒng)，但是由于條件和能力方面的限制，只做了智能家居系統(tǒng)中涉及到的很少的一部分，雖然硬件做的很簡單，但是通過這次設(shè)計，我對智能家居有了很深入的了解。</p><p>　　在設(shè)計智能家居安防系統(tǒng)之前我們需對智能家居整個系統(tǒng)有很深入的了解。因為智能家居系統(tǒng)是一個龐大的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)是由很多子系統(tǒng)集成在一起，一起工作、統(tǒng)籌管理，最終才實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的

111、功能。其中涉及到的很多知識與我的專業(yè)知識相距甚遠(yuǎn)，如建筑、計算機、通信等，更加涉及到很多人文的內(nèi)容。所以在作品的實現(xiàn)及論文的撰寫過程中，都遇到了比較大的困難。這也從一個側(cè)面反映了智能家居安防系統(tǒng)在設(shè)計和部署過程中的難度，也就可以理解為什么智能家居系統(tǒng)沒有能被廣泛應(yīng)用。</p><p>　　本文的硬件設(shè)計涉及到很少的功能模塊，其中包括溫濕度檢測、煙霧檢測以及燈的控制；而且主要是實現(xiàn)環(huán)境安全，所以本文有很大的改進空間