毕业设计（论文）-基于MSP430的无线家庭安防装置.doc

目 录中文摘要- 1 -英文摘要- 2 -1 引 言- 3 -2 概 述- 4 -2.1 无线传感器网络（WSN）- 4 -2.1.1 无线传感器网络（WSN）的结构- 4 -2.1.2 无线传感器网络（WSN）的特点和功用- 5 -2.2 家庭安防系统- 6 -2.2.1 传统家庭安防的方法- 6 -2.2.2 基于无线传感器的家庭安防网络的优点- 6 -3 系统的总体设计- 8 -3.1 系统的组成结构- 8 -3.2 系统开发环境- 9 -4 系统硬件设计- 10 -4.1 基站模块设计- 10 -4.1.1 CC2430无线单片机- 10 -4.1.2 TS-ZigBee-CC2430无线模块- 10 -4.2 传感器节点的设计- 13 -4.2.1 MSP430单片机系统- 13 -4.2.2 红外线对射模块设计- 15 -4.2.3 室内检测传感器节点设计- 16 -4.2.4 温度传感器DS18B20- 16 -4.2.5 煤气传感器MQ-5- 18 -4.2.6 烟雾传感器MQA214- 19 -4.3 系统硬件PCB板设计相关问题- 20 -5 系统软件设计- 21 -5.1 红外线对射节点软件流程图- 21 -5.2 室内检测传感器节点软件流程图- 22 -6 电路调试与实验结果- 24 -6.1 硬件电路调试- 24 -6.1.1 焊接- 24 -6.1.2 调试- 24 -6.1.3 调试总结- 24 -6.2 软件测试- 25 -6.2.1 MSP430单片机的调试流程- 25 -6.2.2 调试- 25 -6.2.3 调试结果总结- 26 -结 论- 27 -谢 辞- 27 -参 考 文 献- 28 -附录一：硬件电路原理图- 29 -附录二：PCB图及实物图及上位机界面- 32 -附录三：程序源代码- 36 -43基于MSP430的无线家庭安防装置摘 要：随着人们生活水平的提高，对于家庭安防的要求也越来越高，近年来智能化的家庭安防越来越引起人们的注意。本文主要设计了一种基于无线传感器的家庭安防网络。网络中的传感器节点用MSP430超低功耗单片机作为MCU，采用红外对射传感器检测入侵，环境检测传感器检测室温、烟雾和煤气等可燃气体，并通过ZigBee组建无线通信网络将检测信号发送到远端基站，基站接收传感器节点发来的数据通过串口通信发送给上位机，上位机软件对数据进行处理，实时显示监测值，并对异常情况（入侵、火灾、煤气泄漏等）进行报警。本系统安全性好，无须布线，布设方便，功耗低，体积小，成本低，而且具有实时性和一定的智能性，可以有效提高家庭安防水平。关键词：家庭安防，无线传感器，MSP430，红外对射传感器，ZigBeeAbstract:With the improvement of people living standards, security requirements of the family have become more sophisticated, intelligent home security in recent years be taken more attention. This paper designed a family security net- work based on wireless sensor. The sensor nodes in the network use ultra-low power single-chip MSP430 as MCU, use infrared sensors to detect intrusion shot, use environmental testing sensor at room to monitor temperature, smoke and gas and other combustible gases, and ZigBee wireless communications network will be set up to send detection message to the remote base station. Base station sends the receive data to the host computer through serial communication, host computer software processes data processing, real-time displays the monitor value of the abnormal (intrusion, fire, gas leak, etc.) and takes alarm. Because of good security of the system without cabling, laid convenience, low power consumption, small size, low cost, and with a certain degree of intelligence, can effectively increase the security level of the family.Keywords: Home burglar alarm system; wireless sensor; MSP430; infrared sensors on the radio; ZigBee1 引 言由于自动分割和手动分割的缺陷，人们就提出了交互式分割算法。交互式图像分割算法与其他分割算法的不同之处在于：对图像实施自动分割的过程中，操作者对图像分割进行干预和控制。也就是说操作者和计算机协同完成图像分割，充分地利用了计算机的强大运算能力和人的实际操控经验能力。无线传感器网络(wireless sensor networks, WSN) 是由大量具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设而形成的“智能”自治监控网络系统。该系统能在无人值守的监控区域，根据环境自主完成指定任务。它是当前对人类生活方式产生重大影响的研究热点之一1。无线传感器网络的应用已由军事领域扩展到其他领域，如环境保护，健康监测，目标跟踪等。基于无线传感器的家庭安防网络，是将无线传感器网络技术应用到家庭安防中的产品。家庭安防一直是人们关注的问题。目前，多数的居民住宅防盗都采用铁栅栏防盗，这样做既不美观，在发生紧急事件如火灾的时候，居民不方便逃生，而且铁栅栏的费用很高。一些高档小区的报警系统因价格昂贵不能被广大消费者所接受，这也限制了它的推广。如：将用户和公安部门联网，当用户家里出现警情会拨号到公安部门，并通过已经建立的数据库及时调出用户详细信息。此类产品成本相对较高，一般用户难以接受。而基于传感器技术的报警系统已成为主流，如采用温度传感器、门磁感应传感器和红外对射传感器的报警系统。其中红外对射传感器的接收器不断接收发射器发射过来的红外信号，当有人从中间经过挡住了红外信号，就会发出报警。由于红外对射距离非常远，抗干扰能力强，因此可以有效检测盗窃入室。但由于目前国内外现有的数字家居安防系统的架构主要基于传统的有线网络技术，普遍存在着布线烦琐、施工周期长、后期维护困难、可扩展性差等问题，限制了它在数字家居系统中的应用。针对以上情况，我们设计基于电池供电的低功耗无线传感器节点的安防报警系统，系统采用超低功耗单片机MSP4302作为MCU，嵌入ZigBee无线数据传输设备，使用红外对射传感器、室内检测模块全方位检测异常信号，然后将检测到的异常信号通过无线方式发送到远端基站，以启动报警设备进行报警。系统嵌入CC2430的ZigBee模块，可以组建无线星状网络、网状网络和簇状网络。Zigbee节点有几十米的覆盖范围，且可以增加路由节点，扩展覆盖范围。传感器节点可自由灵活地加入和离开网络，具有低功耗和低成本的特点。本文分为六章。第一章介绍本次设计的背景知识；第二章简单介绍了无线传感器网络和家庭安防系统；第三章介绍总体设计和系统的开发环境；第四章详细介绍各个模块硬件设计；第五章描述软件的设计；第六章为硬件以及软件的调试。2 概 述2.1 无线传感器网络（WSN）无线传感器网络（WSN）即随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，通过自组织的方式构成的无线网络。它是由大量传感器节点通过无线通信技术自组织构成的网络，它集成了传感器、微机电系统和网络三大技术，目的是感知、采集和处理网络覆盖围内感知对象的信息，并转发给观察者，是以数据处理为中心的系统。2.1.1 无线传感器网络（WSN）的结构传感器网络是由大量体积小、成本低、具有无线通信、传感、数据处理功能的传感器节点（sensor node）组成的。每一个传感器节点由数据采集模块（传感器、A/D转换器）、数据处理和控制模块（微处理器、存储器）、通信模块（无线收发器）和供电模块（电池、DC/DC能量转换器）等组成，如图2.1所示。图2.1 传感器网络节点模块传感器网络的结构如图2.2所示。每个节点的功能都是相同的，大量传感器节点被布置在整个被观测区域中，各个传感器节点将自己所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合之后传送给用户，数据传送的过程是通过相邻节点的接力传送的方式传送回基站，然后再通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给最终用户。图2.2 传感器网络的结构2.1.2 无线传感器网络（WSN）的特点和功用无线传感器网络的主要特点有：(1)传感器网络的节点数量大、密度高。由于传感器网络节点的微型化，每个节点的通信和传感半径很有限，一般为十几米范围之内，而且为了节能，传感器节点大部分时间处于睡眠状态，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质量。(2)传感器网络的节点有一定的故障率。由于传感器网络可能工作在恶劣的外界环境之中，网络中的节点可能会由于各种不可预料的原因而失效，为了保证网络的正常工作，要求传感器网络必须设计成具有一定的容错能力，允许传感器节点具有一定的故障率。(3)传感器网络节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制。由于传感器节点微型化，节点的电池能量有限，而且由于物理限制难以给节点更换电池，所以传感器节点的电池能量限制是整个传感器网络设计最关键的约束之一，它直接决定了网络的工作寿命。另一方面，传感器节点的计算和存储能力有限，使得其不能进行复杂的计算，传统Internet网络上成熟的协议和算法对传感器网络而言开销太大，难以使用，必须重新设计简单有效的协议及算法。(4)传感器网络的拓扑结构变化很快。(5)以数据为中心（data centric）。在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据。 无线传感器网络的功能是借助于节点中内置的传感器测量周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等物质现象。无线传感器网络是新兴网络，具有微型化、容错性、高灵活性、布网快速等优点，它的应用极为广泛，可以用于军事、环境、医疗保健、空间探索及各种商业应用。在军事上，由于无线传感器网络具有自组织性、容错能力，特别适合恶劣的战场环境，能很好完成敌方信息的搜集和处理工作。无