引言
集成了傳感器技術、微機電制造系統（MEMS）技術、無線通信技術和分布式信息處理技術的無線傳感器網絡是因特網從虛擬世界到物理世界的延伸。本文之所以把無線傳感網絡這種先進的技術應用于智能家居安防領域，其一是伴隨著高科技產品在現代家庭中的應用，相應地也帶來了一系列不安全因素，如煤氣管道、熱水器以及其他許多大容量的家用電器的使用，都明顯地增加了發生火災的可能性以及煤氣中毒、爆炸的危險等，且社會上還有不法分子在活動，行兇、盜竊等違法犯罪活動時有發生，給社會帶來不安定因素，所以家庭安防系統的研究具有迫切意義；其二是廣闊的市場前景，因為安全是每一個家庭和工業領域必需的保障，所以該系統的應用范圍是相當廣泛的；其三是其典型性和可移植性，如果在智能家居安防中實現了，那么該技術可以移植到其他很多系統之中，比如說智能大樓，智能醫療系統，而只需做部分應用方面的修改。
1 基于 Zigbee 技術的無線傳感器網絡
Zigbee 網絡首先由連接無線網關的協調器(Coordinator)發動并建立，其他節點加入已經建立的網絡。每個節點加入網絡時，其父節點都會按約定規則給它分配一個網絡層地址供通信使用。功能比較強且供電充足的節點充當路由節點(Route Node，RN)為全功能設備（FullFunction Device，FFD），它能接收其他節點作為其子節點，同時根據自身狀況決定是否給其他節點查找路由和轉發數據；功能比較弱的節點為簡化功能節點(RFD) ，不能成為其他節點的父節點，通信時只能請父節點幫忙轉發數據[2]。有路由能力的路由節點(RN+)采用AODVjr 路由算法，而沒有路由能力的路由節點(RN-)和RFD 遵循Cluster-Tree 路由算法[3]。Zigbee 標準的協議棧如所示。
2 智能家居安防系統的設計方案
2.1 系統的總體設計方案
基于無線傳感器網絡的智能家居網絡主要是由若干無線傳感器節點、無線執行機構、家居無線控制中心組成[4]。其中, 節點分布于客廳、臥室、洗手間、廚房等需要監測的區域內,執行數據采集、處理和通信工作。無線執行機構負責啟動聲光報警、自動繼電器開關等控制功能。家居無線控制中心處理、轉發來自無線傳感器節點中的信息, 并且為互聯網的連接提供接口進行遠程控制。由于不同網絡結構會對網絡的速度、特點和實現有較大影響，因此結合智能家庭網絡系統的特點，如家庭內部無線網絡連接距離較短, 家用電器位置容易改變,家庭電器等的數也容易變化，房間之間仍有一段不小的距離，分布的節點并不是太多，并且數據的傳輸量也不是太大, 網絡中的信息傳送主要發生在WSN的基站和其他室內終端上的傳感器節點之間。基于家庭網絡的這些特點以及樹的特征和優勢,本文以WSN的基站節點（也稱為協調器Coordinator）為中心節點組建一個串狀樹形家庭網絡。
本文主要實現的功能包括智能門禁系統、智能門窗防盜、煤氣監測系統、火災監測系統、居室內的人體紅外檢測、遠程監控、數據庫系統。節點布置和網絡系統的總體設計方案如圖2所示，圖中的ZD代表的是Zigbee終端設備，可以是FFD也可以是RFD；ZR代表的是Zigbee路由器；ZC代表的是Zigbee協調器。
2.2 智能家居安防系統的各功能塊的描述
（1）智能門禁系統：
當人走到家居門口時，紅外熱釋電傳感器感應到人體接近，促使門禁Zigbee設備主動發射獲取人體身份命令信號。當人體攜帶著身份識別標簽（也是一種Zigbee 設備）時，標簽會發送加密身份信號給門禁Zigbee 設備，門禁系統經過分析判斷后決定是否開啟數字門鎖，用戶再也不用自己掏鑰匙開門了。如果是一個未知身份的人體，則門禁系統會搜索家居內是否有人，如果有人則通知家居內的用戶有客人到來，如果家居內沒人則會遠程通知智能家居安防用戶有客人在家門口，通過門禁系統的攝像頭采集客人的人臉圖像并通過Internet發送到用戶PC 上。當然遠程用戶也可以隨時給家庭網關協調器發送命令來采集家居門口人臉的圖像。當用戶確認了來人的身份以后可以遠程控制門禁系統開啟數字門鎖，讓客人進屋，以免讓客人在屋外等待。
（2）智能門窗防盜
所有的家居窗戶上都安裝有紅外幕簾傳感器，用來防止未知人員從窗戶侵入家居。該系統是人性化的運行方式，分為白天和黑夜兩種運行方式，這由協調器的實時時鐘來進行控制。白天時，當家居內有人體走進一個房間時，該房間的紅外幕簾即告失效，防止不必要的誤報警，而當人體一旦離開房間則該房間的紅外幕簾馬上開啟。而在夜晚的時候，用戶需要設定一個時間點，當到達設定的時間點的時候，紅外幕簾會強制開啟，并保持到天亮。
（3）煤氣泄漏監測
在廚房安裝多個煤氣檢測傳感器節點，可靠地報告廚房煤氣的含量是否超標，如果超標則立即報警和遠程報警通知，同時開啟所有的排氣扇，保證家居內人員的人身安全。
（4）火災預警系統
在所有的房間都安裝上了火災光電煙霧探測器，對即將發生的火災事件預警通知，合理布置火災探測器節點，防止盲點的出現，遏制火災事件的發生。
（5）居室內的人員定位
在居室內布置有紅外熱釋電傳感器節點，用以監測家居內是否有人、位于哪一個屋，如果是佩戴有身份標簽的人員則還可知其身份。這些都可以在遠程監控界面中觀察到。這還可以用來監督小孩子有沒有在學習，是不是在客廳看電視等等，也可以監測老人們是不是在家里面等等。
（6）遠程監控
以上所有的安全參數都可以在遠程客戶端軟件中觀察到，并可以實現部分電器和數字門鎖控制，全圖形化監視和控制界面，方便觀察和控制。
（7）數據庫系統
所有的控制命令、圖像采集數據、報警參數時間等數據都通過上位機軟件存儲于SQLServer2000數據庫中。
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。