基于NRFL的家用無線報警系統(tǒng)完整版

基于NRF24L01的家用無線報警系統(tǒng)的設計摘要隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對生活要求的不斷提高，實現(xiàn)家庭智能遠程控制已經(jīng)成為必然趨勢。國家建設部住宅產(chǎn)業(yè)化促進中心提出住宅小區(qū)要實現(xiàn)六項智能化要求，其中包括實行安全防范自動化監(jiān)控管理：對住宅的火災、有害氣體的泄漏實行自動報警；住宅設置緊急呼叫系統(tǒng)；防盜報警系統(tǒng)應安裝紅外或微波等各種類型報警探測器；系統(tǒng)應能與計算機安全綜合管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)；計算機系統(tǒng)能對報警系統(tǒng)進行針對室內(nèi)應用環(huán)境,對無線報警系統(tǒng)進行了研究,提出一種低成本、面向家庭應用傳感器組成。系統(tǒng)采用無線通信方式,可以完成溫度監(jiān)測、自動報警等功能。實驗證明,系統(tǒng)具有成本低、無需布線、安裝簡單、擴展性強等特點,可以廣泛應用于家庭自報警工作原理的基礎上，選擇性的對家居無線控制方面開發(fā)上作了詳盡的研究。主要研究內(nèi)容包括以下兩個方面：一，從設計方案到實驗程序以及程序驗證硬件測試等都進行了詳細介紹。二，謹慎的選擇并購買硬件，搭建整個硬件電路。本文通過搭建電路，測試傳感器和簡單通信的方式對其進行了深入的學習。NRF24L01homewirelessalarmsystem-baseddesignAbstractWiththecontinuousdevelopmentofcommunicationtechnology,aswellaspeopleonthecontinuousimprovementoflivingrequirements,familyintelligentremotecontrolhasbecomeaninevitabletrend.TheMinistryofConstructionofHousingIndustrializationPromotionCenterresidentialdistricttoachievethesixintelligencerequirements,includingtheimplementationofsafetyprecautionsautomatedmonitoringandmanagement:residentialfire,leakageofharmfulgasestoimplementautomaticalarm;residentialsettingsemergencycallsystem;alarmsystemshouldbeinstalledsuchasinfraredormicrowavevarioustypesofalarmdetector;systemshouldbeabletonetworkandcomputersecuritymanagementsystem;emforcentralizedmanagementandcontroloftheantitheftalarmsystem.Wirelessalarmsystemforindoorenvironments,andproposedalow-cost,family-orientedapplicationofremoteanti-theftalarm.ThehardwareconsistsofSTC89C51microcontrollernRF24L01wirelesscommunicationmoduleandDS18B20sensor.Thesystemuseswirelesscommunication,youcancompletetemperaturemonitoring,automaticalarmandotherfunctions.Experimentsshowthatthesystemhaslow-cost,nowiring,easytoinstall,expandthecharacteristicsofstrong,canbewidelyusedinhomeautomationcontrol.Thisarticlefirstdetailstheresearchsituationanddevelopmenttrendofwireless,clearuserdemandandwirelessworksonthebasisofselective,madeadetailedstudyonthedevelopmentofwirelesshomecontrolaspects.Theresearchtopicsincludethefollowingtwoaspects:one,fromthedesigntotheexperimentalprocedureandprogramverificationhardwaretestetc.aredescribedindetail.Second,thecarefulselectionandpurchaseofhardware,setupthewholehardwarecircuit.Waytobuildthecircuit,thetestsensorandresumeionwascarriedoutindepthlearningKeywordsWirelessalarm；Sensor；NRF24L01；STC89C51；DS18B20 I 第1章緒論1.1定義報警系統(tǒng)是用物理方法或電子技術(shù)，自動探測發(fā)生在布防監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的危險行為，產(chǎn)生報警信號，并提示值班人員發(fā)生報警的區(qū)域部位，顯示可能采取對策的系統(tǒng)。報警系統(tǒng)是預防火災、盜竊等意外事件的重要設施。一旦發(fā)生突發(fā)事件，就能通過聲光報警信號在安保控制中心準確顯示出事地點，使于迅速采取應急措施。報警系統(tǒng)與出入口控制系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)、訪客對講系統(tǒng)和電子巡更系統(tǒng)等一起構(gòu)成了智能安全防范系報警系統(tǒng)通常由：探測器(又稱報警器)、傳輸通道和報警控制器三部分構(gòu)成。報警探測器是由傳感器和信號處理組成的，用來探測入侵者入侵行為的，由電子和機械部件組成的裝置，是報警系統(tǒng)的關鍵，而傳感器又是報警探測器的核心元件。采用不同原理的傳感器件，可以構(gòu)成不同種途、達到不同探測目的的報警探測裝置[1]。1.2課題研究目的及意義隨著國民和技術(shù)水平的提高，特別是機技術(shù)、通信技術(shù)、技術(shù)、控制技術(shù)的迅猛與提高，促使了家庭實現(xiàn)了生活化，居住環(huán)境舒適化、安全化。這些高科技已經(jīng)影響到人們生活的方方面面，改變了人們生活習慣，提高了人們生活質(zhì)量，家居智能化也正是在這種形勢下應運而生的。本文所研究的家庭無線報警系統(tǒng)正是智能家居的一部分。保障家庭財產(chǎn)，防患于未然也是未來智能家居的研究方向之一。1.3國內(nèi)研究現(xiàn)狀及趨勢隨著國內(nèi)安防市場的發(fā)展，目前報警器市場也日漸完善成熟起來?，F(xiàn)在在市場上流通的報警器主要功能如下：2)防竊：若遭遇壞人入室搶劫，可即時發(fā)送報警信號。3)求助：可用于家中老人、小孩意外事故和急病呼救報警。4)防火：通過煙感探測器及時探測室內(nèi)煙霧，發(fā)出失火警報。5)防可燃氣體中毒：能夠探測到煤氣、液化石油氣、天然氣等氣體6)全自動報警：一旦發(fā)生警情，主機自動循環(huán)撥打設置電話，如聯(lián)網(wǎng)向報警中心報警，或者發(fā)出語音報警信號。7)遠程監(jiān)聽：接通報警電話后可即時監(jiān)聽和判斷室內(nèi)現(xiàn)場動靜，以8)異地遙控：主人在異地遠距離通過手機或電話對家中主機進行布防或撤防等操作。還可以部分布防，比如人在家里客廳撤防，陽9)分類：根據(jù)使用用途可分為汽車防盜報警器，摩托車、電動車防盜報警器，家庭防盜監(jiān)控報警器，辦公用防盜報警器等。展[2]。1.4本文研究主要內(nèi)容主要內(nèi)容：本文系統(tǒng)地介紹了有關單片機的基礎知識和相關各種電子器件的使用方法以及使用NRF24L01來搭建家居無線安全報警系統(tǒng)的方法。并選擇DS18B20溫度傳感器來結(jié)合此系統(tǒng)進行試驗。本次試驗，使用STC80C51單片機對整個系統(tǒng)進行控制，DS18B20溫度傳感器作為信號源，NRF24L01射頻作為無線通訊模塊。運用美國KeilSoftware公司的開發(fā)工具KeiluVision3平臺，并采用C++語言來對單片機進行編程，運用美國Altium公司的開發(fā)工具ProtelDX臺設計系統(tǒng)核心電路硬件。使用兩種軟件對無線報警系統(tǒng)進行編寫和設計。需要熟悉一些底層的硬件知識，特別是數(shù)字邏輯電路的設計，因此KEIL編程和DXP畫圖的方法、思路都要更多的與硬件電路聯(lián)系起來。完成系統(tǒng)各個功能模塊的軟件程序設計后，在軟件平臺上進行編譯和電路仿真，最后生成的目標文件下載到實驗臺內(nèi)的STC芯片以實現(xiàn)該系統(tǒng)，并利用相關實驗設備進行仿真驗證，得出理想的設計模型。第2章單片機及傳感器技術(shù)簡介2.1單片機技術(shù)概述單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式(MicrocontrollerUnit)，常用英文字母的縮寫MCU表示單片機，它最早是被用在工業(yè)控制領域。單片機是一種集成在芯片，是采用技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、等電路)集成到一塊硅2.1.1單片機技術(shù)發(fā)展概況2)MCU的擴展方式從并行總線型發(fā)展出各種串行總線。2.1.2單片機技術(shù)基本特征機技術(shù)代表了當今電子設計技術(shù)的最新發(fā)展方向。首先，程序員以反復使用，大大的增加了單片機的使用壽命。第二，單片機集成度高。計算機進行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡和通物質(zhì)條件。第三，單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使電路中，這種模塊化應用極大地縮小了體、錯誤率，也方便于更換。第四，單片機可了很多，使得一只單片機可以同時勝任多種C言和匯編語言。rneStroustrup)博士在20世紀80年代初期發(fā)明并實現(xiàn)了C++(最初這種語言被稱作“CwithClasses”)。一開始C++是作為的增強版出現(xiàn)function)、運算符重載(operatoroverloading)、(multipleinheritance)、(template)、異常(exception)、RTTI、命名空間(namespace)逐漸被加入標準。1998年(ISO)頒布了的國際標準ISO/IEC1988-1998。C++是具有國際標準的，通常稱作ANSI/ISOC++。匯編語言(AssemblyLanguage)是面向機器的。在合中，用助記符(Memoni)代替操作碼，用符號(Symbol)或標號(Label)代替。這樣用符號代替的二進制碼，就把機器語言變成了匯編語言。于是匯編語言亦稱為符號語言。使用匯編語言編寫的，機器不能直接識別，要由一種程序?qū)R編語言翻譯成機器語言，這種起翻譯作用的程序叫，匯編程序是中語言處理系統(tǒng)軟件。程序把匯編語言翻譯成機器語言的過程稱為匯編。C++與匯編語言相比，有很多的優(yōu)點：1)C++設計成靜態(tài)類型、和C同樣高效且可移植的多用途設計語2)C++設計成直接的和廣泛的支援多種程序設計風格(程序化程序3)C++設計成給程序設計者更多的選擇，即使可能導致程序設計者5)C++避免平臺限定或沒有普遍用途的特性。6)C++不使用會帶來額外開銷的特性。7)C++設計成無需復雜的程序設計環(huán)境[5]。工具一家業(yè)界領先的微控制器(MCU)軟件開發(fā)工具的獨立供應商。Keil公司由兩家私人公司聯(lián)合運營，分別是德國慕尼黑的KeilElektronikGmbH這種得到業(yè)界認可的解決方案。其KeilC51編譯器易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。C優(yōu)。SE就是它的前期版本。環(huán)境功能包括雙顯示器支持，可固定、浮動以及彈出面板，強大的過濾和有先進的設計特點，能夠處理各種復雜的PCB設ProtelDXP2004已不是單純的PCB(印制電路板)設計工具，而是由多個模塊組成的系統(tǒng)工具，分別是SCH(原理圖)設計、SCH(原理圖)仿真、PCB(2字符印制電路板)設計、AutoRouter(自動布線器)和人性化，而且極大地強化了電路設計的同步化，同時整合了1)整合式的元件與元件庫2)版本控制ProtelDXP04中的設計與其他軟件共享。如可以輸入和輸出3)多重組態(tài)的設計4)重復式設計括由電路板反標注到電路圖[7]。的傳感器決定了不同的報警觸發(fā)模式。測，在室內(nèi)的氣體，濕度和室外的防止入室盜竊上也應該進行檢測。4.1定義、作用及組成1)測量與數(shù)據(jù)采集；2)檢測與控制作用；診斷與監(jiān)測作用；4)輔助觀測儀器；資源探測與環(huán)境保護；6)醫(yī)療衛(wèi)生和家用電器。由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路三部分移、位置傳感器；光纖陀螺是光纖自身傳感器的一種，與激光陀螺相比，光纖陀螺靈敏度高，體積小，成本低，可以用于飛機、艦船、導彈等的高性能慣性導航2)熱學量傳感器：光纖溫度傳感器；同時利用光纖的特性將溫度信號以光的形式傳輸，該類型屬于功能型光纖溫度傳感器；另一類是光導纖維僅起傳輸光波的作用，感溫功能必須由在光纖端面加裝其他敏感元件來完成，屬于傳輸型光纖溫度傳感器。光纖溫傳感器流量計；光纖傳感器渦輪流量計。容5)光學量傳感器：光纖傳感器；發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖傳感器憑借著其大量的優(yōu)點已經(jīng)成為傳感器家族的后起之秀，它著自己獨到的作用，成為傳感器家族中不可缺少的一員。類傳感器相比有一系列獨特的優(yōu)點：用光纖傳噪聲、無電火花、無短路負載；光纖具有化學性質(zhì)穩(wěn)定及徑細、質(zhì)軟、重感應的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐可撓性，以及便于與計算機聯(lián)接，便于與光還有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、耗電少地方(如高溫區(qū))，或者對人有害的地區(qū)(如核輻界限，接收人的感功能型傳感器，是利用光纖本，所以又叫傳感型光纖傳感器；另一類是非元件感受被測量的變化，光纖僅作為光的傳接近場所的光信號，因此，也稱做傳光型傳同，光纖傳感器有強度(振幅)調(diào)制、相位感曲、應變、電壓、電流、化學量、生物醫(yī)學和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了力并產(chǎn)生彎曲，通過彎曲就光纖化學傳感器；導纖維為基礎的各種探針技術(shù)，具有響應速化學傳感器可分為兩種基本類型：光導型和8)生物傳感器：光纖型酶傳感器；9)仿生及機器人傳感器；中傳感器的選擇家用報警器跟工業(yè)用報警器不同，根據(jù)不同傳感器的特點，各類上選法定量測量所以半導體傳感器多用于家用報警器和光點式酒精檢測儀，這也更符合這類報警器只需要定性測量且價格要求較低的情況。工業(yè)報警器因為需要定量的測量，所以多選用催化燃燒傳感器和電化學傳感器。但早期也有采用半導體傳感器的，不過現(xiàn)在因為體傳感器了。工業(yè)從使用方式看可分為點型氣體探測器和便攜型氣體探測器。考慮到價格因素，電化學傳感器一般只是應用到定量測量毒性氣體的場合。而合由于要求不高一般都采用催化燃燒傳感器[10]。2.5.1紅外線傳感器一定的溫度(高于絕對零度)，都能輻射紅外線。紅外線傳感器測量時不時對疾病進行診斷治療(見熱像儀)；利用人造衛(wèi)星上的紅外線傳感器對情況等。。5.2煤氣泄漏報警器1)能感應、、。3)單片機智能控制，防誤報，防漏報。機2.5.3溫度報警器根據(jù)自己的不同需要，設置報警器的報警溫度。溫度變化的規(guī)律把溫度轉(zhuǎn)換為理性質(zhì)主要有體。溫度傳感器是溫度測測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大熱電阻和兩類[5]。2.5.4濕度報警器溫濕度報警器通過溫濕度檢測到室內(nèi)溫濕度值，并根據(jù)用戶設置的上限值和下限值進行判斷，如果室內(nèi)溫濕度超出所設置的溫濕度范圍，則發(fā)濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當環(huán)境濕度發(fā)生改化量與相對濕度成正比。本章針對單片機相關技術(shù)進行了簡要的介紹，包括其發(fā)展階段、基本特征等進行了概述。同時還介紹了幾種用于設計單片機系統(tǒng)的計算機語言。最后，針對單片機的開發(fā)工具做了簡介。第3章簡易無線報警系統(tǒng)的設計3.1方案設計選擇器件本章設計簡易的無線報警系統(tǒng)。首先，使用功能強大的Altera公司的ProtelDXP設計硬件電路，該系統(tǒng)設計兩套電路分別是發(fā)射電路和接和射頻模塊電路。接收電路中包括單片機最小系統(tǒng)，蜂鳴器，數(shù)碼管顯示儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C51為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。硬件復位為止。最高運作頻率35Mhz，6T/12T可選[11]。在傳感器方面，本系統(tǒng)使用DS18B20溫度傳感器來搭建發(fā)送電路。DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應用于多種場合，如管道LTM8874等等。主要根據(jù)應用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農(nóng)碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域。DS18B20具有獨特的單線接口方式，在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。測溫范圍－55℃~+125℃，固有測溫分辨率0.5℃。支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個，實現(xiàn)多點測溫，位數(shù)字量方式串行傳送不銹鋼保護管直徑Φ6。適用于DN15~25,DN40~DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設備測溫。標準安裝螺紋工作于GHz~GHzISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設計更方便。主要特性：GFSK調(diào)制；mm×4mm封裝;供電電壓為V~V[12]。3.2電路設計與焊接數(shù)據(jù)傳輸管腳分別與單片機的P2口相連。在對NRF24L01的供電方面，安裝，以免虛焊和用萬能表進行檢測，焊點和線路都要3.3硬件電路測試硬件電路在搭建完成之后，需要對其進行測試，以保證電路的整體可靠性。每一個原件都應該發(fā)揮它自己的作用，在保證沒有虛焊，短路的情況下，每部分電路都能獨立完成其相關功能。最后再將整體進行測試。DLED--------------------------*/nedintcnt{whilecnt);---------------------------------*/{抖動CLK7f7f24L24L24L24L24L24抖動CLK器判斷信號是超出額定值報警否手動取報警332劉葉冰.住宅小區(qū)智能化設計與實施[M].中國電力出版社，2011，1，4李全利.單片機原理及接口技術(shù)[M].高等教育出版社，2010，11(5)：4~69王華祥，張淑英.傳感器原理及應用[M].天津大學版社，2007，9(2)：144~14510唐宏.無線傳感器網(wǎng)絡原理及應用[M].人民郵電出版社，2011，8：M：59~61nRF4L01.北京航空航天大學出版社[M]，2011，7：13~1413RusdiansyahA，TsaoDB.SmartHome[J].JournalofFoodEngineering3414DOUGLASL：FamilySafetyMaintenanceProgram[M]：McGraw-HillProfessional，2002：95~9715VerhoefLWtypeofalarmsensorselection[J].AppliedErgonomics1988，19(2)：103~109#include<>#include<>typedefunsignedcharuchar;typedefunsignedcharuint;4F24L24L24L24L0A0C0F24L24L24L24L24L24L24LSCK=1;uchar|=MISO;}return(uchar);SPI_RW(reg);reg_val=SPI_RW(0);CSN=1;thensetSCKlowagain24L.thenreadregistervalue24Landwritevaluetoit..=24L24L0f24L24L24L24L0f0f0f0c0a24L24L24LTransmitTx4F24L24L24L0A0C0F24L24L24L24L24L24LSCK=1;uchar|=MISO;}return(uchar);SPI_RW(reg);reg_val=SPI_RW(0);CSN=1;CSN=1;thensetSCKlowagain24L.thenreadregistervalue24Landwritevaluetoit..24L24L0f24L24L24L24L24L24L24LArobotcenteringonnetworktopologystructureispresentedandrealized.allofthesensornodesinformationinthenetworkwillbesenttotherobotnode,sotherobotnodeusuallyundertakesthetasktocollectsensordatainformation,conservetheinformation,processtheinformation,andalsoastheinterfaceofthenetworkwiththeotherusers.Aimathardworkoftherobotnode,thepaperpresentsanimproveddesignofZigBeewirelesssensornetwork.Asetofdesignrequirementsaredevelopedthatcoverthehardwaredesignofintelligentsensornodesandrobotnode.AtlastwetestedtheimprovedZigBeewirelessnetworkandverificationtheeffect.Theresultsshowthatthemonitoringsystemhasstronganti-jammingabilityandcanworkwellwiththerobot’self-movingandmonitoring.Keywordsrobot;environmentmonitoringsystem;wirelesssensornetwork;ZigBee;householdsecurity.I.INTRODUCTIONWiththefastdevelopmentofwirelessnetworktechnologyandrobottechnology,therobotbegantoenterthehomeasahouseholdsecurityrobot.Researchinganddevelopingtherobotwithsecurityalarmandenvironmentalmonitorisimportantinthecurrentresearchfieldofarobot.Inthepastfamilyenvironmentmonitoringsystem,singletypeofsensors,usuallybythewayofcabletransmission,wasused.Wirelessnetwork,asamulti-subject,anewtypeofhightechnology,iswidelyusedinenvironmentalmonitoring,disasterrecovery,military,medical,industrialcontrol,andotherfields.Wirelesssensornetwork(WSN)isawirelessmobilenetworkwiththecharacteristicofself-organizingandself-adaptive,andfullycapableofself-configurationfornetwork.Zigbeeisacommunicationstandardintendedtodevelopapowerconsumptionincomplementt.ZigBeewirelessnetwork,withthecharacteristicoftheself-organizingandrobust,solvesmanyproblemssuchassinglefunctionofpreviousmonitoringsystem,complexinstallation,poormobility,andtheno-robustsystem.BasedonZigBeewirelessnetwork,anenvironmentalmonitoringsystemofhouseholdsecurityrobotisintroduced,whichisusedformonitoringtemperatureandhumidity,gasleaking,fireandhousebreakinginfamily.Theremainderofthispaperisorganizedasfollows:insectionIIwewillintroducetheoverviewframeworkoftheimprovedZigBeemonitoringsystem.InsectionIII,presentthehardwareofthesystem,insectionIVwegivesoftwaredesignofthesystem,andinsectionV,wegivetheanalysisandtestforthisimprovedsystem.Finally,givesomeconclusions.II.STRUCTUREOFTHEMONITORINGSYSTEMInthispaper,themonitoringsystemisconstructedbasedonthisthinking,whichiscomposedofanodeoftherobotandsomenodesofwirelesssensorsasshowninFig.1.Figure1.SchematicdiagramofsystemInthisfigure,thewirelesssensornodesareinstalledindifferentindoorroomsfortheacquisitionofindoortemperature,humidity,infrared,smoke,andgasinformation.Gasnodesinthekitchenareusedtodetectgasandcombustiblegasleak;infrarednodesattheentranceofwindowsanddoorshavetodetectunauthorizedintrusion;nodesoftemperatureandhumidityinthebedroomsandthehallprovidereferenceinformationforfamilyandpersonal;smokenodeismainlyusedtomonitorindoorsmokedensity,realizethefamilyfirealarmbytheinformationoftemperatureandhumidity.Therobotnodeisthecentrallinkofmonitoringsystem,composedoftheARMhostmodule,wirelesssensorcommunicationsmodulesandothercomponents,suchasman-machineinterfacemoduleandsoon.Wirelesssensorcommunicationmoduleisnotonlyresponsibleforcommunicationsbetweenthewirelesssensornodesandtherobotnode,butalsoresponsibleforcommunicationsbetweenrobotnodeandotherfamilywirelessZigBeesensornetworks.Therobotnodesendsthecollectionandthequerycommandtothesensornodes,analysesdatafromthesensors,judgesalarmthreshold,andsendsmessagestoremoteusers.ORINGSYSTEMHardwareimplementationofthemonitoringsystemcanbedividedintotwoparts:oneisthehardwaredesignofsensornodeswhichmainlycompleteenvironmentalinformationcollection,storage,simpleprocessingandwirelesscommunication;theotheristhehardwaredesignoftherobotnodewhichfinishescomputingandprocessinginformationfromthesensors,sendsA.DesignofSensorNetworkNodesZigBeesensornodesarethebasicunitforinformationcollection.Thesensorscollectthesignalfromtheenvironmentandtheoriginalsignalwillbeprocessedbythesignalprocessingmodule.ThentheprocessedsignalwillbeuploadedtotheZigBeemodule.TheZigBeemodulesendstheinformationtotherobotnode.Therefore,thenodeshouldhavethreekindsofcapability:sensingcapability,computingcapabilityandwirelesscommunicationcapability.Thepowerwillbeprovidedbytwobatteriesandthevoltageregulatormodulewillassistanceinpowerproviding.Thesensornodesareusuallyusedtorealizeinformationcollectionofthetemperatureandhumiditysensornodes,smokesensornodes,gassensornodes,andinfrareddetectionsensornodes.Inthecourseofthedesigning,wechooseCC2430astheZigBeeprotocolchips.ThechipCC2430asthecoreofthehardware,CC2430integratedRFtransceiver,CPU,and128Kflashmemory,andveryfewexternalcomponentsrequiredintheCC2430typicalapplication[6].ItalsoincludesA/Dconverter,someTimers,AES128Coprocessor,WatchdogTimer,32KcrystalSleepmodeTimer,PowerOnReset,BrownOutDetectionand21I/Os.TheRFtransceiver,includingacorechipandanantenna,supportsthe21I/0ports,CC2430p0portscanbesettoADCport.21I/OportscanbeusedastheSPIports,GPIOandsoon.Thesesensornodesexcepttherobotnodehavethesamebasicstructure.Theseportsareassignedtothesensorsandperipheralequipments.B.DesignofRobotNodeTherobotnodeiscomposedofcontrolunit,ARM920T,operatingsystemsoftwareplatform,variousperipheralsensorsdetcexecutor,wirelesscommunicationmodule,memoryandman-machinerfacesasshowninFigInthishouseholdsecuritynetwork,therobotnodeactsastherootnodeandgatewayatthesametime.TherobotnodeisthegatewaythatdeliverscommandsreceivedfromapersontothebasestationandcontrolsmessagesreceivedfromthebaseEachnodeinthenetworkcansendandreceivesignals.Communicationbetweentherobotnodeandallwirelesssensornodesisachievedbytheuseofwirelesscommunicationmodule.Furthermore,therobotnode,alongwithnodesofotherfamilykthroughroutingfunctionFigure2.DiagramoftherobotnodeIV.SOFTWAREOFTHEMONITORINGSYSTEMA.RoutingProtocolInrespecttoroute,wehaveadoptedahybridwirelessroutingprotocolHWMP(HybridwirelessMESHprotocol)program,whichcombinesflexiblydynamicAODVroutingprotocol(AdhocOn-DemandDistanceVectorRouting)withquasi-statictreeroutingprotocol(TreeBasedRouting),tomakethenetworkwelladapttovariablecommunicationstatusinthewirelessenvironment.ThegreatestfeatureofHWMPisitstreeroutingmechanism,whichisverysuitableforroutinginthequasi-networkincourseofinitializationhasagraspoftheentirenetworktopology,iftherearedatatobesent,theyaretransmittedimmediatelyinaccordancewiththeroutingtable,greatlyresultinginlessdatadelay,whichisverypositivetoahigherreal-timebusinesslikevoicetransmission.B.SoftwareEstablishmentoftheMonitoringSystemSystemsoftwareincludes:initialization,theagenttableandtreeroutingtableupdate,routeforwarding,MACaddressingmechanism,andtreeroutingprotocoldesign.1)Systeminitialization.ThesystemistocompletetheinitializationofallnodesandaddresssettingsofrobotnodeandsensornodesandtosetupthedefaulttreeroutingtableandagenttabledagenttableupdateTheagenttablerecordsterminalMACaddressesofthenodesfollowed.TheroutingtableofanoderecordsMACaddressesoftnodesThefunctionsoftheagenttableinterfacearetoinsert,delete,andsearch.Onthereceiptofthedatapacketsfromparentnodes,theagentpointaddsthesourceaddressinthedatapacketsandtheaddressofthelastjumprespectivelyasaterminalMACaddressandtheaddressoftheagentpointintotheagenttable.Iftheaddressintheagenttablealreadyexists,itupdatesitslivingtime.Eachaddressinroutingtablemustidentifyitsnodetype,thatis,afathernodeoraparentnode.Allsensornodes,excepttherootnode(robotnode),haveafathernodeandseveralparentnodes.Thereisatimevalueineveryitemoftheagenttableandtheroutingtable,andtheyaticallydeletedafterovertimeddressingBythecombinationofroutingtableandtheagenttable,datacanbetransmittedandaddressed,theheaderofonlyfourMACaddress(lastjumpaddress,nextjumpaddress,terminalAddress,sourceaddress)isakeyissue.Theagenttablerecordstheassociatedterminaladdress.4)Treeroutingprotocoldesign.TreeroutingflowchartisinFigFigure3.TreeroutingflowchartAllofthenodesareinvolvedinthetreetopology,whichwillsetupspontaneouslyaftertheinitialization.Theprocessisasfollows:first,therobotnodeisselectedastheroot,whichinitiatestheprocessofcreatingthetreetopology.Thetreeroutingtableisupdatedatacertainperiod.Inthefirstprocess,eachpointestablishesitsowntreeroutingtableaccordingtotheinformationreceived.Eachnodemaintainsthetreeroutingtableofitsownnode,whichcontainsitsparentnodeaddressandthefathernodeaddress.Infollowingprocess,eachnodemaintainsthetopologyaccordingtothereceivedinformation,forexample,deletesinvalidnodes,andaddsnewnodes.Therootnode,asaspecialnode,maintainsroutingofeachnodeinthenetwork.V.EXPERIMENTALRESULTSA.VerificationofSystemPerformanceInthefamilysecurityrobotexperimentalverificationplatformweverifyandtesttheperformanceofvariouscomponentsoftheenvironmentalmonitoringsystem.Thepacketdeliveryratio(PDR)forthissimulationisshownFigure4.PacketdeliveryratioTheresultshowsthatthe25-nodeconfigurationcanachieveaPDRofapproximately90%oftheentiresimulation.The50-nodeconfigurationdoesnotperformaswellpossiblyduetomorecollisionsthatoccur.Fig.5showstheresultsfortheaverageend-to-enddelay.Figure5.Averageend-to-enddelayIngeneral,thenetworklatencyforthetwoconfigurationsisbelowsecondsafterthe5000secsimulations.Theabovefindingshaveindicatedthenodedensityinfluencetheperformanceof25-nodeconfigurationismoresuitableforthisbarnthan50-node.AnothermajorissueinZigBeeisenergyusage.TheZigBeetechnologyisdesignedtoworkwithverylowpowerconsumptionandthedevicesareassumedtobeworkingwithtwoAA/AAAoyearsB.ZigBeeNodeModuleAsshowninFig.6,ZigBeenodemodulethatwedevelopedashardwareplatformisusedtocarryoutthesensornodeprotocolalgorithminthispaper.Figure6.ZigBeenodemodule.VI.CONCLUSIONInthesystem,thetransmissionrangeoftheterminalnodesis70meters.Thisdistancecannotsatisfytherequirementsoffamily.Inordertoextendthecommunicationdistance,weincrease10relayroutesinthesystem.ByusingtheZigbeesolution,theusercanoperateseveralspotsinthecontrolcentersimultaneously.Thiswillprovidemoreaccurateandreliabletemperatureandhumiditydatatotheuser.Inthissystem,thecommunicationisbasedonwirelessnetworkwhichneedn’tthewiringworkandthepresenceoftheoperator.Additionally,thenodesarelower-powerdevices;theycanworkcontinuallyforseveralmonthsorevenoneyear.BasedonZigBeesensorwirelessnetwork,anenvironmentalmonitoringsystemofthefamilysecurityrobotisachieved.Wirelesssensornodesarefreetojoinandquit,controlandmonitorforconvenience.Theseadvantagesgreatlyimprovethemonitoringcapacityandenhancethesystem'srobustness.Thefamilyrobots,asnewelectronicproductsforconsumerwillcomeintothepeople'slives.Wirelesssensornetworkisthecurrentfocusoftheindustrialfield.However,asanewtechnology,ifwereallywanttobringtomankindatechnologicalrevolution,therearestillmanyproblemstobesolved,suchas,howtodesignlow-power,highlyreliable,intelligentZigBeesensorhowtoachievenetworksecurityandetc【Author】ChaoLV1,HuiLI1,JianfengMA1,MengZHAO21