计算机科学与技术-基于zigbee cc2530智能安防及检测系统

基于zigbeecc2530智能安防及检测系统摘要：随着人们的安全意识不断提高、现代科技不断提高，智能安防和消防在预防灾难的发生中，扮演着重要的角色，起到实用和突出的作用。在传统的方式中，绝大多数人认为，消防和安防都是要消防部队在灾难发生之后来增援人工救援的。这样会延迟救援的宝贵的黄金时间。相比之下，智能的检测，会第一时间发现灾难的发生和可能发生，从而警示给人们和做出相应的措施。对于解决传统消防、安防的弊端，基于zigbeecc2530智能安防及检测系统可以更智能、高效的处理室内环境灾害。在zigbeecc2530的终端，配置各种传感器，比如烟雾报警器、燃气报警器、甲醛监测仪、pm2.5监测器等，可以通过传感器对周围环境的检测，在cc2530开发板上获取到相应的环境数据，再通过zigbee协议技术把获取到的环境数据传到zigbeecc2530的协调端进行判断环境数据是否达到警告值，达到则在cc2530开发板做出报警处理和具体的消防、安防操作。而各个zigbeecc2530的终端和zigbeecc2530的协调端可以根据IEEE802.15.4标准进行广播、点播与组播的信息数据传输与接收的搭建。以达到智能安防及检测的效果。实际上，设计与开发《基于zigbeecc2530智能安防及检测系统》，主要用到C语言来开发，IAREmbeddedWorkbenchfor805110.20.1则作为CC2530端的主要开发工具，CC2530使用协议栈版本为ZStack-2.5.1a。因此，开发基于zigbeecc2530智能安防及检测系统是科技的发展需要，更能是智能安防及检测系统成为预防和消除灾害事故发生的锐利武器。它在预防灾害事故，减少国家、集体财产和人民生命等方面起到了重要的作用。关键词：zigbee，cc2530，消防，安防，传感器

IntelligentsecurityanddetectionsystembasedonZigBeeCC2530Abstract：Withthecontinuousimprovementofpeople'ssafetyawarenessandmoderntechnology,intelligentsecurityandfireprotectionplayanimportantroleinthepreventionofdisasters,playingapracticalandprominentrole.Inthetraditionalway,thevastmajorityofpeoplethinkthatfirefightingandsecurityaretofireforcesintheeventofadisastertoreinforceartificialrescue.Thiswilldelaythepreciousgoldentimeofrescue.Incontrast,intelligentdetectionwillfindouttheoccurrenceandpossibilityofdisastersinthefirsttime,soastoalertpeopleandmakecorrespondingmeasures.Tosolvetheshortcomingsoftraditionalfireandsecurity,theintelligentsecurityanddetectionsystembasedonZigBeeCC2530candealwithindoorenvironmentaldisastersmoreintelligentlyandefficiently.TheterminalofZigBeeCC2530isequippedwithvarioussensors,suchassmokealarm,gasalarm,formaldehydemonitor,PM2.5monitor,etc.,whichcandetectthesurroundingenvironmentthroughsensors,obtainthecorrespondingenvironmentaldataonCC2530developmentboard,andthentransmittheacquiredenvironmentaldatatoZigBeethroughZigBeeprotocoltechnologyThecoordinationendofCC2530judgeswhethertheenvironmentaldatareachesthewarningvalue.Ifitreachesthewarningvalue,itwillmakealarmprocessingandspecificfireandsecurityoperationsonCC2530developmentboard.AccordingtoIEEE802.15.4standard,eachZigBeeCC2530terminalandthecoordinationterminalofZigBeeCC2530canbuildtheinformationdatatransmissionandreceptionofbroadcast,on-demandandmulticast.Toachievetheeffectofintelligentsecurityanddetection.Infact,thedesignanddevelopmentofintelligentsecurityanddetectionsystembasedonZigBeeCC2530mainlyusesClanguage,IARembeddedworkbenchfor805110.20.1isthemaindevelopmenttoolofCC2530,andtheprotocolstackversionofCC2530iszstack-2.5.1a.Therefore,thedevelopmentofintelligentsecurityanddetectionsystembasedonZigBeeCC2530isthedevelopmentneedsofscienceandtechnology,moreimportantly,intelligentsecurityanddetectionsystembecomesasharpweapontopreventandeliminatedisastersandaccidents.Ithasplayedanimportantroleinthepreventionofdisasteraccidentsandthereductionofstate,collectivepropertyandpeople'slives.Keywords:ZigBee，Cc2530，Firefighting，Security，Sensor目录第1章绪论 第1章绪论1.1系统的开发背景及意义当今时代，安全是一个社会和企业赖以生存和发展的基础，尤其是在现代化技术高度发展的今天，所需的能源的使用率会大大增加，也会带来很多未知的危险，这些危险可以来自人为，也可以来自自然危害。加强现代化的安防技术就显得更为重要。安全防范技术就是在这个意义上发展起来的，它是电子技术、传感器技术、计算机技术和现代通信技术等高科技技术相结合的产物。它在预防灾害事故，减少国家、集体财产和人民生命等方面起到了一般防范手段难以或者不可能起到的作用。安全防范技术系统和产品是预防灾害事故发生的锐利武器，是社会治安综合治理的重要内容，它将使我们逐步告别一把锁头保平安的时代。智能家居安防系统除了起到传统的安防系统的监控/报警作用，还能和各种环境传感器联动，比如烟雾报警器、燃气报警器、甲醛监测仪、pm2.5监测器等，这是传统的安防系统所不具备的功能，要么就是这些传感器都独立自成一个系统，而并不能相互联动。智能安防系统就是要将家中的门窗/环境传感器联结起来，再通过zigbee组网的技术实现操作。综合以上，我们需要一个良好的智能安防及检测系统。1.2国内外研究现状目前，计算机行业不单单在一个软件行业上发展了。无论是国内还是国外都把计算机行业融入到各个行业中。安防及检测系统也不例外，比如，美国这样的科技大国，计算机行业和安防及检测行业的融合的趋势日益增加，即使美国的人口密度小，就像一般的农场都会有基础的安防及检测系统，一般都是一个人就可以管理大面积的农场，周围的都是自然的环境，可能发生危险是很难预测的，所以他们对安防及检测的研发和应用的投入的比重是很高的。同理，在各种的行业和居家具备安防及检测系统都是必要的。用科技的技术来代替人工来做好预测和消除危险是是时代所需。相对国内，人口密度大，大大小小的企业林立，但是很多个人和企业为了省钱，只是简单的在室内的消防设施完好可用就行了，根本没用做好利用好科技手段去辅助人类。但是随着21世纪信息的时代，网络、微电子、光电、通信等高新技术飞速发展，安防系统也随着信息技术及整个信息产业的发展浪潮，由原来的模拟产品逐步过渡到数字化、网络化、智能化监控产品。21世纪是信息的时代，网络、微电子、光电、通信等高新技术飞速发展，安防系统也随着信息技术及整个信息产业的发展浪潮，由原来的模拟产品逐步过渡到数字化、网络化、智能化监控产品。与此同时，人民生活水平的提高，安全防范观念也从以前的企事业单位，扩展到了家庭用户。越来越多的家庭安装了门磁、红外、烟感等防火防盗设备，实现智能安防及检测系统已经成为必然的趋势。1.3系统的主要研究内容首先对本课题的主要研究题目——“智能安防及检测系统”诠释如下：《智能安防及检测系统》主要是为了对系统所检测的环境监测并预防、警告处理危机实现安全化而开发的一套系统，从而提高生活质量和社会的稳定，并尽可能地保证在实时监测和做出警告提示、处理危机（模拟），做到在最短时间内处理解决危机。因此需要解决以下几个问题：如何了解到市场的需求：要充分了解到市场上主要需求到的具体的的安防及检测的主要需求是哪一些，并作补充。如何实现各种传感器检测获取值：不同的传感器的获取的代码都不一样，并且要解决与CC2530的Zigbee应用技术进行匹配应用。如何CC2530的Zigbee应用技术：Zigbee开发板的节点组网的广播、点播与组播的信息传输与接收的搭建，实现系统的基础联动。因此要利用传感器检测：门把安防检测（红外避障传感器）、火焰安防检测（火焰传感器）、PM2.5检测（PM2.5传感器）、温度与湿度检测（温度与湿度传感器）等。获取检测值：通过Zigbee开发板的节点组网的广播、点播与组播的信息传输与接收的搭建来获取所检测到的相关值。报警提示方式：蜂鸣器报警、LED灯报警、OLED屏报警。报警处理：相关的报警信号处理并实现（继电器）。用户可以通过系统的获取检测值、报警提示方式，来获取当前的环境状态。1.4系统开发环境与开发工具4GB的win8x64操作系统，CC2530开发板若干块,并使用在嵌入式广泛应用的C语言编写，以上环境将作为系统的开发环境。IAREmbeddedWorkbenchfor805110.20.1则作为CC2530端的主要开发工具，CC2530使用协议栈版本为ZStack-2.5.1a，以上工具将作为系统的开发工具。

第2章系统需求分析2.1可行性分析2.1.1经济可行性基于zigbeecc2530智能安防及检测系统的设计与实现是本人的毕业设计，从整个系统的设计到开发都由本人自己完成，开发需要自行购买相关的硬件设备，如开发板和传感器等。作为低成本的智能安防及检测智能安防与检测设备，为推动社会安全、人们安全做出表率，实现安全全民化，也推动研发低成本的智能安防及检测的发展。2.1.2技术可行性该系统作为本人的毕业设计，而本人已修完所有在校课程，已经具备开发CC2530的技术。IAREmbeddedWorkbenchfor805110.20.1则作为CC2530端的主要开发工具，CC2530使用协议栈版本为ZStack-2.5.1a，采用C语言开发，温湿度检测传感器、火焰检测传感器、pm2.5监测器等传感器和继电器来检测开发。2.1.3操作可行性基于zigbeecc2530智能安防及检测系统是主要通过C语言为主的简易智能系统，只要配置好设备的环境，该系统就可以正常的运行和工作了，也无需浪费大量的人力物力财力。安装该系统也不难，在开发板上特定的引脚链接特定的传感器和元器件即可。由此可见，操作方式和安装过程不会限制基于zigbeecc2530智能安防及检测系统。2.2系统的总体需求基于zigbeecc2530智能安防及检测系统需要有终端器和协调器两种端：终端器实现利用传感器收集环境数据，分析处理，发生给协调器；协调器：接收获取终端器发送过来的数据，经过分析处理，判断校对，决定启动或者关闭报警提示与报警处理。两者之间协调工作，以达高效。2.3系统的业务需求以下是对系统两个端（cc2530终端、cc2530协调端）的业务需求分析。图2-1cc2530终端、cc2530协调端业务流程图2.3.1基于zigbeecc2530智能安防及检测系统cc2530终端系统上电开机后将会开启终端，终端不断获取传感器数据处理并发送到协调器业务，如图2-1cc2530终端、cc2530协调端业务流程图所示。2.3.2基于zigbeecc2530智能安防及检测系统cc2530协调端系统上将会开启协调端，不断地接收获取终端发送过来的数据，并经过数据分析处理、判断校对，之后再做出是否要启动报警提示、报警处理，如图2.1cc2530终端、cc2530协调端业务流程图所示。2.4系统功能的需求分析基于zigbeecc2530智能安防及检测系统主要分为用cc2530终端子系统和cc2530协调端子系统：在cc2530终端子系统中主要包括：获取传感器数据、数据处理分析、发送传感器数据；而在cc2530协调端子系统中主要包括：接收数据、数据分析处理、报警提示和报警处理。基于zigbeecc2530智能安防及检测系统功能模块图如图2-2。图2-2基于zigbeecc2530智能安防及检测系统功能模块图2.4.1CC2530终端子系统功能分析获取传感器数据：实现CC2530子系统的终端获取传感器数据，CC2530只有在终端获取传感器数据发给协调器。发送传感器数据：终端获取到传感器数据后，要发给协调器，协调器才能接收到数据。数据处理分析：终端器把收集到传感器数据进行分析。2.4.2CC2530终协调端子系统功能分析接收数据：协调器接收到传感器的数据后才能进行数据处理分析，决定是否执行下一步操作。协调器把从终端接收到的传感器数据进行分析，前提是终端有正确的数据发送过来。报警提示：协调器把数据进行对比判断，若达到警告值，测蜂鸣器报警、LED灯报警、OLED屏报警等。报警处理：利用I/O口，模拟处理（继电器）。2.5UML系统建模2.5.1用例图用例模型的基本组成部分有用例、角色（或参与者）和系统。用户业务如图图2-3基于zigbeecc2530智能安防及检测系统cc2530终端子系统用例图。图2-4基于zigbeecc2530智能安防及检测系统cc2530协调端子系统用例图。图2-3基于zigbeecc2530智能安防及检测系统cc2530终端子系统用例图图2-4基于zigbeecc2530智能安防及检测系统cc2530协调端子系统用例图2.5.2用例图规约表基于zigbeecc2530智能安防及检测系统用例规约表杨弘平，吕海华，李波，史江萍，代钦.UML2基础、建模与设计教程[M].北京：清华大学出版社，2015.51：杨弘平，吕海华，李波，史江萍，代钦.UML2基础、建模与设计教程[M].北京：清华大学出版社，2015.51表2-1收集传感器数据用例规约表用例编号2-1用例名称收集传感器数据功能描述用于收集环境的数据执行者cc2530终端前置条件基于zigbeecc2530智能安防及检测系统正常、具体传感器正常运行后置条件数据等待分析基本路径1.具体传感器启动。2.读取环境数据。扩展无字段列表1.环境数据业务规则无备注无表2-2环境数据分析例规约表用例编号2-2用例名称环境数据分析功能描述当收集到环境数据，cc2530终端系统会对该数据进行分析和校对，通过校对测等待数据发送。执行者cc2530终端前置条件收集到具体的环境数据后置条件发送到cc2530协调端涉众利益无基本路径把收集到环境数据，与系统预存的数据类型进行校对校对成功则执行程序校对失败则跳过扩展无字段列表1.环境数据业务规则无备注无表2-3发送传感器数据用例规约表用例编号2-3用例名称发送传感器数据续表2-3发送传感器数据用例规约表功能描述CC2530终端器发送传感器数据。执行者CC2530终端器前置条件基于zigbeecc2530智能安防及检测系统正常运行。基本路径1.检查校验位。如果检验位数据正确则进行下一步操作。否则跳过2.检验位正确，执行程序业务规则无备注无表2-4接收传感器数据规约表用例编号2-4用例名称接收传感器数据功能描述CC2530协调器接收从终端发来的传感器数据。执行者CC2530协调器前置条件基于zigbeecc2530智能安防及检测系统系统正常运行基本路径1.检查校验位。如果检验位数据正确则进行下一步操作。否则跳过2.检验位正确，执行程序业务规则无备注无表2-5数据分析处理用例规约表用例编号2-5用例名称数据分析处理功能描述cc2530协调端进行数据分析处理。执行者cc2530协调端对接收到的数据进行分析前置条件基于zigbeecc2530智能安防及检测系统系统正常运行接收传感器数据后置条件执行程序基本路径1.检查校验。如果检验位数据正确则进行下一步操作。否则跳过2.检验位正确，执行程序扩展无字段列表1.环境数据业务规则无续表2-5数据分析处理用例规约表备注无表2-6报警提示用例规约表用例编号2-6用例名称报警提示功能描述当环境存在危险时，启动报警提示方式：蜂鸣器报警、LED灯报警、OLED屏报警。执行者cc2530协调器前置条件系统正常运行后置条件无基本路径1、将判断对比过的环境数据达到了警告值范围，则启动相对应的提示扩展无字段列表1.环境数据业务规则无备注无表2-7报警处理用例规约表用例编号2-7用例名称报警处理功能描述当环境存在危险时，启动先对应的模拟操作报警处理。执行者cc2530协调器前置条件基于zigbeecc2530智能安防及检测系统系统正常运行后置条件无涉众利益无基本路径1、将判断对比过的环境数据达到了警告值范围，则启动相对应的模拟操作报警处理。扩展无字段列表1.环境数据业务规则无备注无2.6本章小结本章首先主要总体分析出基于zigbeecc2530智能安防及检测系统有CC2530终端和CC2530协调端；然后对两个端的业务需求进行分析并且用业务流程图分别展示了CC2530端和CC2530协调端的业务流程，通过功能模块图展示了CC5230端和CC2530协调端的功能需求，接下来对基于zigbeecc2530智能安防及检测系各方面的可行性进行了分析；最后，为了更加直截了当向用户展示基于zigbeecc2530智能安防及检测系统的功能，基于zigbeecc2530智能安防及检测系统给出了用例图并对各个用例用表格进行简单明了的说明。

第3章系统设计3.1系统功能设计本系统cc2530终端子系统和cc2530协调端子系统组成。3.1.1cc2530终端子系统传感器获取环境数据：在整个系统开始正常运转的时候，首先开始的部分是cc2530终端子系统上利用传感器来收集具体传感器所对应的环境数据，通过zigbee的节点来暂存具体的环境数据以等待下一步操作。数据处理及发送：在获取到传感器所收集到的数据之后，cc2530终端子系统首先会对这些数据进行处理，过滤掉错误的数据，保留着正确的数据。以待cc2530终端子系统通过CC2530使用协议栈版本为ZStack-2.5.1a来发送具体的数据。3.1.2cc2530协调端子系统接收数据：cc2530协调端子系统在本系统正常运行工作时，是一直等待接收cc2530终端子系统发送过来的数据的。使用协议栈版本为ZStack-2.5.1a来接收具体的数据。数据处理及判断：这里的数据处理是处理数据在cc2530协调端子系统接收到的数据有可能在发送与接收的过程中出现错误的数据，很大程度的保证了数据的准确性和数据的完整性。数据的判断则是要把经过处理的数据跟在cc2530协调端子系统中预设的警告数据进行比较判断，如果数据在在警告数据值的范围内则返归1，否则返回0。报警提示与处理：经过数据处理及判断，在程序返回值为1的情况下，系统会做出报警提示，协调器把数据进行对比判断，若达到警告值，测蜂鸣器报警、LED灯报警、OLED屏报警等。在报警提示的同时本系统会做出报警处理：利用用I/O口，模拟处理。3.2系统顺序图终端收集环境数据顺序图eq\o\ac(○,1)cc2530终端中的传感器收集获取相关的环境数据；eq\o\ac(○,2)cc2530终端提取数据；eq\o\ac(○,3)cc2530终端校对数据的正确性。图3-1终端收集环境数据顺序图终端发送环境数据顺序图eq\o\ac(○,1)cc2530终端协议栈Zstack应用层通过广播发送数据；eq\o\ac(○,2)等待cc2530协调端接收数据；eq\o\ac(○,3)继续采集环境数据。图3-2终端发送环境数据顺序图3.协调端接收环境数据顺序图eq\o\ac(○,1)协调器通过zigbee通讯协议接收数据；eq\o\ac(○,2)协调器通过协议栈Zstack应用层进行数据处理；eq\o\ac(○,3)继续等待接收数据。图3-3协调端接收环境数据顺序图4.协调端数据处理顺序图eq\o\ac(○,1)提取相关的数据；eq\o\ac(○,2)校对数据，判断数据是否正确；eq\o\ac(○,3)错误，继续提取数据；eq\o\ac(○,4)正确，执行下一步；eq\o\ac(○,5)与警告值（范围）比较；eq\o\ac(○,6)判断环境数据是否在警告值得范围内；eq\o\ac(○,7)继续执行系统程序。图3-4协调端数据处理顺序图5.报警提示、处理顺序图eq\o\ac(○,1)比较环境数据在警告值范围内；eq\o\ac(○,2)开启蜂鸣器、LED、OLED屏的报警提示；eq\o\ac(○,3)开启I/O(继电器模拟处理)；eq\o\ac(○,4)比较环境数据在警告值范围外；eq\o\ac(○,5)关闭蜂鸣器、LED、OLED屏的报警提示；eq\o\ac(○,6)关闭I/O(继电器模拟处理)；图3-5报警提示、处理顺序图3.3系统活动图在开启系统之后，具体的传感器会收集获取环境的数据，然后数据通过zigbee的通讯协议和具体的拓扑结构进行数据的传输，在数据完成发送与接收之后，系统会实现数据的校对和警告值得判断，如果数据在警告值得范围里，则开启报警提示、处理，否则关闭报警提示、处理。如图图3-6系统活动图所示。图3-6系统活动图3.4本章小结本章首先对基于zigbeecc2530智能安防及检测系统的系统功能设计作详细的系统功能设计然后画了主要的cc2530的终端和协调端的顺序图和部分活动图，更加直观的展示了整个系统的主要功能的设计。

第4章系统实现4.1系统实现基于zigbeecc2530智能安防及检测系统的系统实现主要分为两部分：cc2530的终端子系统的实现和cc2530协调端子系统的实现。4.1.1cc2530的终端子系统的实现cc2530的终端子系统的实现，cc2530终端获取相关传感器获取的环境数据，然后经过数据帧打包与数据校对和处理，在发送通过zigbee协议发送数据来主要实现。如图图4-1cc2530终端流程图所示。图4-1cc2530终端流程图4.1.2cc2530的协调端子系统的实现cc2530的终端子系统的实现，系统正常运行，cc2530的协调端在等待接收数据，然后结束到数据，对数据进行校验处理，校验正确则进行判断，判断数据是否在判断数据是否在警告值范围，若不在警告值范围，怎系统继续等待接收数据；若在警告值范围，怎开启警报处理、报警提示。如图图4-2cc2530协调端流程图所示。图4-2cc2530协调端流程图4.2本章小结本章主要是详细的介绍了基于zigbeecc2530智能安防及检测系统的系统实现：cc2530的终端子系统的实现和cc2530的协调端子系统的实现。通过主要的流程图，说明了基于zigbeecc2530智能安防及检测系统的主要实现的功能。

第5章系统测试5.1系统测试的目的找出软件中的漏洞是系统测试的目的，系统的漏洞可能存在于系统、功能、过程、数据和编码中，我们需要在这些方面上进行测试以找到系统的漏洞并修复。在系统设计和实现过程中检查出来的错误和缺陷需要在系统试运行当中通过系统测试来实现，所以这个阶段是软件开发中必不可少的部分。5.2系统测试的意义在软件泛滥的信息时代，软件的质量参差不齐，因此，为了杜绝低质量的软件的蔓延，系统测试是一个不可或缺的阶段。经过一系列的严格测试，可以找出系统中难以发现的漏洞，有利于提高基于zigbeecc2530智能安防及检测系统质量，使用户的体验更加完善。5.3测试用例及结果以下是对基于zigbeecc2530智能安防及检测系统进行的主要测试，如下表5-1测试用例及结果。表5-1测试用例及结果用例编号用例名称测试目的测试结果U-1TestSensor确保传感器的正常使用可正常使用U-2Testcc2530确保zigbee节点的正常使用可正常使用U-3TestData确保传感器获取的环境数据的准确通过测试U-4TestBuzzer检测蜂鸣器的正常使用可正常使用U-5TestOLED检测OLED的正常使用可正常使用U-6TestLED检测LED的正常使用可正常使用U-7TestCode找出代码中存在的漏洞通过测试续表5-1表5-1测试用例及结果U-8TestWhole测试系统的整体功能正常运行5.4本章小结本章首先阐述了系统测试的目的以及意义，之后给出了测试用例，证明了基于zigbeecc2530智能安防及检测系统的大部分功能是没有问题的。

第6章结束语6.1全文总结通过这几个月不懈的努力，基于zigbeecc2530智能安防及检测系统的设计与实现到这里基本结束了。基于zigbeecc2530智能安防及检测系统从一开始的构思，到主要功能的实现都是从社会实际出发，最终的目的也是从提高人们的安全，从而提高人们的生活水平。整个系统以C语言为主开发，也很好地避免了代码和开发软件的不兼容等问题。基于zigbeecc2530智能安防及检测系统更是以轻小、简洁为主要外观特色，放置更方便。目前，基于zigbeecc2530智能安防及检测系统能够正常运行了。6.2课题展望由于报警（电话报警）的影响，在基于zigbeecc2530智能安防及检测系统里的报警方式并不是电话报警，而是通过开启蜂鸣器、LED、OLED屏的报警提示来告知我们有危险发生，所以如果基于zigbeecc2530智能安防及检测系统把电话报警的功能添加进本系统则更加安全了，但是也要慎重考虑以什么危害标准来才能达到电话报警的条件，标准过高会造成不及时的救援，标准过低回造成浪费大量的人力物力等一系列的问题。如果可以开发android应用程序结合使用该系统会带来更多方便。所以基于zigbeecc253