基于物联网的陵园骨灰盒防盗系统

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2.3 z-stack协议^[9-12]

Z-stack是TI公司提供的具有源代码的一个zigbee协议栈，可以通过IAR编译完成后下载到CC2530上使用。Z-Stack协议定义了大部分网络拓扑结构，从而节省了大量重复工作时间，因而在zigbee市场上被广泛使用。协议栈通过各层之间的函数调用使得软硬件可以协调工作。而在网络层和链路层之间的信息交换是通过递交不同格式的数据实现的。

使用协议栈可以很好地实现无线网络的创立，协议栈采用分层的结构使得各层相对独立且更加容易学习理解。另外每一层都提供由协议定义的服务，程序员只需关注相关的协议即可完成工作，无疑降低了学习难度以及程序员的工作要求。每层协议都要向高层提供服务，又由低层提供服务，以此加深各层间联系。在ZigBee协议栈中，PHY、MAC层与硬件相关；NWK、APS、APL层以及安全层完全与硬件无关。

Z-stack协议栈采用事件轮询机制构建整个网络。首先进行各层初始化，同时系统进入低功耗模式运行。当事件发生时进入唤醒机制并进入中断处理事件，并且按照优先级顺序逐个处理事件，处理结束后立即进入低功耗模式以降低系统的功耗，此举延长了节点使用时长。

1. 系统总体设计

3.1 设计原则^[13-14]

本系统采集一个陵园里所有骨灰盒周围的信息，并将所需信息上传到PC机。由于陵园墓地密集，所需布置的节点众多，有线连接方式是不明智的，那么建立一个无线传感网是必然的。因而终端节点电源由电池提供，且长期不会更换电池，则必须考虑节点的低功耗以保证节点能长久工作。同时系统必须要有自适应性和自组织性以适应网络拓扑结构变化和网络通信不畅等问题。

无线通信方式有Wifi、蓝牙、zigbee等，其中WiFi的特点是能快速传递大量数据，这意味着其需要消耗许多能量，其一个网络中支持的客户端数量少，不满足本系统要求，反而更适合家庭等所需接入网络少的地方。Bluetooth是针对手机、笔记本等便携式设备设计的，其主要支持点对点传输，仅支持几个节点明显不符合本系统要求。ZigBee与蓝牙和WiFi有相同的无线频谱，具有高度扩容性即若使用协调器组网可连接6500个终端节点，完全满足低功耗无线传感器节点的特殊需求，所以本系统采用基于zigbee来建立无线传感网。

3.2 系统整体结构

由于所需要采集信息的特殊性（要求在放置骨灰盒的墓室被打开时感应到有人闯入），只需要在骨灰盒边上安装一个红外传感，每个传感器配备无线收发装置及独立电源组成一个节点，这些节点通过无线模块连接到路由器和协调器上，构成星型网络拓扑结构并以点对点传输，协调器通过USB线与电脑相连。终端节点实现数据的采集和上传；路由节点负责数据转发，同时也采集数据上传；协调器负责发起并管理整个网络同时负责将接收到的数据上传到计算机。上位机程序对接收到的数据进行相应的处理并对不同结果进行警报和不警报处理。下位机示意图如图3-1所示

图3-1 下位机示意图

3.3系统工作过程

下位机之间进行通信的前提条件是建立一个可行的无线传感器网络。先由协调器向网络层发起建网申请，然后网络层和MAC层通信几次之后网络建立好，并将执行结果通知协调器，此时大概的网络已建好，下面需要加入各种终端；节点首先搜寻附近存在的网络然后提交入网请求，节点通过协调器返回的入网验证后可以加入到网络，并获得协调器分配的16位短地址作为节点的标识，用以在整个网络中区别于其他节点，至此无线传感网建立成功。下面进行数据采集，先由红外传感器采集数据，通过无线收发模块进行数据的多跳上传到协调器；协调器按定义好的数据格式经由串口发送给电脑；上位机对接收到的数据进行处理，若检测到有人进入探测范围，则该节点所对应的图标会变红且发出声音警报。保安根据显示屏上的编号迅速找到被盗地点，可以直接去被盗地点查看或者通过监视器快速锁定犯案人员以便追踪。同时，为了满足低功耗的要求，节点需要进入休眠模式。设置定时器唤醒，那么每过10s会唤醒一次，这时，采集数据上传，上传完成继续休眠以降低功耗。

3.4 主要工作

本系统的设计目标是通过一个协调器和若干个终端节点，搭建一个无线网络，完成数据采集、传输功能。硬件的软件部分采用Z-stack协议栈。

本系统主要工作：

1. 了解zigbee技术的原理和功能。通过做实验的方式研究Z-stack的各种功能：节点绑定（主要是节点和协调器绑定）、自组网（组建一个无线传感网）、网络地址分配（分配短地址）、路由机制的选择（选择合适的节点做路由器实现路由转发功能），在对其架构深刻了解之后完成基于Z-stack的无线数据采集系统的搭建
2. 根据节点所需要实现的功能找到合适的硬件并理解硬件各部分实现方法及其作用
3. 软件分为上位机和下位机软件。上位机软件用VS进行设计，完成用户登录，接收数据并显示以及自动警报功能，同时还要有发送控制命令功能。下位机软件基于Z-stack，各节点主要做到采集数据并传输，同时还要对控制命令进行解析并做出相应反应。
4. 软件设计主要用到两个软件，一是IAR，需要熟练运用该软件来完成下位机软件的调试及下载；二是VS，该软件用于制作上位机操作。
5. 硬件设计

Sink节点实现无线传感器网络内的信息与外部网络或终端节点间的连接，是无线传感网与有线设备间的连接中转站，负责发送上位机传达给节点的命令（一般是上传数据要求）、接收下层数据及请求（节点采集到的数据须经由sink节点上传），具有数据融合（综合所有普通节点信息）、请求仲裁和路由转发功能。

4.1 终端节点

节点由传感器模块、数据处理模块、数据传输模块、电源模块组成。传感器模块负责采集所需信息，采集完成后通过数/模转换传送数据至数据处理模块；数据处理模块负责对采集到的数据进一步压缩处理成可供上传的数据包；数据传输模块使用无线通信方式将处理好的数据包上传到sink节点。本系统采用了TI的一款包括底板的CC2530作为节点以节省经费以及减小节点体积。节点需要完成的功能为数据采集以及数据传输，其硬件电路包括采集模块、收发模块、电源模块、数据处理模块如图4-1所示。电源模块以三节5号电池供电，可维持很长的工作时间，通过设置合理的节点的采集、收发、休眠状态，可以有效延长其使用寿命。

图4-1 节点结构图

电源可以直接由USB接口提供也可以由电源接口连电池盒

该开发板免除了插拔的繁琐且更为安全牢固，能完成许多传感器的检测与数据转发，板载3V有源蜂鸣器，可插OLED显示屏、红外热释传感器、气体/雨滴/声音/光敏/继电器等。传输距离：开阔地传输200米，自动重连距离120米

4.1.1 CC2530

CC2530是作为一款经济且低功耗的单芯片解决方案。它整合了全集成的高效射频收发器（兼容IEEE 802.15.4）及具有代码预取功能的8051微控制器。CC2530还包括了许多强大的外设资源，如计数器、看门狗定时器、usart，睡眠定时器，上电复位电路，掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚^[14]。

CC2530有两个时钟晶振32MHz（无线收发时钟：用于同步终端和上位机的时间，避免因时间不同造成的问题）和36.082KHz（为休眠模式提供时钟：设置该时间后过了一定时间便会自动唤醒，相当于闹钟的功能）。CC2530作为一个高集成度的芯片，它可以完成大量简单的处理工作，因此只需要在外围部分添加合适的元件就可以完成终端设计并完成数据传输和处理功能。

图4-2 CC2530引脚图

CC2530的RF内核可以控制模拟无线模块，通过这一个模块可以实现设备连无线网的功能，而且只需添加天线等简单的外围元件就可以。另外，通过MCU和无线设备之间的一个接口可以发出读取状态、自动操作、确定无线设备事件顺序的命令。此外，无线设备包括数据包过滤模块和地址识别模块。

4.1.2 红外热释传感器

使用说明：

1. 感应模块通电后首先会进行初始化，其时间长度大概为1分钟。在此期间模块会间隔地输出0-3 次，这时的数据不计入统计，只是其程序内自检以判断是否完好，之后就进入待机状态，接受到采集命令才会对外界有反应。

2. 由于该传感器是要探测发出的红外光线，所以应尽量避免灯光等近距离直射模块表面的，使得传感器错误地感应到而造成不必要的误会；使用环境尽量避免流动的风，热释电传感器是通过感应到的温度与其自带的探测周围温度的温度差来判断数据是否发生变化，若是有流动的风很容易引起温差变化。

3.有两种触发方式^[15]：

不可重复触发方式：人在探测范围内引起ΔT变化，那么感应输出高电平，过一段时间后，不管人在不在感应范围，输出电平都恢复到低电平

可重复触发方式：当由于人在感应范围内而输出高电平后，如果人一直呆在这个范围内，其输出一直保持高电平直到人离开，这时传感器内的晶核上的电荷随着感应到温度的降低而与空气中的离子结合逐渐减少，直至温差变为0，这一时间段被成为延时时间段，过了延时时间段输出才恢复成低电平

4. 感应模块采用双元探头，探头分布在长方形窗口的较长方向的两端^[16]。因此当人从探头的一侧走到另一侧的时候，人体散发的红外光被探头接收到的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏。所以安装感应器时需要对人的运动进行很好的预测以防止感应不到。为了拓展其感应范围，使其使用时不受位置影响本模块采用圆形透镜，但总体上来说左右两侧仍然比上下两个方向感应范围大、灵敏度强。

图4-3 模块外接示意图

使用红外热释传感器不仅因为其价格低，使用范围广（参考资料齐全），更因为其是最符合本系统设计要求。首先，传感器安装在一个完全密闭的空间中，避免了由于灯光、风等因素引起的误差；其次，打开墓室就立刻能感应到温度差变化，上述说明4的安装问题不需要多考虑，只要保证探测头正对着打开的地方就可以。其次，若是使用别的传感器，如距离探测器，那么只要随身携带着一个可以反射红外线的板子就可以完美的偷梁换柱并成功脱身。其他传感器就不一一详述。

4.2 协调器

协调器节点是发起了整个网络的建立，执行网络的初始化操作、通过分配短地址管理允许加入的终端的数量，其内存储网络内各节点的信息。其主要工作是组建并维护一个网络，同时收集网络中节点发出的信息并通过串口上传到PC端。硬件上，协调器比节点少一个采集功能，相应的其CPU要求比节点高，同时还要加串口转换电路。本设计考虑到只用了三个节点，统一和节点用一样的底板

图4-5 协调器电路示意图

4.3 协议分析器SmartRF04EB

图4-6

1. 支持IAR在线下载调试和SmartRF STUDI07 packet sniffer协议分析功能（所有下位机硬件上的软件程序都是在IAR上编译好之后通过下载器下载的）
2. 支持TI zigbee系列芯片
3. 预留boot loader更新接口，允许用户自行更新
4. 软件设计

5.1 下位机软件设计^[18-19]

5.1.1 初始化

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