畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于物聯(lián)網(wǎng)的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

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，降低監(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)目標(biāo)。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)。利用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)行融合處理，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)，降低系統(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)行了詳細(xì)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)，利用ZigBee2006協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信。經(jīng)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)能完成和ZigBee和Internet的交互，能正確采集多傳感器數(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)到了預(yù)期的目標(biāo)。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ABSTRACTWith the development of communications technology and the improvement ofpeoples living standards, security monitoring system is gradually known by us and hasbecome a hot research topic. As a subsystem of the security monitoring system, homefire monitoring system plays an important role in reducing family disasters, improvingthe quality of peoples Live. Traditional home fire monitoring system has many defects, such as inconvenientwiring, low monitoring accuracy of single-sensor and poor remote monitoring capacity. The networked fire control system on the system cost is not cheap, lowering the cost of monitoring and control system and power consumption, improve the system integration and accuracy of this topic design goal.To this end, this paper proposes a embedded home fire monitoring system based on Internet of things.Using ZigBee technology to build family monitoring network transmission link, relying on the Internet infrastructure network Internet, realize the family fire remote monitoring.Multiple sensors to monitor environmental state is designed, and the monitoring data fusion processing in the center of the intelligent gateway, to improve monitoring accuracy, get the final monitoring results;Routing on embedded chip RT3052 intelligent gateway, reduce the system cost and power consumption.In order to realize the system of wireless sensor network and intelligent gateway part carried on the detailed design of hardware and software.Designed for home fire monitoring smoke, gas, such as flame, temperature sensor circuit;Monitoring for the invasion of pyroelectric infrared sensor circuit is designed.With ZigBee CC2530 single chip as the core, to build domestic network communications platform, using ZigBee2006 protocol stack to achieve the wireless data communication. Under testing, the ZigBee wireless network can communicate properly，intelligentgateway can accomplish the data forwarding between ZigBee and the Internet. Besides, it can properly collect the multi-sensor data, monitor the fire and detect home fire in a high probability. In a word, the home security monitoring system achieves the desired objective.Keywords: fire monitoring.ZigBee, multi-sensor intelligent gateway, data fusion 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)的根本目的，是為了能夠在最早的時(shí)間探測(cè)到火災(zāi)的發(fā)生，從而響應(yīng)人員第一時(shí)間采取措施，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，就可能造成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，主要集中智能系統(tǒng)為主，巡檢速度低，穩(wěn)定性和可靠性差，不適用于規(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)要求，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。分析以上不足，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 還原 會(huì)的不斷的發(fā)展，社會(huì)財(cái)富日益增加，人們對(duì)家居生活質(zhì)量要求越來(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。火災(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)統(tǒng)計(jì)，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)平均損失有所增加，但約為3.2億元。從90年代開(kāi)始，尤其是1993年以后，火災(zāi)造成的財(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2000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)單到復(fù)雜的發(fā)展過(guò)程，其智能化程度也越來(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)。缺點(diǎn)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)還處于起步階段，我國(guó)在這些方面處于世界的前列，但是目前我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，技術(shù)還處于概念和實(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，處于起步階段，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)得到了不同程度的發(fā)展?；馂?zāi)預(yù)警系統(tǒng)利用無(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)看清楚哪些地方有可能誘發(fā)火災(zāi)，可以及時(shí)作出相應(yīng)的處理。家庭住所就是一個(gè)相互關(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)它很快就會(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)境的要求越來(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)性的要求不高，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)，便能夠?qū)彝ブ械母鞣N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，提醒采取措施。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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)：其次，由于本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、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)能夠及時(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)單的感溫探測(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)境的溫度參量判定是否有火災(zāi)發(fā)生，容易受到外界干擾，靈敏度低而且響應(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，一般采取“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，要求一個(gè)火災(zāi)探測(cè)器與報(bào)警器有至少兩條的導(dǎo)線相連，確保探測(cè)點(diǎn)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，但是存在布線復(fù)雜。調(diào)試難度大等缺點(diǎn)。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)單、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，伴隨著計(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)器處理火災(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交換信息，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)警和善后處理體系。我國(guó)對(duì)火災(zāi)監(jiān)控應(yīng)用起步較晚，隨著改革開(kāi)放的深入和經(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，因廠家原因得不到及時(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)的傳輸率要求較低，但對(duì)傳輸?shù)臏?zhǔn)確度要求較高，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)，利用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；利用嵌入式系統(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)的控制盒處理中心。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)行深入的分析，應(yīng)用ZigBee單芯片CC2530組建了家庭網(wǎng)絡(luò)，完成傳感器數(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)，利用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：第1章 ：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。第2章 ：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)。第3章 ：系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。詳細(xì)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)。第4章 ：系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。詳細(xì)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)。第5章 ：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。第6章 ：總結(jié)和展望?？偨Y(jié)了本文的主要工作，指出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分存在的不足和有待改進(jìn)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)主要包括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)主要功能有：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。為了增加視頻監(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)判定有火情發(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，通知用戶采取處理措施。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)化成與之相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，方便后端處理。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)處理系統(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)置的路由節(jié)點(diǎn)，完成多跳信息傳輸，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)2.2.1 ZigBee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)到250kbps,另外兩個(gè)頻段868/915MHZ傳輸速率分別是20kbps和40kbps.ZigBee技術(shù)主要針對(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要求。在某些ZigBee的應(yīng)用中，無(wú)線設(shè)備大部分時(shí)間處于休眠模式，因此，ZigBee設(shè)備在電池需要更換前能夠工作數(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)單的命令，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。2.2.2 ZigBee的發(fā)展歷程早在2001年，有包括Philips Semiconductor、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2003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。2004年底，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2005年6月份公布了“ZigBee specification V 1 0”,這第一份ZigBee規(guī)范也標(biāo)志著ZigBee技術(shù)的正式誕生，也正是因?yàn)樵撘?guī)范的面世，ZigBee技術(shù)逐漸被大家認(rèn)識(shí)，并得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用。到了2006年底，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2007年再次修訂，推出了ZigBee2007.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、現(xiàn)金抄表基礎(chǔ)也將其的應(yīng)用拓展到家庭自動(dòng)化、建筑自動(dòng)化、現(xiàn)金抄表基礎(chǔ)建設(shè)方面。2.2.3 ZigBee的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型 IEEE802.15.4定義了兩種設(shè)備類(lèi)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(lèi)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)中處于核心重要的地位，不論采取什么拓?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)分配網(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)提供路由路徑、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(lèi)節(jié)點(diǎn)一般是用電池供電，因此對(duì)功耗的要求較高，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。2.2.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?ZigBee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)單的一種網(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，必須經(jīng)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)單，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)?圖2.4 樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)及誒單通信的路徑較之樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)有了增加，路由及誒單之間可以直接通信，大大增加了通信效率，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，信息能?chē)L試通過(guò)其他路徑到達(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)?.2.5 ZigBee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)度和所需分配的內(nèi)存空間。單個(gè)網(wǎng)絡(luò)需要有一個(gè)PAN表示符，用來(lái)區(qū)分不同的網(wǎng)絡(luò)，將唯一的PAN標(biāo)識(shí)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?，然而網(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)存和處理能力。ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層為節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展地址額外分配一個(gè)短地址，每個(gè)擴(kuò)展地址和短地址是相互對(duì)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)傳輸創(chuàng)造了必要條件。 2.2.6 ZigBee 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)完成規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)，各層之間是相互透明的。ZigBee技術(shù)體系結(jié)構(gòu)主要有物理層、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 應(yīng)用支持層（APS） 安全服務(wù) ZigBee協(xié)議 網(wǎng)絡(luò)層 MAC層 物理層（PHY） IEE802.15.4 圖2.6 ZigBee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層的詳細(xì)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)層主要功能包括設(shè)備連接和斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)時(shí)采取機(jī)制，以及在傳輸過(guò)程中采用的安全機(jī)制。此外，還包括設(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，功能包括：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的功能包括: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)送和接收數(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(chē)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，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本。體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用激素啊你系統(tǒng)。目前嵌入式處理器，已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、通信工程、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等各類(lèi)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處理器：包廣泛使用的ARM處理器、MIPS處理器POWERPC處理器、DSP處理器。 在ARM處理器方面，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(chē)電子產(chǎn)品以及無(wú)線設(shè)備。ARM11功耗低，多媒體處理能力強(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)處理應(yīng)用；浮點(diǎn)處理和實(shí)時(shí)性能滿足汽車(chē)電子應(yīng)用需求。在MIPS處理器方面，指令集架構(gòu)經(jīng)歷了從最初的MIPS I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)處理器實(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)定性要求較高，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)行的基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)多年的發(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)器在日常生活中，我們常常利用瀏覽器訪問(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,返回處理結(jié)果，并以超文本標(biāo)記語(yǔ)言的形式在瀏覽器上呈現(xiàn)，用戶便完成了一次Web遠(yuǎn)程訪問(wèn)。與此類(lèi)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)器需要分配一個(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，如果該請(qǐng)求時(shí)靜態(tài)文件，守護(hù)程序?qū)⒆x取響應(yīng)的文件并翻譯給客戶端；當(dāng)客戶端請(qǐng)求CGI應(yīng)用程序，服務(wù)器端調(diào)用CGI完成響應(yīng)的執(zhí)行，返回HTTP應(yīng)答，完成訪問(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 Internet HTTP請(qǐng)求 HTTP請(qǐng)求 H HTTP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)?？蛻舳藶g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，將處理結(jié)果使用標(biāo)準(zhǔn)輸出STDOUT輸出，經(jīng)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，利用CGI技術(shù)使得瀏覽器和服務(wù)器之間能夠方便交互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 POST GET 啟動(dòng)CGI 圖2.8 CGI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)的功能包括：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，完成服務(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)用處理處理結(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。也就是主要的應(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)定時(shí)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)行空間有較強(qiáng)要求，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)源代碼可以為數(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)源代碼可以為數(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)行的數(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，采用單文件存放數(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Web瀏覽器Web服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù) HTTP HEML HEML SQL CGI接口 結(jié)果 圖2.9 Web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)。利用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前端界面接收用戶的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，CGI程序調(diào)用API函數(shù)操作數(shù)據(jù)庫(kù)文件，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)處理系統(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)外接信息的獲取；信號(hào)處理系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)可以分開(kāi)設(shè)計(jì)，從降低系統(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)中處于一個(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。常用的電源電路包括開(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)整范圍小等缺點(diǎn)，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(lèi)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處理器和溫濕度傳感器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，確保大多數(shù)情況下輸出的穩(wěn)定性，另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)生初期往往伴隨煙霧的產(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MQ2，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)MQ2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MQ2的基本工作電路，MQ2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，在保證傳感器性能要求的前提下，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)置恰當(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)置負(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)行采樣處理。 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)生和氣體中毒很大原因在于燃?xì)獾男孤?。正是基于這樣的考慮，在終端傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)置了監(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是含有已校準(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。另外，為了確保CC2530對(duì)DHT21有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，在DHT21 DATA引腳接有5.1K的上拉電阻，確保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3.1.6 ZigBee 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 完成了傳感器的選型和設(shè)計(jì)之后，在終端節(jié)點(diǎn)上，利用 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8051 CPU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。它還包括一個(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，因?yàn)樗ㄟ^(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-KB SRAM、閃存存儲(chǔ)器和XREG/SFR 寄存器。它負(fù)責(zé)執(zhí)行仲裁，并確定同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)物理存儲(chǔ)器之間的順序。8-KB SRAM映射到DATA存儲(chǔ)空間和部分XDATA存儲(chǔ)空間。8-KB SRAM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）也能保留其內(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。32/64/128/256 KB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)用程序保存必須保留的數(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，例如可以利用已經(jīng)保存的網(wǎng)絡(luò)具體數(shù)據(jù)，就不需要經(jīng)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，利用了四個(gè)離散元器件，為滿足差分信號(hào)相位正確，RF_N 和 RF_P 之間需要走一段二分之一波長(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，接收無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)接收瀏覽器遠(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。為了降低系統(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)完成硬件系統(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。基于嵌入式路由芯片的網(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)