基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能安防系統(tǒng)研究論文.pdf

山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 近幾年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和構(gòu)建和諧社會(huì)理念的提出，特別是重大工程 對(duì)安防行業(yè)的刺激和需求，安防行業(yè)面臨著前所未有的發(fā)展機(jī)遇。結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)技術(shù) 提高安全防范系統(tǒng)性能，成為當(dāng)前安防發(fā)展的一個(gè)重要課題。 在分析了無線傳感網(wǎng)絡(luò)在國(guó)內(nèi)外安防系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)安防系統(tǒng)存在 的問題，提出一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。與傳統(tǒng)安防系統(tǒng)相比， 具有免布線、費(fèi)用低、布置方便等優(yōu)點(diǎn)。在綜合考慮了當(dāng)前流行的無線通信技術(shù)后， 選擇具有數(shù)據(jù)吞吐量小、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點(diǎn)的z i g b e e 技術(shù)作為構(gòu)建智能安防 無線通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)?？梢灶A(yù)計(jì)，z i g b e e 技術(shù)將在家庭智能化、安防行業(yè)、工業(yè) 控制等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。 本文所提出的智能安防系統(tǒng)主要包括終端報(bào)警信息采集節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié) 點(diǎn)。終端傳感器節(jié)點(diǎn)集合超聲探測(cè)報(bào)警器和熱釋電紅外報(bào)警器，可以對(duì)同一地點(diǎn)進(jìn)行 多方位探測(cè)。通過改善發(fā)射驅(qū)動(dòng)電壓和采用回波集成分析電路，使超聲探測(cè)報(bào)警器更 加靈敏準(zhǔn)確；通過合理的電路設(shè)計(jì)使熱釋電探測(cè)報(bào)警器更加微型化，隱蔽性更好。終 端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。本論文的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)協(xié) 調(diào)器和兩個(gè)無線終端節(jié)點(diǎn)，它們共同構(gòu)成星狀網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器可以向無線終端節(jié)點(diǎn)查詢 是否有報(bào)警信息，無線終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)做出回應(yīng)。 本文實(shí)現(xiàn)無線z i g b e e 組網(wǎng)和報(bào)警信息的傳輸，并且可以通過超級(jí)終端進(jìn)行遠(yuǎn)程控 制，實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息界面顯示，具有良好的可擴(kuò)展性，克服了傳統(tǒng)安防系統(tǒng)的眾多不足。 網(wǎng)絡(luò) 關(guān)鍵訶：智能無線安防系統(tǒng)，z i g b e e ，m r f 2 4 j 4 0 m a ，報(bào)警探測(cè)器，無線傳感器 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 t h er e s e a r c ho fi n t e l l i g e n ts e c u r i t ys y s t e mb a s e do nw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k l ix i n( d e t e c 石o nt e c l l i l o l o g ) ，a n da u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e db yz h a i l gy l l n c h u a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya l l dt h ec o n c e p to f h a m o n i o u ss o c i e t y e s p e c i a l l ym es t i m u l a t i o na n dd e m a n do fm a j o re n 百n e e r i n gt os e c 嘶t y i n d u s t r y ，t h es e c 嘶t yi n d u s t 拶i sf a c i n gu n p r e c e d e n t e do p p o m l n i t i e sf o rd e v e l o p m e n t w i t h t h eh e l po f 硯l 玎e n ta d v a n c e dt e c h n o l o g y ，i m p r o v et h ep e r f o m a n c eo fs e c u r i t ys y s t e mh a s b e c o m ea i li n l p o r t a n tt o p i co fs e c u r i t yd e v e l o p m e n t w ba n a l ) ，z e dt h e 印p l i c a t i o ns i t u “o no ft h ew i r e l e s ss e i l s o rn e 鉚o r ki nd o m e s t i ca 1 1 d f o r e i 印w ep r o p o s e da ni n t e l l i g e n ts e c 耐t ys y s t e mb a s e do nw i r c l e s ss e l l s o rn e 似o r kd e s i 盟， t os 0 1 v em ed r a w b a c k so ft r a d i t i o n a ls e c 嘶t ys y s t 鋤s c o m p a r ew i t l lt m d i t i o n a ls y s t e m s ，t l l e n e w i n t e l l i g e n ts e c 嘶t ys y s t e i i lh a st h ea d v 鋤t a g eo f 能ew i r i n 1 0 wc o s t ，c o n v e n i e l l tl a y o u t ， e t c a r e rc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o nt l l ec u 盯e n tp o p u l a rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h l l o l o g y m i sp a p e rc h o o s ez i g b e et e c h n o l o g ) ，w h i c hh 鶴s l o ws p e e do f d a t at r a n s m i s s i o n ， l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，1 a r g en e t w o r kc a p a c i t y ，a st h ek e yt e c l l l l o l o g yt ob u i l di n t e l l i g e n t s e c u r i t yo fw i r c l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s w ec a ne x p e c t e dt h a tz i g b e et e c l l i l o l o g yw i l l b ew i d e l yu s e di n 矗l m i l yi n t e l l i g e n c ef i e l d ，t h es e c u r i t yi n d u s t r yf i l e d ，i n d u s t r i a lc o n t i 0 1f i e l d ， a n ds oo n t h i si n t e l l i g e n ts e c u r i t ys y s t e mi n c l u d e dt e r m i n a la l a 冊(cè)i n f o m l a t i o na c q u i s i t i o ns e n s o r n o d e sa n dw i r e l e s sn e t w o r kc o o r d i n a t o rn o d e s t e m i n a li n f o 冊(cè)a t i o na c q u i s i t i o ns e i l s o r n o d e sc o n t a i n e dt w oa l a mn o d e s ，u l t r a s o n i cd e t e c t i o na l a 腫n o d ea n dp y r o e l e c t r i ci n f a r e d d e t e c t o r sa l a 徹n o d e m u l t i - f i a c e t e dd e t e c t i o nc a nb eu s e dt om o n i t o rt h ef i x e dp l a c e b y i m p r o v i n gt h et r a n s m i t t e rd r i v e rv o l t a g ea 1 1 d t h ee c h oi n t e 黟a t i o na n a l y s i sc i r c u i t ，t h e u l t r a s o n i cd e t e c “o na l 鋤w a sm o r es e n s i t i v ea n da c c u r a t e w i t ht h eh e i po fr e a s o n a b l e c i r c u i td e s i g n ，t h ep y r o e l e c t r i cd e t e c t i o na l a 硼w a s m o r em i n i a t u r i z a t i o na n dh i d d e n b e t t e r t h et e m l i n a la l a 冊(cè)i n f o 腫a t i o nc a nb es e n dt ot h en e t w o r kc o o r d i n a t o rt h r o u 曲t h e 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 w i r e l e s sn e t w o r k i nt h i sp a p e r ，t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kc o n s i s t e dac o o r d i n a t e da i l dt w o w i r e l e s st e 冊(cè)i n a l sn o d e s ，w h i c ht o g e t h e rf o mas t a rn e t w o r k t h ec o o r d i n a t o rc a n1 i m 【t h e w i r e l e s st e n n i n a ln o d ea n di n q u i r e dw h e t h e rt h e r ew a st h ea l a r mi n f 0 冊(cè)a t i o n t h ew i r e l e s s t e n n i n a ln o d ew 嬲r e s p o n s i b l et or e s p o n d t h i sa n i c l es u c c e s s 缸lf i o r m e daz i g b e ew i r e l e s sn e 似o r ka n dr e a l i z e dm ea l 鋤 i n f o 肌a t i o n 仃a n s m i s s i o n w ec a nr e m o t e l yc o n t r o lb yv i ah y p 盯r e 硼i n a la 1 1 dd i s p l a y e dt h e a l a n ni n f 0 唧a t i o nb yh o s tc o m p u t e ri n t e r f a c e t h i sp r o 黟鋤h a dg o o ds c a l a b i l i t y 鋤d o v e r c 鋤em a n yw e a l ( n e s s e so ft h et r a d i t i o n a ls e c u r i t ys y s t e i l l k e yw b r d s ：i n t e l l i g e n tw i r e i e s ss e c u r i t ys y s t 鋤s ，z i g b e e ，m r f 2 4 j 4 0 m a ，a l 鋤 d e t e c t o r s ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 安防系統(tǒng)研究背景和意義 安全是一個(gè)國(guó)家長(zhǎng)治久安的重要保證，也是人們生活安居樂業(yè)的基礎(chǔ)。如果不能保 障安全，生產(chǎn)就不能保障，社會(huì)也就談不上發(fā)展，人們的幸福更成為無稽之談。在今 天這個(gè)現(xiàn)代化技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，犯罪手段更加高明，技術(shù)手段更加智能化、多元 化，如何運(yùn)用現(xiàn)代化的安全防范技術(shù)去發(fā)現(xiàn)這些高智商的罪犯，避免人身財(cái)產(chǎn)安全受 到威脅成為迫待解決的問題。安全防范系統(tǒng)是以維護(hù)社會(huì)公共安全為目的，運(yùn)用安防 產(chǎn)品和其他相關(guān)產(chǎn)品構(gòu)成的系統(tǒng)，或是以這些系統(tǒng)為子系統(tǒng)組成或集成的電子系統(tǒng)或 網(wǎng)絡(luò)【1 1 ，它融合了多種現(xiàn)代化的技術(shù)，如傳感器、電子通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)【2 卅。一般而 言，安全防范包括人防、物防和技防。具備相應(yīng)素質(zhì)的安防人員組織巡查，構(gòu)成第一 道防線，也是關(guān)鍵的防線，因?yàn)閺膱?bào)警的開始到結(jié)束，都需要安防人員的參與；物防 是指采用實(shí)體防范手段延遲犯罪行為，推遲風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生時(shí)問或避免風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生；技防 主要是指運(yùn)用到的技術(shù)手段，如采用傳感器探測(cè)，運(yùn)用電子設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)縮短反應(yīng)時(shí)間， 以達(dá)到及時(shí)處理突發(fā)事件、控制事態(tài)的目的。可以說，安全防范技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品是預(yù) 防和打擊犯罪以及預(yù)防災(zāi)害事故發(fā)生的銳利武器，是社會(huì)治安綜合治理的重要組成部 分更是構(gòu)建社會(huì)治安防控體系、維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定、全面建設(shè)小康社會(huì)的重要內(nèi)容，它將 使我們逐步告別一把鎖頭保平安的時(shí)代，現(xiàn)已受到社會(huì)廣泛的關(guān)注。 安全防范系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的今天有著不可替代的作用。首先它對(duì)犯罪分子有種 威懾作用，使其不敢輕易作案，對(duì)預(yù)防犯罪相當(dāng)有效；其次就是能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并記錄犯 罪分子的作案時(shí)間和地點(diǎn)，給破案提供了依據(jù)；最后是能降低安防人員的勞動(dòng)強(qiáng)度， 大大提高了巡邏效率，節(jié)省開支【5 】。 目前的技術(shù)防范系統(tǒng)主要存在以下問題【5 】： 首先是電源問題，現(xiàn)在大部分安防產(chǎn)品通常采用交流電源供電，這不但增加了消耗 成本和安裝空間，而且一旦電源被切斷，整個(gè)系統(tǒng)將喪失安防功能，這是制約安防系 統(tǒng)性能的一個(gè)重要瓶頸。 其次是布線問題，目前安防市場(chǎng)中眾多產(chǎn)品大多是有線型產(chǎn)品，該種傳輸方式有較 大的信息傳輸能力和傳輸速度較快的特點(diǎn)，但外部環(huán)境對(duì)它們限制很大，布線復(fù)雜且 不靈活，容易出現(xiàn)死角。特別是很多舊建筑物改造需要安裝安防系統(tǒng)時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)增 加安防主機(jī)與探頭，可能會(huì)對(duì)原有布局造成不利影響，甚至破壞原有布局，尤其給野 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 外、煤礦、火車站等地的安裝布置帶來一定的困難。 最后是準(zhǔn)確度問題，傳統(tǒng)的安防報(bào)警系統(tǒng)通常只有一個(gè)探測(cè)器，會(huì)因?yàn)槟承┮馔獾?情況或受環(huán)境因素的影響而觸發(fā)，從而造成準(zhǔn)確度較低。 如何解決這些存在的問題，提高安防報(bào)警準(zhǔn)確率，使安防報(bào)警系統(tǒng)更加智能化，成 為迫待解決的問題【7 1 。目前，安防系統(tǒng)的智能化存在這樣一種理解：實(shí)現(xiàn)真實(shí)的探測(cè)， 完成圖像信息或其他各種特征( 各種定義的特征、不同的載體、生物特征) 的自動(dòng)識(shí) 別，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)和相關(guān)系統(tǒng)之間準(zhǔn)確、有效的互動(dòng)。在這種需求背景下，無線 傳感網(wǎng)絡(luò)逐漸成為解決這些問題的一種技術(shù)手段。無線傳感網(wǎng)絡(luò)( w i r d e s ss e n s o r n 咖o r k ，w s n ) 為探測(cè)報(bào)警節(jié)點(diǎn)之間自主性的數(shù)據(jù)融合和在不可靠的環(huán)境下協(xié)同完成 任務(wù)創(chuàng)造了必要的條件【引。運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸途徑的新一代智能安防報(bào) 警探測(cè)系統(tǒng)具有低功耗、無需布線、可采用多個(gè)探測(cè)元、多技術(shù)復(fù)合探測(cè)以及智能化 數(shù)據(jù)分析等優(yōu)勢(shì)。 1 2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)在國(guó)內(nèi)外安防系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀 1 2 1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)在國(guó)外安防行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀 西方發(fā)達(dá)國(guó)家的安防行業(yè)發(fā)展比較早，從2 0 世紀(jì)中期為第一座智能建筑改造開始， 到九十年代大量智能化建筑的設(shè)計(jì)和建造，安防系統(tǒng)始終伴隨著智能建筑的崛起而快 速發(fā)展【9 ，1 0 1 。 北美的安防行業(yè)一直處于領(lǐng)先地位。目前，美國(guó)一些大的安防公司以聯(lián)網(wǎng)報(bào)警作為 統(tǒng)領(lǐng)行業(yè)的主線，發(fā)展大量入網(wǎng)客戶，實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)。大到政府、企業(yè)辦公寫字樓， 小到別墅、公寓、倉(cāng)庫(kù)，甚至街頭小店，幾乎都與當(dāng)?shù)鼐只虬卜拦韭?lián)網(wǎng)，一旦發(fā) 生危情，警局或安防公司會(huì)第一時(shí)l 日j 知道并做出相應(yīng)行動(dòng)，真正做到了安防規(guī)?；?、 一體化【9 1 。其中，許多報(bào)警信息的傳輸都是利用無線網(wǎng)絡(luò)，所以無線傳感網(wǎng)絡(luò)在安防 領(lǐng)域正發(fā)揮著重要的作用。 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究從上世紀(jì)9 0 代開始，發(fā)展到今天，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了廣 泛的關(guān)注。西方發(fā)達(dá)國(guó)家普遍認(rèn)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門具有革命性的技術(shù)，各機(jī)構(gòu) 組織對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用研究高度重視，大大促進(jìn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 發(fā)展，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在許多應(yīng)用領(lǐng)域都丌始發(fā)揮著其獨(dú)特的作用【l 】。以美國(guó)為例， 其國(guó)家多個(gè)基會(huì)、高校和軍事部門都投入來大量人力、物力來開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)的研發(fā)，并且一直處于領(lǐng)先地位【2 1 。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最初是應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，能及 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)行偵查和部署等，除此之外，傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還廣泛應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)、醫(yī) 療健康和空問探索等方面【1 3 1 4 】。近幾年，隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和不斷推廣，該 技術(shù)普遍的就像灰塵一樣散布在人類周圍，去感知物理世界的變化，并根據(jù)人的反應(yīng) 做出改變。如用于家庭安防領(lǐng)域，在室內(nèi)或家電中嵌入傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線網(wǎng)絡(luò)與 i m e n l e t 或手機(jī)連接在一起，當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)可以及時(shí)的通知小區(qū)物業(yè)和戶主，保障戶主 財(cái)產(chǎn)安全。 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了安防行業(yè)的無線化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展【9 ，1 5 1 。在 一些危險(xiǎn)的工作環(huán)境，如煤礦、石油鉆井、核電站等，都可以利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而保證員工的生命安全和現(xiàn)場(chǎng)施工安全。美國(guó)所有著名院 校都有研究小組在從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的研究。無線傳感器在博物館、展覽 廳等場(chǎng)所應(yīng)用更加廣泛。許多藝術(shù)館等文物場(chǎng)所都利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了報(bào)警或 警告系統(tǒng)，通過各種物理信號(hào)，如光照、振動(dòng)等，來判定文物是否被移動(dòng)，從而保證 文物安全。2 0 0 5 年，美國(guó)研制出由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的槍聲定位系統(tǒng)。把傳感器安 放在建筑物四周，并自動(dòng)組建網(wǎng)絡(luò)，如果發(fā)生槍擊或爆炸，可及時(shí)做出反應(yīng)。經(jīng)鑒定 其精度可達(dá)l m ，反應(yīng)時(shí)間短于3 s ，為救護(hù)和反恐提供了有力的輔助手段，推動(dòng)了安防 技術(shù)的發(fā)展。2 0 0 5 年，印度洋發(fā)生了百年不遇的特大海嘯，給沿岸居民造成了巨大的 生命財(cái)產(chǎn)損失。隨后，多國(guó)政府人員在印尼磋商會(huì)談，討論該建立一個(gè)怎樣的環(huán)印度 洋報(bào)警系統(tǒng)，最終還是決定采用傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建預(yù)報(bào)警系統(tǒng)【l6 1 。最近美國(guó)的馬薩諸塞 州的劍橋城將在4 年內(nèi)成為全球第一個(gè)c i t y s e n s o r 。在全城范圍內(nèi)布置傳感器，構(gòu)建一 個(gè)覆蓋全城的傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于檢測(cè)全城溫度、空氣質(zhì)量、噪聲污染、大氣壓、降水 量以及安全監(jiān)測(cè)等等，應(yīng)用十分廣泛。 1 2 2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)在國(guó)內(nèi)安防行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀 與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)安防技術(shù)還處在快速發(fā)展的階段?！鞍踩夹g(shù)防范”作為一個(gè)專 業(yè)領(lǐng)域，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)經(jīng)歷了二三十年的發(fā)展歷程。它的發(fā)展歷程可以分為三個(gè)階段【l 7 j ： ( 1 ) 2 0 世紀(jì)7 0 年代末到8 0 年代中期為起步階段。安全行范業(yè)的研究和應(yīng)用范圍十分 有限，主要應(yīng)用在機(jī)密和國(guó)家級(jí)別非常重要的部門。那個(gè)年代修建的故宮博物院和天 安門監(jiān)控等項(xiàng)目都應(yīng)用了安防技術(shù)，但受當(dāng)時(shí)條件限制，安防性能不高。近期發(fā)生的 故宮失竊案給這些傳統(tǒng)建筑的安防工作敲響了警鐘。( 2 ) 8 0 年代中期到9 0 年代中期， 安防行業(yè)處于初步發(fā)展階段。應(yīng)用范圍也擴(kuò)大到社會(huì)各個(gè)重要單位和部門，包括地方 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 銀行、博物館、藝術(shù)館、軍區(qū)及資源性企業(yè)等，但始終都沒有擺脫政府的影子，都是 國(guó)家要害部門，而平常百姓依舊靠簡(jiǎn)單的門窗等物防手段。( 3 ) 9 0 年代中期到現(xiàn)在， 安防行業(yè)處于高速發(fā)展階段，特別是伴隨著智能建筑的提出和發(fā)展，安防行業(yè)在不斷 探索前進(jìn)的方向?，F(xiàn)在安防技術(shù)在日常生活中隨處可見，大到住宅小區(qū)，小到商家店 鋪，社會(huì)的方方面面或多或少用都安裝了安防系統(tǒng)。最新的安防技術(shù)規(guī)范，高科技的 安防產(chǎn)品，以及更加完善的安防方案都預(yù)示著安防行業(yè)正在向成熟期邁進(jìn)【1 8 之們。但我 們也必須清醒的認(rèn)識(shí)到，我們距離真正的成熟期還是有很大一段距離的，特別是運(yùn)用 無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建新型智能安防系統(tǒng)的技術(shù)還不成熟。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在中國(guó)發(fā)展較晚。2 0 0 4 年，中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)才 將其一個(gè)項(xiàng)目列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。2 0 0 5 年，才將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù) 列入計(jì)劃。到目前為止，該技術(shù)的應(yīng)用范圍還不夠廣泛，特別是在大型工程項(xiàng)目或防 范大型災(zāi)害方面還有所欠缺。我國(guó)西北地區(qū)天然氣儲(chǔ)量豐富，在向東部地區(qū)輸送過程 中有很大一片區(qū)域是無人監(jiān)管的，如果能運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)排 除險(xiǎn)情，可以節(jié)省很多資劊1 6 】。前幾年發(fā)生的呼和浩特越獄事件也為監(jiān)獄安防系統(tǒng)敲 晌了警鐘。固然，安防人員的疏忽是這起事件的一個(gè)原因，但落后的監(jiān)控也是該起事 件的一個(gè)推手。該監(jiān)獄的監(jiān)控、門禁等系統(tǒng)是基于有線通信，犯罪分子摸清了監(jiān)控規(guī) 律，尋找到了安防監(jiān)測(cè)的盲區(qū)。如果配備無線監(jiān)控，可以在地形復(fù)雜的區(qū)域安置監(jiān)控， 做到安防無死角，實(shí)現(xiàn)人防、物防和技防三防一體，預(yù)防該類事件的發(fā)生。慶幸的是 近幾年隨著我囤經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和構(gòu)建和諧社會(huì)理念的提出，安防行業(yè)更是面臨著前 所未有的發(fā)展機(jī)遇【2 。特別是重大工程對(duì)安防行業(yè)的刺激和需求，大大推動(dòng)了安防行 業(yè)的發(fā)展。北京奧運(yùn)會(huì)、上海世博會(huì)、廣州全運(yùn)會(huì)，以及政府推出的國(guó)家級(jí)項(xiàng)目的實(shí) 施，都對(duì)安防技術(shù)提出了更高的要求，而大量智能化建筑的涌現(xiàn)和人們的自我保護(hù)意 識(shí)不斷增強(qiáng)，也同樣對(duì)安防系統(tǒng)提出了更高的要求【2 2 1 。因此，研究新型的基于無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)的智能安防系統(tǒng)就顯得迫切和必要。 1 3 論文的研究?jī)?nèi)容 針對(duì)目前安防產(chǎn)品存在的問題，在對(duì)安防系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀做出深入細(xì)致調(diào)研的基 礎(chǔ)上，緊緊把握其方向，綜合考慮成本、性能和市場(chǎng)等多方面因素，決定采用近幾年 逐漸興起的短距離、低功耗、低速率、低成本的z i g b e e 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)智能安防 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組建工作。本文主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面： 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 了解當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的無線技術(shù)，在對(duì)其分析的基礎(chǔ)上選擇z i g b e e 作為智能 無線安防系統(tǒng)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)z i g b e e 作詳細(xì)分析，包括z i g b e e 的技術(shù)概述、z i g b e e 的設(shè)備組成、z i g b e e 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、z i g b e e 協(xié)議及各層之間的接口的功能等，為 下一步構(gòu)建基于z i g b e e 的無線網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)； 2 比較了當(dāng)前眾多環(huán)境探測(cè)器，選擇超聲報(bào)警探測(cè)器和熱釋電紅外報(bào)警探測(cè)器作 為智能無線安防系統(tǒng)的環(huán)境探測(cè)器，并對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，包括原理圖設(shè)計(jì)、p c b 布 線、元件焊接和調(diào)試，提高它們精準(zhǔn)度和隱蔽性，實(shí)現(xiàn)多元探測(cè)和多探測(cè)技術(shù)混合使 用，提高探測(cè)報(bào)警的準(zhǔn)確度； 3 充分了解m i c r o c h i p 公司出產(chǎn)的無線開發(fā)演示版，運(yùn)用其m r f 2 4 j 4 0 m a 無線模 塊構(gòu)建z i g b e e 星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組網(wǎng)和查詢報(bào)警信息，終端節(jié)點(diǎn)則負(fù)責(zé) 把報(bào)警探測(cè)器探測(cè)到底報(bào)警信息及時(shí)反饋到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過r s 2 3 2 把報(bào)警信息上 傳給p c 機(jī)，并通過界面顯示。 1 4 論文的結(jié)構(gòu)安排 第一章：緒論。介紹了課題的研究背景及意義，在分析當(dāng)前安防系統(tǒng)技術(shù)存在的不 足情況下，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出了基于無線網(wǎng)絡(luò)的智能安防系統(tǒng)方案； 第二章：智能無線安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。介紹智能無線安防系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)，并選擇 z i g b e e 技術(shù)作為構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，在分析了目前z i g b e e 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上選 擇星狀網(wǎng)絡(luò)作為本文構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。了解到目前市場(chǎng)上流行的報(bào)警探測(cè)器 都是基于對(duì)狀態(tài)或物理參數(shù)的檢測(cè)，存在許多影響探測(cè)準(zhǔn)確度的因素，所以在了解了 各種探測(cè)器工作原理和使用范圍基礎(chǔ)上，選擇應(yīng)用最廣泛的、設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單的超聲和 熱釋電紅外探測(cè)器作為本文智能無線安防系統(tǒng)的終端環(huán)境探測(cè)報(bào)警器； 第三章：終端傳感器模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)介紹超聲報(bào)警探測(cè)器和熱釋電紅外報(bào) 警探測(cè)器的工作原理，并對(duì)其性能進(jìn)行了改善，給出了原理圖、p c b 布線和做出的實(shí) 物圖等： 第四章：z i g b e e 無線通信模塊設(shè)計(jì)與組網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，介紹了z i g b e e 技術(shù)相關(guān)概念和 協(xié)議結(jié)構(gòu)，并對(duì)無線m r f 2 4 j 4 0 m a 模塊硬件組成和設(shè)計(jì)做了較為詳細(xì)的說明，最后介 紹了z i g b e e 網(wǎng)絡(luò)初始化、組網(wǎng)和入網(wǎng)以及發(fā)送和接受信息的過程； 第五章：系統(tǒng)測(cè)試。首先查看是否成功組網(wǎng)，能為后續(xù)報(bào)警信息的傳送搭建平臺(tái)， 然后又分別在有障礙和尤障礙情況下對(duì)z i g b e e 通信距離進(jìn)行測(cè)試，在確保信號(hào)強(qiáng)度無 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 誤的情況下進(jìn)行了報(bào)警信息通信測(cè)試，上傳到報(bào)警信息也可通過上位機(jī)界面顯示； 第六章：總結(jié)。該章對(duì)本文所作的工作進(jìn)行總結(jié)，包括取得的成果和創(chuàng)新點(diǎn)，同時(shí) 也對(duì)不足的地方進(jìn)行說明，闡述未來發(fā)展方向。 1 5 本章小結(jié) 本章首先介紹了智能安防系統(tǒng)在當(dāng)今社會(huì)發(fā)展中的背景和意義，同時(shí)指明傳統(tǒng)安防 系統(tǒng)存在的問題，表明智能安防系統(tǒng)發(fā)展迫切，接著又介紹了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智 能安防系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，同時(shí)也給出了研究?jī)?nèi)容和文章安排。 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章智能無線安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2 1 智能無線安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)要素 2 1 1 構(gòu)建智能無線安防系統(tǒng)主要考慮因素 在傳統(tǒng)安防系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，主要存在三個(gè)問題：電源、布線和誤報(bào)。本文欲構(gòu) 建的智能無線安防系統(tǒng)不包含視頻圖像傳輸，數(shù)據(jù)傳輸量不會(huì)很大，所以不需要高速 率的有線傳輸方式，低速率、低功耗、便利性成為主要考慮因素，無線通信網(wǎng)絡(luò)自然 而然成為首選。無線通信網(wǎng)絡(luò)的選擇一般要考慮一下三個(gè)方面：一是能否滿足功能需 要，在數(shù)據(jù)傳輸速率等方面符合設(shè)計(jì)要求；二是能否滿足組網(wǎng)性能要求，可靠性是否 符合要求；三是具有易編程和可擴(kuò)展性，應(yīng)是一個(gè)簡(jiǎn)單而開放的平臺(tái)，能為以后系統(tǒng) 物理探測(cè)范圍的擴(kuò)大和探測(cè)功能的增加做好準(zhǔn)備。 選擇使用無線通信方式構(gòu)建安防系統(tǒng)可以有效避免布線帶來的眾多問題，同時(shí)因?yàn)?無線通信所消耗的能量通常較低，可以使用電池替代傳統(tǒng)交流電，這就為在地形復(fù)雜 區(qū)域安置安防系統(tǒng)提供很大便利，而多種探測(cè)方式又可以解決傳統(tǒng)單一探測(cè)元誤報(bào)率 高等問題。 2 1 2z i g b e e 技術(shù)在構(gòu)建智能無線安防系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì) 目前比較流行的無線通信技術(shù)主要有z i g b e e 技術(shù)、w i f i 技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)和 g p r s g s m 技術(shù)。幾種無線技術(shù)的比較如表2 1 所示。 表2 1 幾種無線技術(shù)的比較 名稱 z i g b e e w i f ib l u e t o o t hg p r s g s m3 g 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)i e e e 8 0 2 15 4i e e e 8 0 2 1l bi e e e 8 0 2 i 51x r r r c d m ac d m a 2 0 0 0 w c d m a t d s w d m a w i m a x 傳輸速率 2 0 - 2 5 0】1 0 0 01 0 0 05 6 1 1 5】4 4 2 8 0 0 ( k b p s ) 連接設(shè)備數(shù)6 5 5 3 63 28l 1 功耗( m w ) 1 31 0 01 1 0 01 0 - 1 0 0 0l o 一1 2 0 0 覆蓋范圍( m )1 1 0 01 1 0 0l - 1 03 0 0 2 0 0 0 03 0 0 2 0 0 0 0 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 從上表可以看出，盡管z i g b e e 無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率較低、通信范圍較小，但是 它能降低成本、維持低功耗、運(yùn)行復(fù)雜度低，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的安全發(fā)送和接受，所以 現(xiàn)在z i g b e e 的應(yīng)用范圍也越來越廣泛【2 3 】。z i g b e e 技術(shù)的具體特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面 2 4 - 2 6 】： ( 1 ) 低功耗：終端傳感器節(jié)點(diǎn)往往是由電池供電，由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量多或不方便經(jīng)常 更換電源，所以就需要傳感器節(jié)點(diǎn)生命和網(wǎng)絡(luò)壽命盡可能長(zhǎng)久一些。z i g b e e 技術(shù)具有 多種節(jié)電的工作模式，采用休眠模式可以確保兩節(jié)五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)6 個(gè)月到2 年左 右的使用時(shí)間； ( 2 ) 低速率：z i g b e e 有三個(gè)不同的工作頻段，2 4 g h z 、8 6 8 m h z 和9 1 5 m h z ，最 高的數(shù)據(jù)傳輸速率分別是2 5 0 l ( b p s 、2 0 肥p s 和4 0 1 ( b p s ； ( 3 ) 低成本：z i g b e e 協(xié)議簡(jiǎn)單并且免收專利費(fèi)，降低了對(duì)通信控制器的要求，研 究和開發(fā)設(shè)備復(fù)雜程度低，費(fèi)用也降低了很多； ( 4 ) 網(wǎng)絡(luò)容量大：1 個(gè)z i g b e e 網(wǎng)絡(luò)最多可支持2 5 4 個(gè)從設(shè)備和1 個(gè)主控制設(shè)備， 每個(gè)區(qū)域又可以同時(shí)存在多個(gè)z i g b e e 網(wǎng)絡(luò)。通過協(xié)調(diào)器的調(diào)整，可以把該區(qū)域內(nèi)的 z i g b e e 節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)大的z i g b e e 網(wǎng)絡(luò)； ( 5 ) 探測(cè)距離近：有效覆蓋范圍大約在1 0 7 5 m 之間，但可以通過調(diào)整發(fā)射功率 和配置不同應(yīng)用模式進(jìn)行擴(kuò)展，是覆蓋范圍擴(kuò)展到數(shù)百米，甚至上千米； ( 6 ) 網(wǎng)絡(luò)的自組織強(qiáng)：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性決定了z i g b e e 技術(shù)必須具備自組 織功能，在無人工干預(yù)下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，能 夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過拓?fù)錂C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。 ( 7 ) 安全：z i g b e e 網(wǎng)絡(luò)提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，并在數(shù)掘傳輸中采用 了高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)( a e s 1 2 8 ) 的對(duì)稱密碼，各種應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性，使網(wǎng)絡(luò) 安全能夠得到有效的保障。 2 2 智能無線安防系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 2 2 1 智能無線安防系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu) 本文設(shè)計(jì)的智能無線安防系統(tǒng)可以將分散不同地方的安防探測(cè)器通過z i g b e e 無線 技術(shù)連接在一起，共同構(gòu)成一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)。該智能無線安防網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)z i g b e e 協(xié)調(diào) 器和若干個(gè)z i g b e e 終端節(jié)點(diǎn)，z i g b e e 協(xié)調(diào)器設(shè)備類型是f f d ( f u l l - f u n c t i o nd e v i c e ， 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 f f d ) ，終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備類型是r f d ( r e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) ，它們共同構(gòu)建一 個(gè)星型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)通信功能。組網(wǎng)成功后，協(xié)調(diào)器定期向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出 查詢命令，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)則責(zé)對(duì)設(shè)防區(qū)域進(jìn)行多種方式探測(cè)，并把探測(cè)結(jié)果通過無線模 塊發(fā)回到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會(huì)把反饋回來的報(bào)警信息及時(shí)上傳到計(jì)算機(jī)上并通 過界面顯示。整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如2 1 圖所示。 z i g b e e 終端節(jié)點(diǎn) 無 線 傳 終端節(jié)點(diǎn) 圖2 1 智能安防網(wǎng)絡(luò)整體框架 本文無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇較為簡(jiǎn)單的星狀網(wǎng)絡(luò)，該類型網(wǎng)絡(luò)通信范圍有限，通常 情況下在3 0 m 以內(nèi)，但設(shè)計(jì)最為方便，并且易管理、功耗最低2 7 1 ，并且可以為以后設(shè) 計(jì)更為復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。 t 2 2 2z i g b e e 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) z i g b e e 協(xié)議中定義了三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星狀網(wǎng)絡(luò)、簇樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)【2 8 】，如圖 2 2 所示。 i - t 氣 i 星狀網(wǎng)絡(luò) 樹狀網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) z i g b 協(xié)調(diào)器 o 令功能設(shè)備 o 精簡(jiǎn)功能設(shè)備 圖2 2z i g b e e 協(xié)議中三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 1 ) 星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 星狀網(wǎng)絡(luò)是這三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個(gè)協(xié)調(diào)器和一個(gè)或多個(gè) 從設(shè)備組成，協(xié)調(diào)器必須是一個(gè)全功能設(shè)備，從設(shè)備既可為全功能設(shè)備也可以為精簡(jiǎn) 功能設(shè)備。所有從設(shè)備只能與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，從設(shè)備之間是不能直接進(jìn)行通信的， 只能通過協(xié)調(diào)器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)信息【2 7 】。星狀網(wǎng)絡(luò)屬于單跳( s i n 班e h o p ) 系統(tǒng)，通常在家庭自 動(dòng)化，p c 外圍設(shè)備，玩具，游戲等方面得到應(yīng)用。 ( 2 ) 簇樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)【2 9 3 0 】 簇樹狀網(wǎng)絡(luò)可以看作是多個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)的集合，終端設(shè)備可以與z i g b e e 協(xié)調(diào)器連接， 也可以和z i g b e e 路由器連接。路由器提供兩個(gè)功能：一個(gè)是增加網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量， 另一個(gè)是擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)探測(cè)物理范圍。有了路由器，終端設(shè)備不必處在協(xié)調(diào)器的射頻范圍 內(nèi)，所有信息都會(huì)沿著樹型的路徑傳送，協(xié)調(diào)器更多的是起到組網(wǎng)功能，不再作為數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心，當(dāng)然協(xié)調(diào)器依舊需要很高的配置。簇樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬于多跳系統(tǒng)，傳輸 距離比星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)遠(yuǎn)，但功耗也大一些。一般而言，簇樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由選擇沒 有網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)豐富。 ( 3 ) 網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也屬于多跳系統(tǒng)，是更為復(fù)雜的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與簇樹型結(jié)構(gòu)基本相 似，但網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的f f d 設(shè)備可以直接把信息發(fā)送到其他f f d 設(shè)備，無需沿著樹狀結(jié)構(gòu) 傳輸，所以網(wǎng)絡(luò)延時(shí)更短，而且更加穩(wěn)定可靠。但也正是因?yàn)椴欢ㄆ诎l(fā)送信標(biāo)，使得 節(jié)點(diǎn)間信息發(fā)送更加不確定，維護(hù)比較困難【3 。 因?yàn)樵跇錉詈途W(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)包可以通過多個(gè)設(shè)備傳輸，所以這兩種拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)也被稱之為多路程短網(wǎng)絡(luò)，而星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)單路程段網(wǎng)絡(luò)。z i g b e e 協(xié)議網(wǎng)絡(luò) 是一個(gè)多點(diǎn)訪問網(wǎng)絡(luò)，即網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)對(duì)通信介質(zhì)都平等的訪問權(quán)限。無論是星 狀網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)還是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)都有一個(gè)唯一的標(biāo)志符即網(wǎng)絡(luò)號(hào) ( p a n i d ) 。根據(jù)標(biāo)識(shí)符，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間就可以確定其從屬關(guān)系并進(jìn)行通信。 z i g b e e 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多點(diǎn)訪問網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)對(duì)通信介質(zhì)都有平等的 訪問權(quán)限。多點(diǎn)訪問機(jī)制包括信標(biāo)機(jī)制和無信標(biāo)機(jī)制。無信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中，只要信道空閑， 網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)任何時(shí)候都可以發(fā)送消息。信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中，只允許節(jié)點(diǎn)在定義時(shí)隙中發(fā) 送消息。協(xié)調(diào)器以一個(gè)標(biāo)記為信標(biāo)幀的超幀開始并為每個(gè)節(jié)點(diǎn)指派特點(diǎn)時(shí)隙，網(wǎng)絡(luò)中 所有節(jié)點(diǎn)都要和該幀同步，除此之外還有公共時(shí)隙，所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)該信道的訪 問權(quán)。本論文所用的m i c r o c h i p 協(xié)議棧僅支持無信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。另外，本文的無線傳感器網(wǎng) 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 絡(luò)組建使用了星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。協(xié)調(diào)器首先會(huì)搜索可用信道并建立一個(gè)可用網(wǎng)絡(luò)，隨機(jī) 產(chǎn)生一個(gè)p a n 作為網(wǎng)絡(luò)號(hào)，終端節(jié)點(diǎn)搜索可用網(wǎng)絡(luò)并加入網(wǎng)絡(luò)。 2 3 智能無線安防系統(tǒng)環(huán)境探測(cè)器 當(dāng)前主流的探測(cè)器是基于對(duì)狀態(tài)或物理參數(shù)的檢測(cè)，但由于探測(cè)結(jié)果的非唯一性， 故探測(cè)到真實(shí)性較低。影響區(qū)域探測(cè)結(jié)果的因素有很多，包括：光照、聲音等自然因 素，還有裝配的門窗、無線頻率( 干擾) 、移動(dòng)的物體等意外性干擾源，所以要根據(jù)現(xiàn) 場(chǎng)環(huán)境和安全防范要求，合理選擇報(bào)警探測(cè)器，這樣才能較好地達(dá)到安全防范的目的。 選擇了不合適的報(bào)警探測(cè)器可能出現(xiàn)安全防范的漏報(bào)，給入侵者造成可乘之機(jī)。比如 對(duì)家居安防而言，防盜門可以配合門磁或振動(dòng)探測(cè)器一起使用，有撬鎖開門入侵者依 舊會(huì)被發(fā)現(xiàn)；窗和除了安裝防盜窗外，也可在玻璃內(nèi)側(cè)安裝玻璃破碎探測(cè)器或振動(dòng)探 測(cè)器；室內(nèi)如果養(yǎng)有小型動(dòng)物則不適合安裝紅外探測(cè)器。本文設(shè)計(jì)的智能無線安防系 統(tǒng)主要應(yīng)用在辦公室或建筑物內(nèi)部使用，在總結(jié)了現(xiàn)有的多種探測(cè)器基礎(chǔ)上，選擇超 c 聲和熱釋電紅外探測(cè)器作為終端環(huán)境探測(cè)裂1 1 。 除了選擇合適的探測(cè)器外，還應(yīng)注意探測(cè)器的靈敏度和可靠性。合理選擇報(bào)警器的 探測(cè)靈敏度，根據(jù)不同環(huán)境合適配置報(bào)警探測(cè)器并采用不同的抗外界干擾措施，可以 提高報(bào)警探測(cè)器的性能。另外，對(duì)原有傳統(tǒng)報(bào)警探測(cè)器重新進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，提高其靈 敏度和抗干擾性，使其更加微型化，也有助于提高報(bào)警探測(cè)器性能。本文就是對(duì)超聲 報(bào)警探測(cè)器和熱釋電紅外報(bào)警探測(cè)器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使它們更加符合智能無線安防系 統(tǒng)的要求。 2 4 智能無線安防系統(tǒng)通信模塊 在對(duì)目前市場(chǎng)上流行的無線技術(shù)做出對(duì)比后，決定采用z i g b e e 作為構(gòu)建智能無線 安防系統(tǒng)的無線技術(shù)。z i g b e e 技術(shù)是伴隨著通信技術(shù)而不斷發(fā)展和進(jìn)步的，2 0 0 0 年1 2 月i e e e 8 0 2 1 5 4 工作組為w p a n 網(wǎng)絡(luò)制定了i e e e 8 0 2 1 5 4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并于2 0 0 3 年 1 2 月通過了第一個(gè)8 0 2 1 5 4 標(biāo)準(zhǔn)【3 2 1 。該技術(shù)可以把幾米范圍內(nèi)的多個(gè)設(shè)備通過無線方 式連接在一起，使它們可以相互通信或者接入l a n 或i n t e m e t ，具有復(fù)雜度低、成本 低、功耗低、速率低等特點(diǎn)。為解決現(xiàn)有無線通訊協(xié)議復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)成本高、網(wǎng)絡(luò)容量 小等問題，一種新型的無線通信技術(shù)z i g b e e 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生【3 3 】。z i g b e e 協(xié)議是由 z i g b e e 聯(lián)盟制定的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，該聯(lián)盟由美國(guó)h o n e y w e l l 等公司發(fā)起并于2 0 0 1 年8 月成立。隨后由英國(guó)l n v e n s y s 公司、同本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公卅及筒 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 蘭飛利浦等公司宣布加入z i g b e e 技術(shù)聯(lián)盟，一同開發(fā)新一代的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。2 0 0 4 年 1 2 月發(fā)布了第一個(gè)正式z i g b e e v l 0 標(biāo)準(zhǔn)，但該版本的z i g b e e 協(xié)議由于推出倉(cāng)促，存 在很多錯(cuò)誤，所以在2 0 0 6 年又推出了新一代z i g b e e 2 0 0 6 標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)的華為公司也在 2 0 0 6 年加入了該聯(lián)盟。目前該技術(shù)已吸引了上百家終端產(chǎn)品商、芯片公司、軟件開發(fā) 商、系統(tǒng)集成商等公司等的加盟，而且，這個(gè)技術(shù)聯(lián)盟還在不斷地發(fā)展壯大l 川。 目前利用z i g b e e 技術(shù)設(shè)計(jì)的無線通信模塊大部分都是由c h i p c o n 公司( 現(xiàn)被t l 公 司收購(gòu)) 生產(chǎn)的c c 系列無線模塊，特別是該公司最近推出的c c 2 5 3 0 等型號(hào)的無線模 塊，內(nèi)置5 1 內(nèi)核，方便的i a r 開發(fā)環(huán)境，開放的z s t a c k 協(xié)議棧，很快贏得了大量用 戶的青睞。但市場(chǎng)上特別是工業(yè)生產(chǎn)控制上，很多場(chǎng)合都是使用m i c r o c h i p 公司生產(chǎn)的 p i c 單片機(jī)，為了保證用戶在不影響原有功能基礎(chǔ)上，能夠使用無線模塊構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)， m i c r o c h i p 公司于2 0 0 8 推出了基于p i c 單片機(jī)的p i c d e mz2 4 g h z 無線平臺(tái)。該平臺(tái) 可以廣泛應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)控制及監(jiān)控系統(tǒng)，通過平臺(tái)演示包自帶的可輕易集成到無線 產(chǎn)品的硬件和免費(fèi)的m i c r o c h i pz i g b e e 協(xié)議棧，能加速用戶設(shè)計(jì)產(chǎn)品的步伐。目前有 三十多款流行的p i c l 8 系列單片機(jī)支持該演示開發(fā)平臺(tái)，這些單片機(jī)具備以電池供電 的z i g b e e 應(yīng)用所需的主要功能，如功耗管理及自編程閃存程序存儲(chǔ)器等。p i c d e mz 平臺(tái)還提供快速構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所需要的全部硬件、源代碼和印刷電路板布線文檔， 但應(yīng)用到具體場(chǎng)合時(shí)需要做出相應(yīng)的修改。另外，除了可選用z i g b e e 協(xié)議外，m i c r o c h i p 還為該演示開發(fā)平臺(tái)提供了另外兩種協(xié)議，m i w i 和m i w ip 2 p 。m i w i 是為低數(shù)據(jù)速率、 短距離、低成本網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單無線網(wǎng)絡(luò)，它的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模相對(duì)較小，節(jié)點(diǎn)問路程較短， 數(shù)據(jù)傳輸路徑也較短，最多只能有1 0 2 4 個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，但它十分便利，成本非常低，特 別適應(yīng)于小型應(yīng)用場(chǎng)合。m i w ip 2 p 的優(yōu)點(diǎn)在于可以減低成本且易于實(shí)現(xiàn)，無線通信不 需要其他硬件支持，是i e e e 8 0 2 1 5 4 的衍生協(xié)議，僅支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？?以預(yù)計(jì)，m i c r o c h i p 推出的無線模塊必定會(huì)以其豐富的功能和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到越來越多的 用戶熟知和使用。 2 5 本章小結(jié) 本章對(duì)智能無線安防系統(tǒng)的整體框架做了詳細(xì)說明，并對(duì)環(huán)境傳感器模塊和無線通 信模塊的選擇給出了合理解釋。給出選擇z i g b e e 作為構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的 依據(jù)。在了解了z i g b e e 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，選擇星狀網(wǎng)絡(luò)作為本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文 第3 章終端傳感器模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 隨著智能建筑安防系統(tǒng)要求的不斷完善和人們安全防范意識(shí)的不斷增強(qiáng)，人們對(duì)安 防系統(tǒng)的要求也越來越高。目前常用于安防系統(tǒng)的探測(cè)器有很多種，如紅外報(bào)警探測(cè) 器、微波報(bào)警探測(cè)器、雙鑒報(bào)警探測(cè)器、玻璃破碎報(bào)警探測(cè)器、振動(dòng)報(bào)警探測(cè)器、超 聲波報(bào)警探測(cè)器、激光報(bào)警探測(cè)器、磁控開關(guān)報(bào)警探測(cè)器、開關(guān)報(bào)警探測(cè)器、視頻運(yùn) 動(dòng)檢測(cè)報(bào)警器、聲音探測(cè)器等許多種類【l 】，其中超聲報(bào)警探測(cè)器和紅外報(bào)警探測(cè)器以其 價(jià)格低廉、安裝方便簡(jiǎn)潔、隱蔽性較好而得到廣泛的應(yīng)用。探測(cè)報(bào)警電路設(shè)計(jì)是本論 文電路設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)，主要包括超聲和紅外傳感器節(jié)點(diǎn)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)。 3 1 超聲探測(cè)報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3 1 1 超聲報(bào)警原理 聲波是一種縱波，是彈性介質(zhì)中傳播著的壓力振動(dòng)。傳播介質(zhì)可以看作是由無數(shù)個(gè) 緊密相連的質(zhì)點(diǎn)組成，在波源發(fā)生振動(dòng)后，受外力干擾的質(zhì)點(diǎn)會(huì)離開其平衡位置并帶 動(dòng)相鄰質(zhì)點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由于受到彈性力作用，質(zhì)點(diǎn)會(huì)相續(xù)返回平衡位置，但因質(zhì) 點(diǎn)存在動(dòng)能，它們又會(huì)向反方向運(yùn)動(dòng)，重復(fù)上述運(yùn)動(dòng)，直至能量消耗完畢。如此，介 質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)在各自的平衡位置附近不斷地做往返運(yùn)動(dòng)，將擾動(dòng)以波動(dòng)的形式向周邊傳 播，形成聲波。 我們通常把頻率高于2 0 k h z 的機(jī)械波，稱之為超聲波，也稱為超聲。雖然這種聲 波已經(jīng)超出人類的聽覺范圍，但對(duì)于自然界中的海豚、蝙蝠等動(dòng)物而言，它們是可以 “昕”到這種聲音的。1 8 世紀(jì)人們才意識(shí)到有超聲波的存在，之后便開始了對(duì)其的研 究和利用。1 8 8 3 年g a l t o n 利用快速流動(dòng)的氣體制成超聲氣哨，本世紀(jì)初，石英材質(zhì)的 超聲換能器才問世，并用來探查海底的潛艇【3 5 】。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，壓