基于WSN的防盗系统设计.doc 95页

'基于WSN的防盗系统设计Designofanti-theftsystembasedonWSN91 摘要无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,简称为WSN)是一种由大量微型的集成(包括传感器件、数据处理单元和无线通信模块)节点组成的以数据为中心的无线自组织网络。随着无线传感器网络的迅速发展，将WSN技术运用于实现家庭报警具有实际应用价值，在本设计中使用无线传感器采集信息，在zigbee网络，热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目标，将信号输入cc2430模块，经过模块处理后，把信息发给接收端，接收节点处理后，将信息传入单片机中对信息进行处理，通过报警装置发生报警，人们就可以知道。现代人们对安全越来越重视，这个设计刚好满足现代人的需求。关键字：，传感器，单片机，WSN91 Wirelesssensornetworks(WirelessSensorNetwork,referredtoasWSN)iscomposedofalargenumberofminiatureintegrated(includingsensors,dataprocessingunitandthewirelesscommunicationmodule)todatanodesasthecenterofthewirelessadhocnetworks.Withtherapiddevelopmentofwirelesssensornetwork,WSNtechnologywillbeappliedtoachievehomealarmwithpracticalapplicationvalue,theuseofwirelesssensorstocollectinformationinthisdesign,theZigBeenetwork,thepyroelectricinfraredsensorthroughthetemperaturedifferencebetweenthetargetandbackgroundtodetectthetarget,thesignalisinputtotheCC2430module,themoduleprocessing，theinformationtothethereceivingend,thereceivingnodeafterprocessing,theinformationintotheprocessingofinformationinsinglechipmicrocomputerthroughthealarmdevice,alarmoccurs,peoplecanknow.Themodernpeoplemoreandmoreattentiontosecurity,thisdesigncansatisfytheneedsofmodernpeople.Keywords:Sensor;Single-chipmicrocomputer;WSN91 91 第1章绪论无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,简称为WSN)是一种由大量微型的集成(包括传感器件、数据处理单元和无线通信模块)的节点组成的以数据为中心的无线自组织网络。无线传感器网络是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力，无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本；网络节点数量大、密度高，节点有一定的故障，节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制，网络拓扑结构变化很快，以数据为中心。无线传感器网络则将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体，实现物与物的互联，把感知触角深入世界各个角落,必将成为下一代互联网的重要组成部分。1.1无线传感网络的发展早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。1996年，美国UCLA大学的WilliamJKaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的GregoryJ91 Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。WSN网络技术一经提出，就迅速在研究界和工业界得到广泛的认可。1998年到2003年，各种与无线通信、AdHoc网络、分布式系统的会议开始大量收录与WSN网络技术相关的文章。2002年美国计算机学会(ACM)和IEEE成立了第一个专门针对传感网技术的会议InternationalConferenceonInformationProcessinginSensorNetwork(IPSN)，为WSN网络的技术发展开拓了一片新的技术园地。2003年到2004年，一批针对传感网技术的会议相继组建。ACM在2005年还专门创刊ACMTransactiononSensorNetwork，用来出版最优秀的传感器网络技术成果。2004年，Boston大学与BP、Honeywell、InetcoSystems、Invensys、MillennialNet、Radianse、SensicastSystems等公司联合创办了传感器网络协会，旨在促进WSN技术的开发。2006年10月，在中国北京，中国计算机学会传感器网络专委会正式成立，标志着中国WSN技术研究开始进入一个新的历史阶段。2001年，中国科学院成立了微系统研究与发展中心，挂靠中科院上海微系统所，旨在整合中科院内部的相关单位，共同推进传感器网络的研究。从2002年开始，中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题。截至2008年底，中国国家自然基金共支持面上项目111项、重点项目3项国家“863”重点项目发展计划共支持面上项目30余项，国家重点基础研究发展计划“973”也设立2项与传感器网络直接相关的项目国家发改委中国下一代互联网工程项目(CNGI)也对传感器网络项目进行了连续资助。“91 中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7项直接涉及无线传感器网络。2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络研究直接相关。最值得一提的是，中国工业与信息化部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，有第6个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对传感器网络技术而设立的。该专项的设立将大大推进WSN网络技术在应用领域的快速发展。1.1WSN相关的会议和组织WSN网络技术一经提出，就迅速在研究界和工业界得到广泛的认可。1998年到2003年，各种与无线通信、AdHoc网络、分布式系统的会议开始大量收录与WSN网络技术相关的文章。2001年，美国计算机学会(ACM)和IEEE成立了第一个专门针对传感网技术的会议InternationalConferenceonInformationProcessinginSensorNetwork(IPSN)，为WSN网络的技术发展开拓了一片新的技术园地。2003年到2004年，一批针对传感网技术的会议相继组建。ACM在2005年还专门创刊ACMTransactiononSensorNetwork，用来出版最优秀的传感器网络技术成果。2004年，Boston大学与BP、Honeywell、InetcoSystems、Invensys、MillennialNet、Radianse、SensicastSystems等公司联合创办了传感器网络协会，旨在促进WSN技术的开发。2006年10月，在中国北京，中国计算机学会传感器网络专委会正式成立，标志着中国WSN技术研究开始进入一个新的历史阶段。1.2WSN在我国的发展现状我国现代意义的WSN及其应用研究几乎与发达国家同步启动。2001年，中科院成立了微系统研究与发展中心推进WSN的研究。2006年，WSN作为重大专项、优先发展主题、前沿领域被列入《国家中长期科学与技术发展规划(2006-2020)》，并成为重大专项“新一代宽带移动无线通信网”91 的重要方向之一。目前，中国的WSN应用已经深入到智能家电、智能楼宇、智能交通、中小企业管理等民用领域。2010年上海世博会上WSN也得到了示范和应用。无线传感器网络技术在国内起步并不晚，但真正开始大规模研发是在2004年至2006年间。2007年后呈现出爆发性增长态势，有些年份的专利公开数量出现翻番，发明专利授权数量的增加也达到上一年的3倍以上。主要原因可能在于2004年后中国国家自然科学基金委员会、《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》、国家“863”重点项目、国家重点基础研究发展计划“973”、国家发改委“中国下一代互联网工程项目(CNGI)”等相继将WSN技术列为重点领域和优先课题。随着2008年工业和信息化部“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项的启动，专利申请趋势保持上扬。目前中国与美国权利人/申请人分别拥有数量最多的发明专利授权与专利总数。日本、韩国次之。从比例上看，中日韩三国拥有的专利数大幅度领先于其他国家和地区。在华拥有最多WSN技术相关专利的权利人/申请人主要为国外大型企业。排名前三的分别为三星公司、诺基亚公司与皇家飞利浦公司。只有华为一家国内企业进入前十。但相对的，在发明专利授权数量上华为公司排名第四位，相对国外企业的差距并不大。另外需要说明的是，排名前十位的企业申请的均为发明专利。与前述美国专利权利人/申请人排名对比可以发现，在WSN技术领域较为领先的公司在中美两国都有大量的申请。拥有最多美国专利的摩托罗拉公司在中国的排名也是第十一位，可见该领域技术竞争之激烈。1.1WSN技术的成熟度分析Gartner信息技术研究与咨询公司从2005年到2008年对WSN网络的技术追踪和评估。2005年，Gartner认为WSN技术的关注度已经越过了膨胀高峰并回归理性，91 表现为以美国为首的科研人员开始理性反思这种技术模式是不是有进一步推广和发展的机会。当时的预期比较乐观，认为该技术将在2-5年内走向成熟。2006年，Gartner的评估认为该技术正按照预定曲线前行，但成熟时间要更长一些而到了2007年，Gartner发现对该技术的关注度又有大幅度回升，但其市场并没有走向高产能期，而是似乎又回到了技术膨胀期。同时，距离成熟的时间仍然是10年以上。超过5年的市场预测往往意味公司对该项技术缺乏准确的判断。从这一点上看，WSN技术从市场的角度上看还有些扑朔迷离。Gartner的2008年技术预测报告中没有对该领域进行预测也正是基于这一点。这种结果的可能原因是杀手级应用所需的几项关键性的支撑技术目前难于突破，微型化、可靠性、能量供给在目前看来是制约应用的最大问题。另外，这些技术之间还彼此制约。首先，微型化使节点通信距离变短，路径长度增加，数据延迟难于预期其次，能量获取和存储容量与设备体积(表面积)呈正比，充足的能源和微型化设计之间的矛盾难于调和再有，现有电子技术还很难做到可降解的绿色设计，微型化给回收带来困难，从而威胁到环境健康。市场不会向技术妥协，如果一项技术不能在方方面面做到完美就很难被市场所接受。无线传感器网络技术要想在未来十几年内有所发展，一方面要在这些关键的支撑技术上有所突破另一方面，就要在成熟的市场中寻找应用，构思更有趣、更高效的应用模式。值得庆幸的是，WSN技术在中国找到了发展机会。政府引导、研究人员推动和企业的积极参与大大加快了WSN技术的市场化进程。中国必将在WSN技术和市场推进中发挥重要作用。1.5传感器网络的应用，（1）在军事上的应用，传感器网络具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点，因此非常适合军事上的应用。通过飞机或炮弹直接将传感器节点散播到敌方阵地内部，或者在公共隔离带部署传感网络，就能隐蔽而且近距离的准确收集战场信息，91 美国国防部及各军事研究部门对WSN技术都给予了高度重视，在C4ISR基础上提出了C4KISR计划，强调基于WSN技术的战场情报感知能力、信息综合能力和信息利用能力。作为很有代表性的WSN军事应用研究项目，“智能灰尘(SmartDuST)”和“沙地直线(ALineintheSanel)”也取得了令人瞩目的研究成果。“智能尘埃”的设计思想是，在战场上抛撒数千个具有计算能力和无线通信功能的低成本、低功耗超微型传感器模块并组成网络，用于监控敌人的活动情况，并将采集到的原始数据进行简单处理后发送回指挥部。“沙地直线”是国防高级研究计划局的资助下开发的一种WSN系统。该系统可将探测节点散布到整个战场，侦测战区内高金属含量的运动目标。欧洲，德国、芬兰、意大利、法国、英国等国家的研究机构也纷纷开展了WSN技术基础理论与军事应用的相关研究工作。日本与韩国甚至将建设WSN系统提升到国家战略高度。我国目前的WSN技术研究已具初步规模，但对于WSN技术的军事应用研究尚处于起步阶段。，（2）环境观测和预报系统，也应用到了无线通信网络，但是农业监测的范围很广，于是要用到成千上万的传感器，这样造成了庞大并复杂的控制网络。传统的农业主要靠孤立的、没有通信能力的机械设备，主要依靠人们亲自到耕地现场监测作物的生长状况。但是，自从采用了传感器和ZigBee网络，农业即将逐渐地面向信息化和智能化的方向发展。这种生产模式，就是采用更多的自动化、网络化、智能化以及远程控制的设备进行耕种。通过传感器能够收集到土壤的湿度、氮浓度、pH值、降水量、温度、空气湿度及气压等。这些信息将通过ZigBee网络传送给中心控制器，农民可通过监控设备对处于不同位置的传感器数据进行分析，分析后可对不同的地区采取对应措施。这样就可以提早发现问题并解决问题，从而有助于提高农作物的质量和产量。（3）医疗护理，采用ZigBee无线通信网络和传感器，能够准确而实时地监测病人的信息，如血压、体温和心率等信息。传感器用来采集病人的信息，91 通过ZigBee网络将数据传送给监控设备。这样很大程度上减少了医生护士一个个查房的工作负担，而且这样节省了很多时间。医生通过监控设备可以快速的反应并想出对策，尤其是对重病和病危患者来说十分重要。用于人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。例一个可以成像的特殊发送器芯片与精巧设计的超低功率无线技术结合，就可以实现可用于一个胃肠道诊断的微型吞服摄像胶囊。患者吞下维C片大小的成像胶囊后，胶囊经过食道、胃和小肠时就可将图象广播出来。胶囊由一个摄象机、LED、电池、特制芯片和天线组成。91 第2章无线传感器网络无线传感器网络(WSN)是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。智能传感器将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有滤波和信息处理能力，无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本，无线传感器网络则将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机结合体，实现物与物的互联，把感知触角深入世界各个角落。2.1无线传感器网络的关键技术无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，有非常多的关键技术有待发现和研究。而功耗和安全问题对于无线传感器网络来说，是两个最重要的性能指标，所以WSN的关键技术必然以降低网络功耗和确保网络安全为主线。下面介绍网络拓扑控制、数据融合等部分关键技术。2.1.1网络拓扑控制对于自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。所以，拓扑控制是WSN研究的核心技术之一。WSN拓扑控制目前主要研究的问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构。拓扑控制分为节点功率控制和层次型拓扑结构控制两个方面。功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，减少节点的发送功率，均衡节点单跳可达的邻居数目，91 目前已经提出了以邻居节点度为参考依据的算法，以及利用邻近图思想生成拓扑结构的DRNG和DLSS算法。层次型的拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头，由簇头形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量。 2.1.2数据融合在无线传感器网络中，节点传感器采集数据并将它发送到网络终端。但是在数据的采集和传输过程中，总要对采集的数据进行处理，因此存在如何对采集的数据进行处理、融合的问题。如果完全在本地节点上处理采集的数据而只发送处理后的结果，可以降低传输数据的功耗，但增加了本地节点处理器的功耗，如果传输原始采集的数据，可以降低节点处理器的功耗但增加了节点传输数据的功耗。因此，如何对采集的数据进行处理与融合对降低节点能耗起到相当大的作用。通常网络中的传感器数量很多，传感器采集的数据具有一定的冗余度，因此将多个节点采集的数据相互结合起来进行处理可以降低整个网络数据的传输量，有效降低系统功耗，问题是如何寻找本地节点处理与节点联合处理的平衡点。2.1.3定位技术位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的监测消息通常毫无意义。为了提供有效位置信息，随机部署的传感器节点必须能够在布置后确定自身位置。由于传感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求。现有的WSN定位算法根据定位机制的不同，可以分为基于测距的方法与不基于测距的方法两类。基于测距的定位机制利用到达时间延迟、信号到达时差和接收信号强度来估计距离或来波方向，然后使用三边测量法或最大似然估计等计算未知节点的位置。而不基于测距的定位机制无需距离或角度信息，或者不用直接测量这些信息，91 仅根据网络的连通性等信息实现节点的定位。距离无关的定位机制的定位性受环境因素的影响小，虽然定位误差相应有所增加，但定位精度能够满足多数传感器网络应用的需求，是目前大家重点关注的定位机制。2.1.4无线通信技术传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术。IEEE802.15.4标准是针对低速无线个人域网络的无线通信标准，把低功耗、低成本作为设计的主要目标。由于IEEE802.15.4标准的网络特征与无线传感器网络存在很多相似之处，故很多研究机构把它作为无线传感器网络的无线通信平台。另外，超宽带无线通信以其高速率、低功耗、抗多径、低成本等诸多优势，已成为室内短距离无线网络的首选方案，这为WSN的数据传输开辟了一种崭新的方案。2.1.5时间同步传感器网络中由于节能策略,节点在大部分时间是休眠的,所以要求解决通信同步问题,即通信节点双方需要在通信时同时唤醒。另外,传感器网络是一个分布式网络,所有节点在通信上地位对等,没有优先级可言。所以要让整个网络能够工作在有效状态,往往需要做到全网或者一定范围内所有节点的同步,而不是通信双方的简单同步。2.2传感器的节点结构91 无线传感器由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块这四部分组成。其中，传感器模块（传感器和模数转换器）负责监测区域内信息的采集和数据转换处理器模块（CPU、存储器、嵌入式操作系统等）负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据无线通信模块，网络、MAC、收发器，负责与其他传感器节点进行无线通信能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。除了这四个模块外，传感器节点还可以包括其他辅助单元，如移动系统、定位系统和自供电系统等。由于传感器节点采用电池供电，因此尽量采用低功耗器件，以获得更高的电源效率。由于传感器节点采用电池供电，一旦电能耗尽，节点就失去了工作能力。为了最大限度的节约电能，在硬件设计方面要尽量的采用低功耗器件，在没有通信任务的时候，切断射频部分电源在软件设计方面，各通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲一些其他的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。2.3WSN组网模式组网模式,在确定采用无线传感器网络技术进行应用系统设计后，首先面临的问题是采用何种组网模式。是否有基础设施支持，是否有移动终端参与，汇报频度与延迟等应用需求直接决定了组网模式。(1)扁平组网模式所有节点的角色相同，通过相互协作完成数据的交流和汇聚。最经典的定向扩散路由(DirectDiffusion)研究的就是这种网络结构。 (2)基于分簇的层次型组网模式节点分为普通传感节点和用于数据汇聚的簇头节点，传感节点将数据先发送到簇头节点，然后由簇头节点汇聚到后台。簇头节点需要完成更多的工作、消耗更多的能量。如果使用相同的节点实现分簇，则要按需更换簇头，避免簇头节点因为过渡消耗能量而死亡。(3)网状网(Mesh)模式91 Mesh模式在传感器节点形成的网络上增加一层固定无线网络，用来收集传感节点数据，另一方面实现节点之间的信息通信，以及网内融合处理。AkyildizLF等总结了无线Mesh网络的应用模式。(4)移动汇聚模式移动汇聚模式是指使用移动终端收集目标区域的传感数据，并转发到后端服务器。移动汇聚可以提高网络的容量，但数据的传递延迟与移动汇聚节点的轨迹相关。如何控制移动终端轨迹和速率是该模式研究的重要目标。Kim等提出的SEAD分发协议就是针对这种组网模式。BiY等研究了多种Sink的移动汇聚模式，还有其他类型的网络。如当传感节点全部为移动节点，通过与固定的Mesh网络进行数据通信(移动产生的通信机会)，可形成目前另一个研究热点，即机会通信模式。2.4拓扑控制组网模式决定了网络的总体拓扑结构，但为了实现WSN网络的低能耗运行，还需要对节点连接关系的时变规律进行细粒度控制。目前主要的拓扑控制技术分为时间控制、空间控制和逻辑控制3种。时间控制通过控制每个节点睡眠、工作的占空比，节点间睡眠起始时间的调度，让节点交替工作，网络拓扑在有限的拓扑结构间切换空间控制通过控制节点发送功率改变节点的连通区域，使网络呈现不同的连通形态，从而获得控制能耗、提高网络容量的效果逻辑控制则是通过邻居表将不“理想的”节点排除在外，从而形成更稳固、可靠和强健的拓扑。WSN技术中，拓扑控制的目的在于实现网络的连通(实时连通或者机会连通)的同时保证信息的能量高效、可靠的传输。 (1)媒体访问控制和链路控制媒体访问控制(MAC)和链路控制解决无线网络中普遍存在的冲突和丢失问题，根据网络中数据流状态控制临近节点，乃至网络中所有节点的信道访问方式和顺序，达到高效利用网络容量，91 减低能耗的目的。要实现拓扑控制中的时间和空间控制，WSN的MAC层需要配合完成睡眠机制、时分信道分配和空分复用等功能。YeW等提出了WSN最经典的基于睡眠的MAC协议——S-MACAhnG-S等研究了在最后两跳内采用时分复用方式缓解由最后两跳冲突引入的“漏斗”效应RajendranV等研究了WSN中无竞争访问的高能效方法ZhaiH和KimY等则研究了基于多射频、多信道的MAC协议。MAC控制是WSN最为活跃的研究热点因为MAC层的运行效率直接反应整个网络的能量效率。复杂环境的短距离无线链路特性与长距离完全不同短距离无线射频在其覆盖范围内的过渡临界区宽度与通信距离的比例要大得多因而更多链路呈现复杂的不稳定特性。GanesonD等ZhaoJ等通过大量的实验验证了过渡区的存在ZunigaM等分析了过渡区的成因。复杂的链路特征需要在MAC控制中更充分地考虑链路特性ZhuH等研究了适应链路特性的多链路MAC控制机制。链路特征同时也是在数据转发和汇聚中需要考虑的重要因素。 (2)路由、数据转发及跨层设计WSN网络中的数据流向与Internet相反在Internet网络中终端设备主要从网络上获取信息而在WSN网络中终端设备是向网络提供信息。因此WSN网络层协议设计有自己的独特要求。由于在WSN网络中对能量效率的苛刻要求研究人员通常利用MAC层的跨层服务信息来进行转发节点、数据流向的选择。另外网络在任务发布过程中一般要将任务信息传送给所有的节点因此设计能量高效的数据分发协议也是在网络层研究的重点。网络编码技术也是提高网络数据转发效率的一项技术。在分布式存储网络架构中一份数据往往有不同的代理对其感兴趣网络编码技术通过有效减少网络中数据包的转发次数来提高网络容量和效率。 (3)QoS保障和可靠性设计91 QoS保障和可靠性设计技术是传感器网络走向可用的关键技术之一。QoS保障技术包括通信层控制和服务层控制。传感器网络大量的节点如果没有质量控制将很难完成实时监测环境变化的任务。可靠性设计技术目的则是保证节点和网络在恶劣工作条件下长时间工作。节点计算和通信模块的失效直接导致节点脱离网络而传感模块的失效则可能导致数据出现岐变造成网络的误警。如何通过数据检测失效节点也是关键研究内容之一。 (4)移动控制模型随着WSN组织结构从固定模式向半移动乃至全移动转换节点的移动控制模型变得越来越重要。LuoJ等指出当汇聚节点沿着网络边缘移动收集可以最大限度地提高网络生命周期BiY等提出了多种汇聚点移动策略根据每轮数据汇聚情况估计下一轮能够最大延长网络生命期的汇聚点位置。ButlerZ等针对事件发生频度自适应移动节点的位置使感知节点更多地聚集在使事件经常发生的地方从而分担事件汇报任务延长网络寿命。 2.5MAC协议的分类无线信道的合理共享，介质访问控制，MAC，协议的设计是无线传感器关键技术之一，MAC协议的性能直接影响到整个网络的性能，从不同的角度入手，对MAC协议进行分类的方法有很多种，可以根据MAC协议使用的信道数目分为基于单信道、基于双信道和基于多信道三类可以根据MAC协议分配信道的方式分为竞争型、分配型以及混合型可以根据网络类型是同步网络还是异步网络，将MAC协议分为同步、异步两类。 2.5.1竞争型MAC协议 (1)S-MACS-MAC(SensorMAC)是同步的，基于RTSCTS的MAC协议。采用周期性休眠的机制。节点苏醒后侦听信道，判断是否要接收或者发送数据。每个节点独立调度其工作状态，具有相同调度的节点形成一个虚拟簇，边界节点记录两个或者多个虚拟簇。每个节点定期广播自己的调度，使簇内的节点保持同步。节点在睡眠周期中关闭无线电。这种周期性休眠的机制，91 减少了节点的空闲侦听。图2.2描述了S-MAC的工作机制。 冲突避免方面S-MAC延续了IEEE80211的虚拟和物理载波侦听机制以及RTSCTS握手机制。传输包中包含剩余传输时间。邻居节点可以据此计算NAV，得知自己需要休眠的时间。在无线传感器网络中，串音会造成巨大的浪费，在节点密度高。通信负载重的时候，这种现象尤为突出。S-MAC协议采用让非目的地址接收到RTS或者CTS后转入睡眠状态的机制来避免串音。通常数据帧比控制帧长很多，因此这种方法可以避免非目的节点收听到长数据帧以及其后的确认帧。S-MAC协议。具有良好的扩展性。不要求严格的时间同步，但是节点活动时间无法根据负载动态变化，不能有效的节能能量。另外，节点休眠还会引起数据的延迟。这个延迟与跳教成比例。(2)T-MACT-MAC是在S-MAC协议上改进的同步协议。协议中定义了五种事件和一个记时器TA。根据TA确定侦听工作阶段的结束时间。五种事件分别是：1、周期性帧计时器溢出，即帧长度超时2、节点接收到数据3、侦听到通信4、节点数据或确认发送成功5、邻居节点数据交换完毕如果在TA时间内没有发生任一激活事件。则节点认为信道空闲，91 节点进入睡眠状态。T-MAC协议节点周期性的短时间侦听信道以确定信道空闲状态。节点发送数据时，帧前加入唤醒前导。使得接收节点在数据部分发送前进人接收状态。每一帧中活跃时间可根据网络流量动态调整，增加了睡眠时间，减少了空闲侦听。但带来早睡问题，增加了延时。所谓早睡问题是指在多个传感器节点向一个或少数几个汇聚节点发送数据时。由于节点在当前TA没有收到激活事件，过早进入睡眠。没有监测到接下来的数据包，导致网络延迟。为此T-MAC提供两种解决方案未来请求发送(FRTS)策略和满缓冲区优先(FBP)策略。FRTS可以提高数据吞吐率。但DS分组和FRTS分组的引入，带来额外的通信开销FBP方法减少了早睡问题发生的可能性，具有一定的流量控制作用。但是增加了网络冲突的概率。(3)WiseMACWiseMAC协议是非同步的基于Aloha的协议。发送方能了解接收方的周期调度，从而动态调整前导长度。接收节点在数据确认报文中捎带下次信道侦听时间，使节点了解每个邻居节点周期调度。下次发送方要发送数据时，可以在稍微提前于接收方醒来时间时发送，从而缩短了唤醒前导的长度，减少了发送唤醒前导的能量。WiseMAC用重复的数据帧代替唤醒前导。从而减少了通信负载。为减少固定前导冲突概率，采用随机唤醒前导。WiseMAC能很好的适应网络流量的变化，但是由于节点要存储邻居节点的信道侦听时间，造成存储开销较大，这种现象在当网络密度大时尤为突出。 2.5.2非竞争的MAC协议基于非竞争的MAC协议可以分为多种基于频分复用，FDMA，的协议、基于时分复用（TDMA）的协议以及基于码分复用（CDMA）的协议等。 (1)基于FDMA的协议基于FDMA的协议将总频段划分为许多等间隔的信道。供多个节点使用，91 这些信道互不交叠，信道间有保护带。基于FDMA的协议易于和模拟系统兼容，但是通信质量和保密性都比较差。(2)基于TDMA的协议时分复用，TDMA，技术是为每个节点分配独立的用于数据发送或接收的时隙，节点在其他时隙转人空闲状态。相比于竞争机制，TDMA机制无碰撞重传问题，也无需过多控制信息，是实现无线传感器网络较为理想的技术。使用TDMA技术，要求节点之间严格的时间同步，很多研究针对这个问题提出许多基于TDMA的传感器网络的MAC协议。下面介绍几个典型协议。通信量自适应介质访问，TrafficAdaptiveMediumAccess，TRAMA，协议，将时间分成时隙，根据局部两跳之内的邻居信道，用基于各节点流量信息的分布式选举算法来决定节点的传输时隙，从而减少冲突和空闲侦听。TRAMA协议将时间划分为交替的随机访问周期和调度访问周期。随机访问周期通过基于竞争的信道获得两条拓扑信息。根据应用层传来的信息，MAC层计算需要的传输时间。TRAMA协议需要存储两跳内的邻居调度信息和拓扑信息，需要较大的存储空间。时钟同步存在一定通信开销，随机和调度访同交替进行增加端到端延时，协议对节点存储空间和计算能力要求很高，实现难度大。TRAMA协议适用于周期性数据采集和监测等WSN应用。采用数据采集树结构的MAC协议(DataGatheringTree，DMAC)是针对竞争性MAC协议中的S-MAC和T-MAC协议的数据转发中断问题而提出的。从传感器感知节点到汇聚节点形成一棵汇聚树，树中数据流是单向的。该协议用汇聚树描述网络结构。摆动唤醒机制负责调整树中节点的工作周期，从而减少消息在网络中的传输延迟。 (3)基于CDMA的协议91 CDMA是一种使用编码技术实现信道共享的通信技术。CDMA是利用相互正交的编码采实现频率、时间和空间上的叠加。在无线传感器网络中，要想实现CDMA技术就是要为每个传感嚣节点分配相互正交的地址码，这样多个节点同时传输消息，也不会有碰撞冲突发生。从而解决了信道冲突问题。基于CDMA的协议，允许多个节点同时通信，增加了网络吞吐量，减少了消息的传输延迟，不需要严格的时间同步，能够适应网络拓扑结构的变化。具有良好的扩展性，减少了控制信息的额外开销。但是节点需要复杂的CDMA的编解码和两套独立的收发器件，要求传感器节点有较高的计算能力，大大提高了传感器节点的硬件成本。2.5.3混合型MAC协议，(1)Z-MAC协议Z-MAC是一种CSMATDMA混合MAC协议。在低流量条件下使用CSMA信道访同方式，提高信道利用率并降低延时，在高流量条件下使用TDMA信道方式，减少冲突和串音。Z-MAC中节点有两种模式LCL（1owcontentionlevel）和HCL(highcontentionlevel)，节点收到ECN(ExplicitContentionNotification)就会进入HCL[7]模式，否则就处于LCL模式。在LCL模式下，任何节点都可以竞争任何时隙，在HCL模式下。只有时隙的拥有者和其一跳邻居才可以竞争。两种模式中，时隙拥有者优先级更高。当时隙没有拥有者或者拥有者不发送数据时，其邻居节点以CSMA方式竞争信道，获胜者占用该时隙，Z-MAC使得在低竞争的情况下取得高的信道利用率。Z-MAC使用检测信道噪声级别的方法检测两跳邻居的竞争情况，当节点检测到高竞争，就发送ECN，防止两跳邻居节点造成隐藏终端问题。Z-MAC中节点只在邻近的发送者之间同步，而且这些发送者处在高竞争状态下，时钟同步的开销被限制在发送者的邻居关系内，|司步的频率就会根据发送者的速率调整，91 只需接收者的时钟被动地同步发送者的时钟。不需要发送任何同步的消息。Z-MAC协议中，节点可以在任何时隙都可以发送数据，信道利用率得到了提高，其缺点是在网络开始的时候，会花费大量的开销来初始化网络，造成网络能最的大量消耗，DRAND会引起串音问题。(2)Funneling-MAC协议Funneling-MAC协议是一种CSMA/CA和TDMA混合的MAC协议。在无线传感器网络中多跳聚播通信方式造成漏斗效应，使得Sink节点附近易冲突，拥塞和丢失分组，能量消耗大。Funneling-MAC协议在全网范围内采用CSMA/CA，漏斗区域节点f-节点，则采用CSMA和TDMA混合的信道访问方式，因此，f-节点有更多的机会基于调度访问信道。Sink节点周期广播信标，接收到信标的节点认为自己处于漏斗区域，成为f-节点，Sink节点通过控制信标的广播功率调节楼顶区域的范围。f-节点通过触发TDMA和界定漏斗区域的信标同步。f-节点使用CSMA和TDMA帧交替访问信道，一个CSMA帧和TDMA帧合成为一个超帧，TDMA帧包含多个时隙，用于f-节点根据调度转发数据，CSMA帧用以发送f-节点产生的数据以及路由和其他控制信息。Funneling-MAC以CSMA为主，对时钟同步要求不高，但协议中时隙分配算法只提供松散的TDMA调度，无法消除隐藏终端问题。 91 第3章系统设计方案3.1设计流程本系统主要由无线数据采集、数据处理和报警三部分组成。现在很多小区都安装了智能报警系统,因而大大提高了小区的安全程度,有效保证了居民的人身财产安全。由于红外线是不可见光,有很强的隐蔽性和保密性,因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外,在电子防盗、人体探测等领域中,被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。我们把它应用在家庭防盗系统，把传感器按放在阳台上，它的最大优点就是可以移动，解决了有线系统的局限性，该系统主要有热释电红外传感器及相应的电路组成，假如有人进入房间时，热释电红外传感器就会探测到，就会有一个触发信号，触发信号经过无线传感网络将信号输入单片机进行数据处理后，给报警器一个信号，报警器一响就可以知道有陌生人进入房间，可以对事件处理。在无线传感器网络中主要应用的zigbee技术，ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。Zigbee技术的起源与蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前Zigbee也被称为“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“firefly”无线电技术，目前统称为Zigbee，简单的说，Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。Zigbee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，91 在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，Zigbee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbee“基站”却不到1000元人民币。每个Zigbee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个Zigbee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。ZigBee是一种无线连接可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术ZigBee具有如下特点：(1)低功耗:由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。(2)成本低ZigBee模块的初始成本在6美元左右估计很快就能降到1.5—2.5美元,并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。(3)时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。(4)网络容量大一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活。(5)可靠:采取了碰撞避免策略91 同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。(6)安全:ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。详细的原理结构图原理如下 图3.1详细的原理框图在信息的发端和收端主要用zigbeeZigBee传感器节点是信息采集的基本单位。传感器收集环境信号和原始信号将信号交给处理模块处理。然后将处理后的信号上传到ZigBee模块。ZigBee模块将信息发送到机器人节点。因此该节点应该有三种能力，感知能力计算能力和无线通信能力。系统由两节电池和稳压器模块来提供电力。传感器节点通常使用温度湿度烟雾气体红外探测传感器节点来实现信息采集。在设计过程中我们选择CC2430作为ZigBee的芯片。作为硬件的CPUCC2430集成RF收发器和128K的内存并在CC2430的典型应用[6]中需要很少的外部元件的核心芯片。它还包括A/D转换定时器AES128协同处理器看门狗定时器32K晶振的休眠模式定时器电源上电复位91 欠压检测和21个I/O。RF收发器包括核心芯片和天线并且支持IEEE802.15.4协议。在CC2430的21个I/0端口中P0端口可以设置为ADC端口。这21个I/O端口可作为SPI端口GPIO等等。除了这些机器人节点传感器节点也具有相同的基本结构。这些端口被分配到传感器和外围设备。CC2430是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用及对低成本低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHzDSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430的设计结合了8Kbyte的RAM及强大的外围模块并且有3种不同的版本他们是根据不同的闪存空间3264和128kByte来优化复杂度与成本的组合。 如上图所示，在无线传感器一块，传感器到发射模块，传感器有3个拐脚，分别是电源正、负拐脚以及数据拐脚，将传感器的数据拐脚接在cc2430芯片的P1.0到P1.7的任意一个拐脚，具体在程序上设定，确定那一个端子连接数据拐脚，电源的负极接在如上图的41引脚，91 电源的正极接在上图的47引脚，在给cc2430中下载信息的采集及发送程序就可以了，在接收端用232串口线与单片机开发板相连，在给cc2430中下载接收程序能够使信息传递到单片机的开发板。3.2设计的原则本系统采用新型的无线传感器节点，由控制中心信息进行分析判别，通过分频器报警，构思新颖，方案组织合理，无线传感器网络方面技术成熟，实验室的设备齐全，经过较长时间对原理方案的论证，现原理已成熟，因而有较高的可行性。1系统安全性，安全性需求是人们最根本的要求，如果人们的安全都无法保证，那家居的智能化也就无从谈起。因此，安全是最重要的。2，系统功能个性化社会的不断发展，人们开始追求个性化的设计。所以，我们应该根据个人的爱好、习惯及住宅环境设计个人独特的智能化家居。也应该考虑到家庭中的人员年龄层次，不同的年龄设计不同的智能化家居的风格。3，兼容性和可扩展性在设计时，一定要考虑到网络的扩展及修改这些因素。所以设计过程中，要对系统网络预留足够的拓展空间。由于家居内的因素不断变化，所以不应一次性将系统固定，导致无法改变。4，系统运行的稳定性，设计智能家居的目的是让人们生活在安全、舒适、便捷的生活环境中。当系统频繁的出现出错状态时，导致人们的生活变得更加麻烦，这样就起了反效果。所以，应该保证系统能够稳定的运行。3.3WSN在本系统的应用无线传感器网络（wirelesssensornetwork,WSN）系统是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，就是由部署在检测区域内大量的廉价卫星传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，91 并发送给观察者。在本系统中通过热释电红外传感器感测信号，在通过WSN将信息输入单片机进行数据处理后，使分频器响起，就可以达到目的。3.4WSN的核心技术(1)WSN网络的时间同步技术时间同步技术是完成实时信息采集的基本要求，也是提高定位精度的关键手段。常用方法是通过时间同步协议完成节点间的对时，通过滤波技术抑制时钟噪声和漂移。最近，利用耦合振荡器的同步技术实现网络无状态自然同步方法也倍受关注，这是一种高效的、可无限扩展的时间同步新技术。(2)基于WSN的自定位和目标定位技术定位跟踪技术包括节点自定位和网络区域内的目标定位跟踪。节点自定位是指确定网络中节点自身位置，这是随机部署组网的基本要求。GPS技术是室外惯常采用的自定位手段，但一方面成本较高，另一方面在有遮挡的地区会失效。传感器网络更多采用混合定位方法手动部署少量的锚节点(携带GPS模块)，其他节点根据拓扑和距离关系进行间接位置估计。目标定位跟踪通过网络中节点之间的配合完成对网络区域中特定目标的定位和跟踪，一般建立在节点自定位的基础上。 (3)分布式数据管理和信息融合分布式动态实时数据管理是以数据中心为特征的WSN网络的重要技术之一。该技术通过部署或者指定一些节点为代理节点，代理节点根据监测任务收集兴趣数据。监测任务通过分布式数据库的查询语言下达给目标区域的节点。在整个体系中，WSN网络被当作分布式数据库独立存在，实现对客观物理世界的实时和动态的监测。信息融合技术是指节点根据类型、采集时间、地点、重要程度等信息标度，通过聚类技术将收集到的数据进行本地的融合和压缩，一方面排除信息冗余，减小网络通信开销，节省能量，91 另一方面可以通过贝叶斯推理技术实现本地的智能决策。(4)WSN的安全技术安全通信和认证技术在军事和金融等敏感信息传递应用中有直接需求。传感器网络由于部署环境和传播介质的开放性，很容易受到各种攻击。但受无线传感器网络资源限制，直接应用安全通信、完整性认证、数据新鲜性、广播认证等现有算法存在实现的困难。鉴于此，研究人员一方面探讨在不同组网形式、网络协议设计中可能遭到的各种攻击形式，另一方面设计安全强度可控的简化算法和精巧协议，满足传感器网络的现实需求。(5)精细控制、深度嵌入的操作系统技术作为深度嵌入的网络系统，WSN网络对操作系统也有特别的要求，既要能够完成基本体系结构支持的各项功能，又不能过于复杂。从目前发展状况来看，TinyOS是最成功的WSN专用操作系统。但随着芯片低功耗设计技术和能量工程技术水平的提高，更复杂的嵌入式操作系统，如Vxworks、Uclinux和Ucos等，也可能被WSN网络所采用。(6)能量工程能量工程包括能量的获取和存储两方面。能量获取主要指将自然环境的能量转换成节点可以利用的电能，如太阳能，振动能量、地热、风能等。2007年在无线能量传递方面有了新的研究成果，通过磁场的共振传递技术将使远程能量传递。这项技术将对WSN技术的成熟和发展带来革命性的影响。在能量存储技术方面，高容量电池技术是延长节点寿命，全面提高节点能力的关键性技术。纳米电池技术是目前最有希望的技术之一。91 第4章详细设计4.1数据处理模块在数据处理模块，我们使用单片机进行数据的处理，数据处理单元作为系统的核心部分之一，本系统采用美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位微控制器，由AT89S52担任的主控制器构成了系统的主控模块，它用于设计的硬件实现，并控制报警系统和换气装置能否正常工作。其数据处理过程如下RS232相连有 在数据处理的过程中，单片机开发板初始化后，单片机的时钟在不断的进行扫描，在检测到有信号输入时，单片机内烧进去的程序就会自动判断，并且就会给报警器输出一个TTL信号，报警器在5V电压的驱动下就会发出报警声音，户主就会感知到。1974年12月，美国仙童（Fairchild）公司推出了世界上第一台8位单片机F8。单片机的发展过程分为以下几个发展阶段。 第一代单片机（1974—1976年）单片机发展的起步阶段。集成度也较低，并且采用了双片形式。代表产品有Fairchild公司的F8和Mostek公司的3870等。第二代单片机（1976—1978年）这是单片机的发展阶段。最典型的产品有Intel公司的MCS-48系列单片机。第三代单片机（1979一1982年）91 这是8位单片机的成熟阶段。代表产品有Intel公司的MCS-51系列机、Motorola公司的MC6801系列机、Zilog公司的Z8系列机等。第四代单片机（1983年以后）1983年以后是16位单片机和8位高性能单片机并行发展的时代。目前单片机正朝着高速度、高性能和多品种方向发展单片机的发展趋势具体体现在以下四个方面(1)4位、8位、16位、32位单片机共存并各有自己的生存空间。(2)CPU功能不断增强、运行不断速度提高。(3)内部资源增多增加存储器容量、片内外设如AD、DA、LEDLCD驱动、DMA、PWM、WDT。(4)引脚的多功能化(5)低电压和低功耗(6)结合ASIC和RISC技术使单片机的应用范围进一步扩大。AT89S52单片机是一种低功耗高性能的CMOS8位微控制器内置8KB可在线编程闪存。 该器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产其指令与工业标准的80C51指令集兼容。片内程序存储器允许重复在线编程允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或用通用的非易失性存储器改写。通过把通用的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上AT89S52便成为一个高效的微型计算机。AT89S52具有以下标准功能8k字节Flash256字节RAM32位I/O口线看门狗定时器2个数据指针三个16位定时器/计数器一个6向量2级中断结构全双工串行口片内晶振及时钟电路。另外AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下CPU停止工作允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下RAM内容被保存振荡器被冻结单片机一切工作停止直到下一个中断或硬件复位为止。它的应用范围广可用于解决复杂的控制问题91 且成本较低。其内部结构图如图4.2示。AT89S52的主要特性如下：兼容MCS51产品8K字节可擦写1000次的在线可编程ISP闪存4.0V到5.5V的工作电源范围兰州大学毕业设计全静态工作，0Hz，24MHz3级程序存储器加密256字节内部RAM32条可编程I/O线3个16位定时器/计数器8个中断源UART串行通道低功耗空闲方式和掉电方式通过中断终止掉电方式看门狗定时器双数据指针灵活的在线编程字节和页模式91 按照功能91 AT89S52的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等。 (1)多功能I/O口AT89S52共有四个8位的并行I/O口P0、P1、P2、P3端口对应的引脚分别是P0.0--P0.7P1.0--P1.7P2.0--P2.7P3.0--P3.7共32根I/O线。每根线可以单独用作输入或输出。①P0端口该口是一个8位漏极开路的双向I/O口。在作为输出口时每根引脚可以带动8个TTL输入负载。当把“1”写入P0时则它的引脚可用作高阻抗输入。当对外部程序或数据存储器进行存取时P0可用作多路复用的低字节地址/数据总线在该模式P0口拥有内部上拉电阻。在对Flash存储器进行编程时P0用于接收代码字节在校验时则输出代码字节此时需要外加上拉电阻。②P1端口该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口P1口的输出缓冲器可驱动吸收或输出电流方式4个TTL输入。对端口写“1”时通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位此时可用作输入口。P1口作输入口使用时因为有内部的上拉电阻那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在对Flash编程和程序校验时P1口接收低8位地址。另外P1.0与P1.1可以配置成定时/计数器2的外部计数输入端（P1.0/T2）与定时/计数器2的触发输入端（P1.0/T2EX），如表4-1所示。 ③P2端口该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口91 P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位此时可用作输入口。P2口作输入口使用时因为有内部的上拉电阻那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位的外部数据存储器（如执行MOVX@DPTR指令）时P2口送出高8位地址在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时P2口引脚上的内容（就是专用寄存器(SFR)区中P2寄存器的内容）,在整个访问期间不会改变。在对Flash编程和程序校验期间,P2口也接收高位地址或一些控制信号。④P3端口该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口P3口的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。对端口写“1”时通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位此时可用作输入口。P3口作输入口使用时因为有内部的上拉电阻那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在AT89S52中同样P3口还用于一些复用功能如表4-2所列。在对Flash编程和程序校验期间P3口还接收一些控制信号。RST复位输入端。在振荡器运行时在此脚上出现两个机器周期的高电平将使其单片机复位。看门狗定时器，Watchdog，溢出后该引脚会保持98个振荡周期的高电平。在SFRAUXR(地址8EH)寄存器中的DISRTO位可以用于屏蔽这种功能。DISRTO位的默认状态是复位高电平输出功能使能。91 ALE/地址锁存允许信号。在存取外部存储器时这个输出信号用于锁存低字节地址。在对Flash存储器编程时这条引脚用于输入编程脉冲PROG。一般情况下ALE是振荡器频率的6分频信号可用于外部定时或时钟。但是在对外部数据存储器每次存取中会跳过一个ALE脉冲。在需要时可以把地址8EH中的SFR寄存器的0位置为“1”从而屏蔽ALE的工作而只有在MOVX或MOVC指令执行时ALE才被激活。在单片机处于外部执行方式时对ALE屏蔽位置“1”并不起作用。程序存储器允许信号。它用于读外部程序存储器。当AT89S52在执行来自外部存储器的指令时每一个机器周期PSEN被激活2次。在对外部数据存储器的每次存取中PSEN的2次激活会被跳过。/Vpp外部存取允许信号。为了确保单片机从地址为0000HFFFFH的外部程序存储器中读取代码故要把EA接到GND端即地端。但是如果锁定位1被编程则EA在复位时被锁存。当执行内部程序时EA应接到Vcc。在对Flash存储器编程时这条引脚接收12V编程电压Vpp。XTAL1振荡器的反相放大器输入内部时钟工作电路的输入。XTAL2振荡器的反相放大器输出。本系统采用AT89S52单片机作为系统的控制器件这是因为AT89S52是目前应用比较广泛的MCS-51系列兼容单片机作为主控制器。由于AT89S52单片机芯片内有时钟振荡电路因此本系统单片机采用内部时钟方式只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体和微调电容就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟信号脉冲信号，具体电路设计如图4.3所示。91 图4.4单片机系统硬件电路原理图图中电容C1、C2的作用的是稳定频率和快速起振，其值为5~30pF,在此选择30pF晶振X1的振荡频率范围在1.2~12MHz之间选择，本系统中选择12MHz。（2）电源电路：电源电路模块为系统板上的其他模块提供+5V电源。供电电源可由开关电源提供，即能满足。（3）时钟电路模块的设计：单片机的时钟信号用来为单片机芯片内部的各种操作提供时间基准。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，作为单片机工作的时间基准，典型的晶体振荡频率为12MHz。MCS-51系列单片的时钟信号可以由两种方式产生一种是内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路另一种方式为外部时钟方式。（4）复位电路模块设计：91 复位电路使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的状态。当在MCS-51系列单片的RST引脚处引入高电平并保持2个机器周期，单片机内部就执行复位操作。复位操作有两种基本形式一种是上电复位，另一位是按键复位。本系统采用按键复位方式。4.2电源电路在无线传感网的电源电路有两种供电方式，一种是用三节1.5V电池供电，一种是直接通过电源供电。当要使用第二种供电方式时，J8断开。TPS79533起了稳压的作用，它将4.5V或电源电压转换成系统需要的3.3V电压。在模块中，BT+为电池正极，BT-为电池负极，为指示电量是否正常设置了发光二级管，当电压正常时，发光二极管亮。利用片内ADC的功能，将采集的电压值作为判断电源是否是正常的，当发现电压降低时，就将重要数据及时备份，保护数据。4.3串口通信模块，在数据接收端有下面两种方法供选择，RS-232是在任何时候都常用的接口之一。它不仅已经被内置于每台PC而且已被内置于从微控制器到主机的多种类型的电脑和与它们连接的设备。RS-232的最平常得用处是连接到一个Modem其他拥有RS-232接口的设备包括打印机数据采集模块测试装置和控制回路。你也可以将RS-232用在任何类型得计算机之间的简单连接中。RS-232主要是处理两台设备之间的通信的距离限制为50到100f这决定于波特率和电缆类型。因为RS-232端口被广泛应用它的另一个用途是与一个把这个接口转换成另一种类型的适配器相连。例如一个简单的回路将一个RS-232端口转换成一个RS-485端口这个端口可以和多台设备相连并且可以使用更长的导线连线。RS-232连接使用非平衡导线。尽管一个非平衡的状态听起来像是一些应该避免的东西在这里它仅仅是指导线中信号的电气特性。在一条非平衡导线中信号电压加到一条导线上所有的信号电压都使用一个公共的接地线。这种类型的接口的另一个术语是单端。91 RS-232有几个优点，它是无处不在的。每一台PC机都有一个或更多的RS-232端口。更新的计算机现在支持其他诸如USB这样的串行接口但是RS-232可以做很多USB无法做的事情。在微控制器中接口芯片使得将一个5V串口转换成RS-232变得很容易。连接距离可以达到50到100ft。大多数的外设接口都不会用于太长的距离。USB连接最长可以达到16ftPC机的并口打印机接口与主机的距离可以达到10到15ft或者利用IEEE-1284B型驱动器可以达到30ft。但是RS-232可以使用更长的电缆。如果每一个RS-232端口与一个Modem相连你可以使用电话网在世界范围内发送数据。对于一个双向连接你只需要3条导线。一个并行连接一般需要8条数据线两条或者更多的控制信号线和几条接地线。所有的导线和更大的连接器使得价格累计起来就比较高了。(1)RS-232的缺点包括以下这些如果连接的另一头需要并行数据它不得不将这个串口数据转换成并行数据。但是利用一个UART这很容易实现。串口是如此的有用以至于寻找一个未用的串口可能会比较困难。PC机可以有多个串口但是一个系统可能无法为每一个串口分配一个唯一的中断请求信号。大多数的微控制器只有一个硬件串口。其中RS-232电平转换电路如图3.10所示。在一个连接中不能有超过2台以上的设备。指定的最大数据传输速率是每秒20000位。但是，很多接口芯片可以超过这个数值，尤其是在短程连接上。很长的连接需要一个不同的接口。双向RS-232通信的3个基本信号如下：91 TD：将数据从DCE传输到DCE也被称作TX和TXD。RD：将数据从DCE传输到DTE。也被称作RX和RXD。SG：信号地。也被称作GND和SGND。(2)电压RS-232的逻辑电平用正负电压表示，而不是只用5VTTL和CMOS逻辑的正电压信号表示。在一个RS-232的数据输出，TD，，一个逻辑0被定义为等于或者高于+5V，而一个逻辑1被定义为等于-5V或者比低于-5V。换言之，信号使用负逻辑，在这种逻辑中，负的电压为逻辑1。控制信号使用相同的电压，但是使用的是正逻辑。一个正的电压表示这项功能为开，而一个负的电压表示这个功能为关。RS-232接口芯片反向转换这些信号。在一个UART的输出引脚，一个逻辑1数据位或者一个关控制信号接近于5V，它在RS-232的接口产生一个负电压。一个逻辑0数据位或者一个开控制信号接近于0V，它在RS-232接口产生一个正电压。因为一个RS-232接收器可能位于一条长电线缆的末端，等到信号到达接收者的时候，它的电压可能已经削弱了或者加载了噪声信号。考虑到这种情况，在接受方最低要求的电压要比在驱动器处要低。一个比+3V高得多的输入在RD处是一个逻辑0，或者在一个控制输入处是一个开。一个比-3V要低得多的输入在RD处为一个逻辑1，或者在一个控制输入处为一个关。根据这个标准，在-3V和+3V之间的一个输入的逻辑电平没有定义。噪声容限，或者电压容限，是输出电压和输入电压的区别所在。RS-232的大电压波动导致一个比5VTTL逻辑宽得多的噪声容限。例如，即便一个RS-232驱动器的输出为最小的+5V，它也会在接受方削弱或者噪声峰值大到2V，并且仍旧是一个有效逻辑0。很多RS-232输出有更宽的电压波动±9V和12V是很平常的事情。这些都导致更宽的噪声容限。最大允许的电压波动是15V，91 尽管接受方必须不受任何损害地处理高达25V的电压。使用的另外两个与RS-232有关的术语是Mark和Space。Space是逻辑0，而Mark是逻辑1。这两个术语是多年以前机械记录仪二进制数据的，他们分别代表物理标记和空白。(3)计时限制TIA/EIA-232包括最小和最大计时规定。所有的RS-232接口芯片都符合这个规定。指定的旋转速度限制了接口的最大比特率。旋转率是当输出切换时电压变化的快慢的量度并且描述了一个输出的电压变化的瞬间速度。一个RS-232驱动器的旋转速度必须是每毫秒30V或者更少。限制旋转速度的好处是它通过事实上消除由于电压偏转引发的问题来改进信号质量电压偏移发生在传输有着快速上升和下降节拍的信号的长距离连线上。但是旋转速度也限制了一个连接的最大速度。在30V/us的速度下一个输出需要0.3us从+5V切换到-5V。RS-232的规定的最大波特率为20kbps这个速度转换成一个比特宽度为50us或者在允许的最快旋转速度下为166倍的切换时间。事实上因为UART在位的中间附近读取输入数据并且还因为大多数的时间参考时钟是非常准确的你可以安全的使用短到5到10倍的切换时间的位的宽度。考虑到这些有的接口芯片允许115kbps或者更高的波特率即使这违反了这个标准的建议。除了有一个最大的切换速度之外RS-232驱动器还必须符合最低标准以确保信号不在逻辑状态之间的未定义区域停留。对于控制信号和其他40bps和更低的信号信号线必须花费不超过1ms的时间在有效的逻辑1和逻辑0之间的。91 传送区域对于其他数据和时间信号这个限制是4%的位宽或者在20bps下为2us。信号的上升和下降次数也要尽可能的接近相等。(4)在5V逻辑和RS-232之间转换很多微控制器有异步串口但是它们的输出和输入使用5V逻辑而不是使用RS-232电压。将5V落连接到一个RS-232端口需要转换到RS-232电平和从RS-232电平转换到5V逻辑。利用5V逻辑我假定了TTL或者CMOS逻辑芯片使用的逻辑电平这些芯片是由一个单一的+5V电源供电信号电平以接地电平作为参考。对于TTL逻辑一个逻辑低输入不高于0.8V。一个逻辑高输出必须至少为2.4V而一个逻辑高输入必须至少为2V。利用这些逻辑电平一个接口可以有0.4V的噪声信号而不至于产生错误。这些逻辑电平应用在初期的标准的7400系列的TTL逻辑和他的派生系列包括74LS74F和74ALSTTL。较早的利用NMOS技术制造的微控制器也使用这些逻辑电平。大多数的CMOS芯片定义了不同的逻辑电平并且有更宽的噪声容限。一个逻辑低CMOS输出不高于0.1V而一个逻辑低输入可以高达20%的电源电压或者对于5V的电源输入可以达到1V。一个逻辑高输出至少为4.9V，而一个逻辑高输入必须至少达到电源电压的70%，或者对于5V电源输入而言达到3.5V。使用这样的逻辑电平的系列包括4000系列，74HC和74AC。有的CMOS芯片有TTL兼容输出。这使得他们可以直接和CMOS或者TTL逻辑项链。遵循这个惯例的芯片包括74HCT逻辑系列和大多数的微控制器。(5)zigbee模块的232与单片机开发板232直连，RS-232是在任何时候都常用的接口之一。它不仅已经被内置于每台PC，而且已被内置于从微控制器到主机的多种类型的电脑和与它们连接的设备。RS-232的最平常得用处是连接到一个Modem，91 其他拥有RS-232接口的设备包括打印机，数据采集模块，测试装置和控制回路。你也可以将RS-232用在任何类型得计算机之间的简单连接中，在无线传感器节点各单元中，核心单元为处理器单元以及射频单元。处理器单元决定了节点的数据处理能力，路由算法的运行速度以及无线传感器网络形式的复杂程度。而且不同处理器工作频率不同，在不同状态下消耗功率也不相同，因此不同处理器的选用也在一定程度上影响了节点的整体能耗和节点的工作寿命。射频单元的选择直接影响了无线通信使用的频段、节点间数据通信的收发速率以及节点的通信距离等。为了方便监测网络中数据传输的正常，需要串口来连接单片机AT89S52，获取节点内部的数据。单片机AT89S52连接串口到CC2430，必须加max232进行电平转换。设计中因为是sink节点故只需一路输入输出，VDD需要接电源并用C19接地。在从CC2430数据接受端，要将数据传输到单片机进行处理，之间要232串口线相连，用232串口线分别接在CC2430模块的9针口和如下图的9针口，并打开单片机开发板的串口通信开关。 (6)usb转232PL2303是Prolific公司生产的一种高度集成的RS232-USB接口转换器，可提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB功能接口便利联接的解决方案。91 该器件内置USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART，只需外接几只电容就可实现USB信号与RS232信号的转换，能够方便嵌入到手持设备。该器件作为USB，RS232双向转换器，一方面从主机接收USB数据并将其转换为RS232信息流格式发送给外设另一方面从RS232外设接收数据转换为USB数据格式传送回主机。这些工作全部由器件自动完成，开发者无需考虑固件设计。 通过利用USB块传输模式，利用庞大的数据缓冲器和自动流量控制，PL2303HX能够实现更高的吞吐量比传统的UART通用异步收发器，端口,高达115200bps的波特率可用于更高的性能使用。其电路图如上RS-232的优点：它是无处不在的。每一台PC机都有一个或更多的RS-232端口。更新的计算机现在支持其他诸如USB这样的串行接口，但是RS-232可以做很多USB无法做的事情。在微控制器中，接口芯片使得将一个5V串口转换成RS-232变得很容易。连接距离可以达到50到100ft。大多数的外设接口都不会用于太长的距离。USB连接最长可以达到16ft，PC机的并口打印机接口与主机的距离可以达到10到15ft，91 或者利用IEEE-1284B型驱动器可以达到30ft。但是RS-232可以使用更长的电缆。如果每一个RS-232端口与一个Modem相连，你可以使用电话网在世界范围内发送数据。对于一个双向连接，你只需要3条导线。一个并行连接一般需要8条数据线，两条或者更多的控制信号线，和几条接地线。所有的导线和更大的连接器使得价格累计起来就比较高了。在实际的使用中，一定要在电脑内装上相应的驱动，这样就可以找到他的端口号COM口，看清使用的那个端口，还要看电脑的操作系统。4.4ZigBee无线传感器网络的实现ZigBee无线传感器基于IEEE802.15.4技术标准和ZigBee网络协议而设计的无线数据传输网路，该网络由若干个ZigBee终端节点和一个中心节点构成一个星型网络，终端节点主要负责各个传感器模块的信息采集和传送。中心节点主要用于接收各个终端节点的上传数据并对其进行压缩处理后通过扩展接口传送至服务器端。传感器模块采用51单片机控制通过扩展串口与采集模块相连其主要负责接收和处理采集数据。该系统中传感器采用的是数字温度传感器DS18b20该传感器的精度高使用方便传感器的采集数据经串口ZigBee模块发送。由于扩展了2个串口可以根据实际需要方便、快捷地扩展其他类型的传感器模块。ZigBee模块。 传感器模块传感器模块传感器模块传感器模块图4.8ZigBee无线传感4.5器件的选择91 4.5.1红外传感器的原理热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目标其工作原理是利用热释电效应即在钛酸钡一类晶体的上、下表面设置电极在上表面覆以黑色膜若有红外线间歇地照射其表面温度上升△T其晶体内部的原子排列将产生变化引起自发极化电荷在上下电极之间产生电压△U。常用的热释电红外线光敏元件的材料有陶瓷氧化物和压电晶体如钛酸钡、钽酸锂、硫酸三甘肽及钛铅酸铅等。实质上热释电传感器是对温度敏感的传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成在元件两个表面做成电极。在环境温度有ΔT的变化时由于有热释电效应在两个电极上会产生电荷ΔQ即在两电极之间产生一微弱的电压ΔV。由于它的输出阻抗极高在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷ΔQ会被空气中的离子所结合而消失即当环境温度稳定不变时ΔT=0则传感器无输出。当人体进入检测区因人体温度与环境温度有差别产生ΔT则有ΔT输出若人体进入检测区后不动则温度没有变化传感器也没有输出了。所以这种传感器也称为人体运动传感器。由实验证明传感器不加光学透镜(也称菲涅尔透镜)其检测距离小于2m而加上光学透镜后其检测距离可增加到10m左右。热释电红外探测器，PassiveInfaredDetectorPIR，,即探测器本身不发射任何能量而只被动接收、探测来自环境的红外辐射。探测器安装后数秒钟就已适应环境并能对自然界中的白光信号具有抑制作用在无人或动物进入探测区域时现场的红外辐射稳定不变只是背景温度一旦有人体红外线辐射进来经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号。被动红外入侵探测器形成的警戒线一般可以达到数米至数十米。91 而热释电红外传感器是一种能检测人或某些动物发射的红外线,并将其转换成电信号的器件。它的工作原理是基于热释电效应所谓热释电效应就是当一些晶体受热时在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷的电极化现象。同时我们知道任何高于绝对温度-273度的物体都将产生红外光谱不同温度的物体其释放的红外能量是不一样的因此红外波长与温度的高低是相关的。而人体一般在37度红外辐射也最为稳定所以会发出特定波长为10微米um左右的红外线这正好落在探测范围8~12um内。本设计采用型号KP500B双源式热释电红外探测器其参数如表4-3所示。 91 图4.9传感器探测原理由于双元式探头采用互补技术，静态情况下不会产生电信号输出。动态情况下，人体经过探头先后被A元或被B元感应，双源失去互补平衡作用而产生信号输出。当人对着探头呈垂直状态运动，不产生差值，双源很难产生信号输出。因此，探测器安装的位置与人行走方向呈平行为宜，如上图所示。菲涅尔镜片为了增强监测的能力，为传感器加上了菲涅尔透镜。菲涅尔透镜作用有两个一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在传感器上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。从外观上看，菲涅尔镜片表面刻录了一圈圈由小到大，向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿。圆环线多而密，感应角度大，焦距远圆环线刻录的深，感应距离远，焦距近。红外光线越是靠进同心环，光线越集中，而且越强。同一行的数个同心环组成一个垂直感应区，同心环之间组成一个水平感应段。垂直感应区越多垂直感应角度越大镜片越长感应段越多，水平感应角度就越大。区段数量多被感应人体移动幅度就小，区段数量少被感应人体移动幅度就要大。蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，本文介绍如何用单片机驱动蜂鸣器，他广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电话机等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。电磁式蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，91 单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。S51增强型单片机实验板通过一个三极管C8550来放大驱动蜂鸣器。压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5~15V直流工作电压），多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声鸣器。4.5.2蜂鸣器的发音原理蜂鸣器有二种，一种可以通过直流电压控制，分5v,9v,12v超电压使用，内部驱动电路则产生振荡驱动电压，发出音调固定的声音另一种像喇叭一样，可以用变化的电压直接驱动。改变频率则可以控制音调，驱动电压的幅值控制音量大小。第一种蜂鸣器一般都有一个固定的频率参数也就是它发出的声音是不能变化的，就象食堂用的打卡器一样，卡一贴近就发出都的一声。第2种就不同了用单片机驱动第2种蜂鸣器后还可以使他演奏出美妙的音乐，我们只需要用简单的程序就可以控制单蜂鸣器所奏的频率，也就控制了音调。蜂鸣器是利用给其内部线圈不断地通断电流，造成蜂鸣器薄膜的振动，从而产生空气的振动而发出声音，不同的频率可以控制发出不同的音调。我们在连接有蜂鸣器的输出引脚输出高低不同的电平，只要控制高低电平的延时时间，就会产生不同的音调。要控制蜂鸣器引脚输出能发出Do、Re、Mi、Fa、Sol、La、Ti七种音阶的频率。就要知道七种音阶的频率，通过频率计算出高低电平的延时时间，利用程序控制不同的延时，达到输出不同音调的效果。通过分析我们知道，用一定频率的方波信号驱动蜂鸣器则可以产生对应频率的声音信号。为了产生控制蜂鸣器的信号，最方便的方法就是采用盛群单片机的PFD功能（可编程分频器，ProgrammableFrequencyDivider)。PFD功能实际上是让单片机内置定时器工作在普通定时器模式，91 而定时器的溢出产生控制PFD信号 91 91 总结设计主要研究基于无线传感器网络的报警系统。本系统借助技术成熟的无线传感器网络采集信号并传送单片机处理，由单片机控制报警装置。当有人在进入房屋时，安装在相应部位的传感器马上就能检测到，并立即把信号传送到控制中心，经过一系列信号处理后，由单片机控制报警装置开启，整个传送过程只需几秒种的时间，报警器就能报警，户主就可以知道有陌生人进入房间。首先，硬件部分我从二个模块着手，首先是通过KP500B双源式热释电红外探测器采集信息，将信息传到微处理器上，由核心控制模块AT89S52单片机控制报警模块，使它发出报警声音，保证户主能够及时根据报警信息做出相应的方法。其次，软件部分在对芯片的管脚功能和用法以有充分的了解后，根据设计要求设计硬件电路，包括传感器采集信息电路、单片机控制电路，91 再编写所需要的程序，然后通过软件编程，实现了智能家居安防报警功能，解决了传统人工安防受距离限制的问题，这样，基本实现了预期的目标。在本次设计中，由于经济原因，重要芯片未购买到，没有焊接电路板，仅在理论上做了较深的论证，经可行性分析，原理的设计已成熟，若能进行硬件设备的搭建并调试成功，其具有良好的市场应用前景和工程指导意义。对软硬件作适当扩充修改后，还可以应用于环境监测、石油开采设备的监测与控制、农作物生长状况的监测、交通管理系统及安防系统等诸多领域。总的来说，系统设计结构清晰，资源利用合理，不失为一款高性价比的方案。91 参考文献[1]AkyildizIF,SuW,SankarasubramaniamY,etal.Asurveyonsensornetwork.IEEECommunicationsMagazine,2002,40(8)[2]崔莉,鞠海玲,苗勇等.无线传感器网络研究进展.计算机研究与发展.2005，42(l)[3]SHedetniemi,A.Liestman.Asurveyofgossipingandbroadeastingincommunic-ationnetwork.Network,2004，18(4)[4]赵保华,张炜,刘恒昌,屈玉贵。无线传感器网络的组划分算法.计算机学报，2004，24(2)[5]AkkayaK,YounisM.Asurveyonroutingprotocolsforwirelesssensornetworks.AdHocNetwork,2005,3(3) 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sbitwela=P2^7; sbitbeep=P2^3; unsignedcharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71}; unsignedcharcodetable1[]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef}; voiddelay(uintcount)//delay {uinti;while(count){i=200;while(i>0)i--;count--;}91 }voiddsreset(void)//sendresetandinitializationcommand {uinti;KP500B=0;i=103;while(i>0)i--;KP500B=1;i=4;while(i>0)i--;}bittmpreadbit(void)//readabit {uinti;bitdat;KP500B=0;i++;//i++fordelayKP500B=1;i++;i++;dat=DS;i=8;while(i>0)i--;return(dat);} uchartmpread(void)//readabytedate {91 uchari,j,dat;dat=0;for(i=1;i<=8;i++){j=tmpreadbit();dat=(j<<7)|(dat>>1);/*读出的数据最低位在最前面这样刚好一个字节在DAT里*/}return(dat);} voidtmpwritebyte(uchardat)//writeabytetoKP500B{uinti;ucharj;bittestb;for(j=1;j<=8;j++){testb=dat&0x01;dat=dat>>1;if(testb)//write1{KP500B=0;i++;i++;KP500B=1;91 i=8;while(i>0)i--;}else{KP500B=0;//write0i=8;while(i>0)i--;KP500B=1;i++;i++;} }} voidtmpchange(void)//KP500Bbeginchange{dsreset();delay(1);tmpwritebyte(0xcc);//addressalldriversonbustmpwritebyte(0x44);/*initiatesasingletemperatureconversion*/} uinttmp()//getthetemperature91 {floattt;uchara,b;dsreset();delay(1);tmpwritebyte(0xcc);tmpwritebyte(0xbe);a=tmpread();b=tmpread();temp=b;temp<<=8;//twobytecomposeaintvariabletemp=temp|a;tt=temp*0.0625;temp=tt*10+0.5;returntemp;} voiddisplay(uinttemp)//显示程序{ucharA1,A2,A2t,A3;A1=temp/100;A2t=temp%100;A2=A2t/10;A3=A2t%10;dula=0;91 P0=table[A1];//显示百位dula=1;dula=0;wela=0;P0=0x7e;wela=1;wela=0;delay(1);dula=0;P0=table1[A2];//显示十位dula=1;dula=0;wela=0;P0=0x7d;wela=1;wela=0;delay(1);P0=table[A3];//显示个位dula=1;dula=0;P0=0x7b;wela=1;wela=0;delay(1);}91 voidmain(){uchara;do{tmpchange();for(a=10;a>0;a--){display(tmp());}if(temp>=300)//有信号输入仅作试验用，实际可设为其他更高的值，，蜂鸣器便会报警。{P1=0x00;beep=0;}elseif(temp>=300){beep=1;P1=0xf80;}elseif(temp>=295){beep=1;P1=0xc0;}91 elseif(temp>=290){beep=1;P1=0xe0;}elseif(temp>=285){beep=1;P1=0xf0;}elseif(temp>=280){beep=1;P1=0xf8;}elseif(temp>=275){beep=1;P1=0xfc;}elseif(temp>=270){beep=1;P1=0xfe;}else{beep=1;P1=0xff;}91 }while(1);}91 致谢为期十二周的毕业设计即将圆满结束了，回顾这十二周的理论学习和实际运用，我感到收获颇丰。作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，非常感谢彭老师在我大学的最后学习阶段——毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，彭老师给了我耐心的指导和无私的帮助。感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！通过这一阶段的努力，我的毕业论文终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在论文的写作过程中，我的导师彭老师倾注了大量的心血，一遍又一遍地帮我指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。我将铭记我曾是一名工大学子，在今后的工作中把工大的优良传统发扬光大。感谢各位专家的批评指导！91'