野外动物抓拍系统修正版.doc

博 创 杯 全 国 大 学 生 嵌 入 式 设 计 大 赛
2013第九届“博创·恩智浦杯”全国大学生嵌入式设计大赛
作品设计报告

野外动物抓拍系统
The wild animal capture system

设

计

报

告

参赛编号：XB-7-1
参赛学校：西安工业大学
作 者：卢建钊 王丹 李萌
指导教师：王鹏
所属专项奖：博创平台标准奖

摘 要
为了解决当前在野外拍摄动物时受到的现场条件限制、检测点不易更改与扩充、在恶劣和危险环境难以推广等问题，提出了基于ZigBee 技术的低成本、实时性野外动物抓拍系统。该系统采用ARM7为控制中心，实现传感器部分探测动物，数字串口摄像头采集图片，zigbee无线模块（GPRS或者Wifi）发送数据功能。监控中心可通过本地PC端操作界面（或者手机）轻松地获得所拍摄图片（内存小），以便获取更多稀有的野生动物信息，从而保护它们，维护生态平衡。

关键词：低成本、实时性、zigbee平台、生态平衡
Abstract

In order to solve the limitations of site conditions, detection point by the current in the wild animal of the change is not easy and expansion, in the harsh and dangerous environment and difficult to generalize the problem, puts forward low cost, ZigBee technology, real-time capture system based on wild animal. The system uses ARM7 as the control center, to realize the sensor detects animal, digital camera capture images, ZigBee wireless module (GPRS or Wifi) data transmission function. The monitoring center through a local PC interface (or mobile phone) easily get the picture (memory), in order to get more rare wild animal information, so as to protect them, the maintenance of ecological balance.
Keywords: low cost, real-time, ZigBee platform, ecological balance

目录
摘 要 1
ABSTRACT 1
1 绪 论 2
1.1 背景分析 2
1.2 需求分析 3
2.系统方案 3
2.1 总体方案 3
2.2 系统各部分方案 4
2.2.1 电源提供 4
2.2.2传感器部分 5
2.2.3 通信方式 5
2.2.4数据储存 6
3 功能与指标 6
3.1 系统功能 6
3.2 技术指标 8
3.2.1图片采集 8
3.2.2网络传输 8
3.2.3 监控指标 8
4 实现原理 9
4.1 系统平台简介 9
4.2 核心技术 11
4.2.1 zigbee技术 11
4.2.2 无线WIFI技术 13
4.2.3 GPRS通信技术 14
4.2.4 红外传感器技术 14
4.2.5 压力传感器技术 15
4.2.6 串口摄像头技术 15
4.2.7 主要通信协议——zigbee协议 15
4.2.7.1 协议框架 15
4.2.7.2 协议流程 16
5 硬件框图 17
5.1 平台架构 17
5.2 zigbee节点框图 18
5.3 zigbee硬件框图 18
5.4 传感器节点框图 19
5.5 串口摄像头框图 19
6 软件流程 20
6.1 传感器设计流程 20
6.2 zigbee设备程序流程设计 21
6.3 ARM平台程序设计流程 21
6.4 协调器程序设计流程 21
7 系统测试方案 22
7.1 ARM部分测试 22
7.2 zigbee模块测试 22
7.3 红外传感器模块测试 23
7.4 压力传感器模块测试 23
7.5 串口摄像头模块测试 23
7.6 整体平台测试 23
8 测试数据及结果分析 23
8.1 测试设备 23
8.2 测试 24
8.2.1 ARM部分测试 24
8.2.2 zigbee模块测试 24
8.2.3 红外传感器模块测试 24
8.2.4 压力传感器模块测试 24
8.2.5 串口摄像头模块测试 25
8.2.6 整体平台测试 25
8.2.7 PC端软件测试 26
9 实现功能 27
9.1 ARM控制器 27
9.2 zigbee模块 27
9.3 红外传感器 27
9.4 压力传感器 27
9.5 串口摄像头 27
10 系统特色 27
10.1 zigbee无线网络 27
10.2 串口摄像头 28
10.2 红外传感器 28
10.3 压力传感器 28
11 致谢 28
12 参考文献 29
附录一 作品简图 30

1 绪 论
1.1 背景分析
野生动物作为森林生态系统的重要组成部分，对于维护生态平衡，减轻自然灾害，促进国民经济和社会的可持续发展有重要作用。
保护野生动物就是保护人类自己。由于环境的恶化，人类的乱捕滥猎，各种野生动物的生存正在面临着各种各样的威胁。近100年，物种灭绝的速度已超过了自然灭绝速度的100倍，现在每天都有100多种生物从地球上消失。我国也已经有10多种哺乳类动物灭绝，还有20多种珍稀动物面临灭绝。而它们的灭绝会导致许多可被用于制造新药的分子归于消失，还会导致许多有助于农作物战胜恶劣气候的基因归于消失，甚至引起新的瘟疫，由此所造成的损失是我们永远也无法挽回的。中国是濒危动物分布大国。据数年前不完全统计，仅列入《濒危野生动植物种国际贸易公约》附录的原产于中国的濒危动物有120多种（指原产地在中国的物种），列入《国家重点保护野生动物名录》的有257种，列入《中国濒危动物红皮书》的鸟类、两栖爬行类和鱼类有400种，列入各省、自治区、直辖市重点保护野生动物名录的还有成百上千种。随着经济的持续快速发展和生态环境的日益恶化，中国的濒危动物种类还会增加。
1.2 需求分析
随着人类生态保护意识的不断提高，维护自然环境平衡的理念逐渐深入人心，新技术的应用也逐渐引进到野生动物保护方面，并投入到实际中，对稀有动物的保护也将成为希望。首先，系统对于野生动物的抓拍，一方面可以探索更多的稀有物种，一方面及时阻止以残害野生动物谋取利益的人们。系统是以传感器触发为基础，根据不同时间地点的系统节点采集图片，使监控中心可方便安全地获取信息。其次，重要的一点是基于zigbee平台，低功耗、低成本、高容量的性能足以满足需求。传统的系统必须经过图像采集再经过其他手段进行图像处理，占用很大的内存，实用性不大，而该系统所使用的摄像头进行图片采集后可自行压缩，再经zigbee无线网络传输到PC机。相对而言性价比高、针对性强，系统精简，便于推广。第三，这个野生动物抓拍系统相对传统系统更加体现人性化，更容易适应野外拍摄需求。当动物经过时，通过红外传感器和压力传感器触发串口摄像头进行实时抓拍，所拍图片存储在SD卡中。当需要读取SD卡中图片时，直接的方式是可以取出SD卡，然后在PC端显示；或者利用系统自带的zigbee无线网络，将图片传输至PC端显示。这样既可获取一些我们平时所不常见的珍惜动物图片，同时又规避了野外环境中人为携带设备各种条件限制、检测点不易更改与扩充、在恶劣和危险环境难以推广等的问题。实为一举两得之策。
2.系统方案
2.1 总体方案
基于无线传感器的抓拍系统由监控节点、协调器、通信网络和监控中心四部分组成。其中，监控节点主要是由压力传感器、红外传感器、摄像头、zigbee无线协调器、、抓拍系统的ARM控制中心组成。监控节点分布于野外需要监测的区域内, 执行数据采集、处理和通信工作。传感器模块产生的触发信号传递至野生动物抓拍系统ARM控制中心，再由系统ARM控制中心控制摄像头进行实时抓拍。之后，利用zigbee的自组通信网络向监控中心发送数据、反馈信息或者从控制中心接收信息等。
协调器是控制中心和终端的信使，转发两者之间的通信数据。它实现了控制中心和终端的双向无线通信。抓拍系统控制中心处理来自无线协调机构的信息, 并且为互联网的连接提供接口进行远程控制。终端是系统的前线，起着数据供给的作用，它在系统的边缘，是数据采集终端，算是拥有独立系统的单元。协调器拥有独立的微控制器（嵌入8051内核），所以可对控制中心发来的命令，经过分析之后命令执行机构作出相应操作。终端和协调器是无线双向通信的。
抓拍系统的ARM控制中心，是整个系统的大脑，它支配整个系统的活动。它可以发命令给协调器，由协调器通过传输转达给各个终端，协调器和终端之间采用无线通信。终端获得信息后控制外设传感器等器件，这些外设就时刻等待命令，一旦接受命令就立即执行相应操作。
根据系统方案，我们画出来系统的结构图，系统各个部分组成如图1所示：
传感器
SD卡
摄像头
Wifi
GPRS
Zigbee
电池
ARM7

图1 野外动物抓拍系统方案结构
2.2 系统各部分方案
2.2.1 电源提供
为使模块稳定工作，须有可靠电源，我们考虑了两种电源方案：
方案一：在控制系统上装上普通的电池为系统供电，这样就可以分别为各个模块供电。
方案二：在系统上装上太阳能电池板，通过太阳光照对各个模块进行供电
综上所述：考虑到实际的应用状况，我们提供了两种电源提供方案，本设计针对野外抓拍的应用，若考虑到移动频繁且需要到户外使用，我们觉得方案一二都合适；若考虑到节约成本且方便使用，结合该系统本身低耗能的特点，我们提倡并使用方案一。
2.2.2传感器部分
该系统需要用到两种传感器：红外传感器和压力传感器。这两种传感器位于系统的末端，该系统功能能否成功实现，很大一部分决定于这两个传感器。在触发命令中，我们提供了以下两种方案：
方案一：传感器触发命令直接接ARM控制器。
方案二：传感器触发命令接PC机。PC机将控制信号发送给ARM控制器。
综上所述，考虑到操作PC机对工作人员自由的限制和动物出现的时间点的不确定性，同时由于方案一具备可行性和稳定性，所以，我们选择方案一。
2.2.3 通信方式
现在通信方式的多种普及让我们有更多的选择对图像进行传输，以下有三种方式可供参考，在实际应用中，可结合具体的地域网络覆盖情况采用相应的网络传输方式：
方式一：采用zigbee无线通信方式。实现传感器模块与ARM控制器通信：zigbee模块做通信网络，传送传感器部分的命令到ARM控制器，或者传送ARM控制器指令到传感器。实现监控节点与监控中心之间的数据通信和命令传输：由PC终端发送获取照片命令给嵌入式主机，通过zigbee网络发送照片数据到ＰＣ，并读取照片信息。
方式二：采用Wifi无线通信方式，实现监控节点与监控系统中心之间的数据通信和命令传输。由PC终端发送获取照片命令给ARM控制器，通过WiFi网络发送照片数据到PC，并读取照片信息。
方式三：采用GPRS通信传输到手机，实现终端节点与控制系统之间的数据通信和命令传输。由手机终端发送获取照片命令给ARM控制器，通过GPRS通信网络发送照片数据到手机，并读取照片信息。
2.2.4数据储存
数据存储器要保存一些实时抓拍的图片，考虑有以下两种方案：
方案一：使用扩展SD卡作为本系统的数据储存方案
方案二：使用博创配套的三剑客自带Nand flash 64MB。
博创配套的三剑客自带Nand flash 64MB，还是不能满足抓拍图片的存储，必须使用拓展SD卡的存储方案。

3 功能与指标
3.1 系统功能
该系统通过ARM控制器实现控制。当有动物出现时，传感器发送信号给ARM控制器，然后ARM控制中心发送给串口摄像头抓拍命令，摄像头启动并开始抓拍。照片经过摄像头自动压缩后存储在SD卡中，当监控中心需要读取照片时，发送指令通过无线网络传输给ARM控制中心，再经串口通信将SD卡中图片信息读取并传至监控中心。监控中心收到图片是可以保存到数据库，以备随时调用。系统具体实现的各个流程如下图2所示：

图2 系统具体实现流程

3.2 技术指标
3.2.1图片采集
该系统图片采集使用串口数字摄像头，该摄像头是集图像采集、拍摄控制、数据压缩、串口传输于一体的工业级图像采集处理模块。其内置的高性能数字信号处理芯片实现了对原始图像的高比例压缩。产品图像输出采用标准JPEG格式；标准的三线式RS-232通信接口以及简单的图像传输协议使得摄像头可以方便地实现与电脑以及各种嵌入式系统的连接；更有红外补光功能，在各种光照条件下清晰成像。
3.2.2网络传输
网络传输方面可以有三种实现方式，基于不同地域环境的网络覆盖情况，在实际使用过程中可以结合实际需要和考虑的侧重点选择自己的通信网络：
1）采用通用zigbee技术为主要通信网络。该传输协议具有近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本等特点。适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通讯技术。
2）采用GPRS采通信网络。该网络用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。是一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、点多分散、中小流量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输
3）采用无线Wifi网络传输。该无线网络数据传输具有设备成本低、数据传输高度安全可靠、使用灵活方便等特点。Wi-Fi操作系统可以远程通过网络升级，非常灵活方便，可提供广域的无线IP连接，适用于行业和企业级用户开展无线数据应用，为分散的远程接入点提供高性能的无线接入。
3.2.3 监控指标
在监控节点zigbee模块上装有红外传感器模块和压力传感器模块，当有热源动物进入到可监控范围时，红外传感器会向ARM控制器发送命令；同时，若动物体重在一定限度值之上时（避免一些小昆虫或者小动物经过时抓拍造成存储浪费），压力传感器向ARM控制器发送命令。当这两条命令均满足时，控制中心可以控制串口摄像头执行拍照命令。
4 实现原理
4.1 系统平台简介
野外动物抓拍体系统采用的是控制平台是LPC2103芯片。LPC2103是PHILIPS公司最新推出的基于ARM7TDMI-S、LQFP48封装的LPC2103，最高工作速度可达70MHz，32KB的片内FLASH程序存储器和8K的片内静态RAM。通过片内boot装载程序实现ISP/IAP编程。
LPC2103的10位A/D转换器提供8路模拟输入，低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的32768HZ时钟输入，多达32个通用I/O口（可承受5V电压），可通过个别使能/禁止外围功能外围时钟分频来优化额外功耗。较小的封装和很低的功耗使LPC2103特别适用于访问控制和POS机等小型应用中；由于内置了宽范围的串行通信接口和8KB的片内SRAM，它也非常适合于通信网关和协议转换器。高级性能还使它适合用作数学协处理器，此外也特别适用于工业控制和医疗系统中。
该芯片具有以下特点：
※ 16-bit/32-bit ARM7TDMI-S微控制器在一个小LQFP48 包装.
※ 8 kB的片内静态RAM和32 kB片上闪存程序内存. 128-bit宽度接口/加速器可实现高速70 MHz操作.
※ ISP/IAP通过片内引导程序软件.单个Flash扇区或整片擦除100 ms和256字节编程1 ms.
※ 嵌入式ICE RT提供实时与片内RealMonitor软件调试.
※ 该10-bit的A / D转换器提供8个模拟输入转换时间，低至2.44µs。每通道和专用的结果寄存器，以尽量减少中断开销.
※ Two 32-bit定时器/联合七捕获外部事件计数器和七比较通道.
※ Two 16-bit定时器/ 3路捕获外部事件计数器和七比较通道.
※ 低功耗实时时钟(RTC)具有独立的电源和专用32千赫时钟输入.
※ 多个串行接口，包括两个UART (16C550),两个快速I2C(400 kbit / s）与缓冲和可变数据长度功能，SPI和SSP
※ 向量中断控制器，configurable优先级和向量地址.
※ 最多至32个5 V宽容快速通用I / O的pins.
※ 13边沿或电平触发的外部中断pins可用.
※ 70 MHz最大CPU时钟从可编程片上PLL可以以到10的MHz 25 MHz可能的输入频率和100µs建立时间
※  片内集成振荡器与经营范围中的一个外部晶体从1 MHz到25 MHz.
※ 节电模式包括空闲模式，掉电与RTC主动模式，并掉电模式.
※ 单独使能/禁止外围功能以及周边时钟缩放额外的功率优化.
※ 处理器唤醒掉电模式，通过外部中断或RTC
下图3是LPC2103芯片的片内电路图：

图3是LPC2103芯片的片内电路图

4.2 核心技术
4.2.1 zigbee技术
ZigBee是近年来提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信新技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以满足对小型廉价设备的无线联网和控制。ZigBee技术的命名主要来自于人们对蜜蜂采蜜过程的观察，蜜蜂在采蜜过程中，跳着优美的舞蹈，其舞蹈轨迹像“Z”的形状，其蜜蜂自身体积小，所需要的能量少，又能传送所采集的花粉，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“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为Zigbee。
zigbee无线传感器网络( WSN) 是由部署在检测区域内大量的传感器节点组成，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，通过无线通信的方式形成一个多跳自组织网络，其目的是协作地感采集和处理网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。无线传感器网络具有规模大、密度高、无线通信、可快速构建等特征，适用于复杂多变、环境恶劣、监测网点多的工业现场数据采集和传输。无线传感器技术中的ZigBee 采用IEEE802. 15. 4 标准作为物理层和MAC 层标准，具有低数据速率、低成本、低功耗、实现简单等特点。ZigBee 无线传感器网络的技术特点决定了它在军事应用、工业监控、环境监测、医疗卫生、抢险救灾、智能家居等领域巨大的应用价值。
Zigbee无线传感器网络由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，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。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技术特点：
①低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。
②低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。
③低速率。ZigBee工作在20～250kbps的速率，分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
④近距离。传输范围一般介于10～100m之间，在增加发射功率后，亦可增加到1～3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。
⑤短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3～10s、WiFi 需要3 s。
⑥高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点的大网。
⑦高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单(Access Control List, ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。
4.2.2 无线WIFI技术
WIFI全称Wireless Fidelity，又称802.11b标准，它的最大优点就是传输速度较高，可以达到11Mbps，另外它的有效距离也很长，同时也与已有的各种802.11 DSSS设备兼容。IEEE 802.11b无线网络规范是IEEE 802.11网络规范的变种，最高带宽为11 Mbps，在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps，带宽的自动调整，有效地保障了网络的稳定性和可靠性。其主要特性为：速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低。Wi-Fi（Wireless Fidelity），无线保真技术与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。该技术使用的使2.4GHz附近的频段，该频段目前尚属没用许可的无线频段。其目前可使用的标准有两个，分别是IEEE802.11a和IEEE802.11b。
4.2.3 GPRS通信技术
通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service)的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。 它经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。GPRS(General Packet Radio Service)是一种以全球手机系统（GSM）为基础的数据传输技术，可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。
GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。如此，使用者既可联机上网，参加视讯会议等互动传播，而且在同一个视讯网络上（VRN）的使用者，甚至可以无需通过拨号上网，而持续与网络连接。
4.2.4 红外传感器技术
红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米范围内动物的行动。
4.2.5 压力传感器技术
应变计中应用最多的是粘贴式应变计(即应变片)。它的主要缺点是输出信号小、线性范围窄,而且动态响应较差(见电阻应变计、半导体应变计)。但由于应变片的体积小,商品化的应变片有多种规格可供选择，而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合，所以用应变片制造的应变式压力传感器仍在本系统中发挥着重要作用。
4.2.6 串口摄像头技术
串口摄像头(CAMERA)又称为数字拍照摄像头，JPEG摄像头等，是一款具有视频采集和图像压缩功能的设备，被广泛的运用于各种图像采集系统，环境监控，工业现场过程控制，医疗设备，可视电话，安全防盗，留像门铃，车载监控，远程监控，数字图像纪录等方面。之所以是用串口摄像头命名是因为只能用串口对其进行操作和控制。
串口摄像头不能单独使用，必须通过MCU对其进行控制，串口摄像头对主控器的要求不高，只要带有串口的MCU都可以与“串口摄像头”连接为一个系统。串口摄像头收到MCU的拍照指令之后，即响应指令进行拍照，并把数据暂存在内存当中，然后就是MCU就数据方便的操作了，摄像头的数据可以分包或者整包进行传送。

4.2.7 主要通信协议——zigbee协议
4.2.7.1 协议框架
ZigBee标准采用分层结构。每一层为上层提供一系列特殊的服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接入点(SAP)为上层提供一个接口，每个SAP都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能。 ZigBee标准堆栈架构是在OSI七层模型的基础上根据市场和实际需要定义的IEEE 802.15.4-2003标准定义了底层：物理层(Physical Layer，PHY)和媒体访问控制层(Medium Access Control Sub-Layer，MAC)。ZigBee联盟在此基础上定义了网络层(Network Layer，NWK)，应用层(Application Layer，APL)架构。其中应用层包括应用支持子层(Application Support Sub-Layer，APS)，应用架构(ApplicationFramework，AF)。
应用类
Zigbee协议框架如图4所示：
应用框架
Zigbee或OEM自定义
网络层、安全协议层

MAC层
Zigbee联盟
PHY层
IEEE组织

4.2.7.2 协议流程
一个基于Zigbee协议的通信流程简图，如图5所示：
A 应用层
A 网络层
A MAC层
A 物理层
B 应用层
B 网络层
B MAC层
B物理层

图5 zigbee协议通信流程
完成一次通信，大概的流程如图4，A设备的应用层提出要求，形成应用层的要求，然后到网络层形成了网络层的帧，然后到MAC层加上MAC层的格式然后到物理层，处理一下形成物理帧，然后收发机就发了。当B收到了A的内容经过他的物理层去掉物理层的格式化的内容然后再到MAC层进行分析，顺次到达B的应用层，经过了层层剥离最后获得了A的应有层的信息。相同地，B设备也是以相同的流程给A设备信息，这样就实现了A设备和B设备的双向通信。
5 硬件框图
5.1 平台架构
控制系统硬件框图是由大赛指定的硬件平台UP-CUP IOT-6410-II为核心，向外扩展而成。同通用I/O连接的有传感器模块；通过RS232串口连接了协调器模块和一个协调器CC2530模块。给整个模块加上了供电模块和以太网网口。串口摄像头用以实现抓拍功能；协调器给核心板传递终端节点采集的信息。
这些形成系统控制中心硬件框图，如图6所示：
RS232
LPC2103控制芯片

通用I/O口

通用IOO口

RS232串口2
电源供电模块
协调器
CC2530模块
传感器
警通知模块
以太网网口
摄像头

图6 系统控制中心硬件框图
5.2 zigbee节点框图
红外传感器
处理器
压力传感器
电源模块
调试借口
RF收发器
存储器

5.3 zigbee硬件框图
MCU
ATmega
128L
ZigBee
处理器
CC2530
功率
放大器
CC2591

5.4 传感器节点框图

5.5 串口摄像头框图

6 软件流程
6.1 传感器设计流程

开始
系统初始化
加入网络

打开摄像头拍照
收到传感器数据？
结束
指示灯闪烁

发送数据

6.2 zigbee设备程序流程设计
Zigbee的设计是基于博创公司给的中断例子改写而得到的。
a.首先由中心协调器启动网络。
b.周围的节点加入网络，因此组网完成。
c.当节点上的中断信号被触动后，节点把自身的标志位符号与触发信号一起传送给协调器节点。
d.由协调器给上层发送数据信息。
6.3 ARM平台程序设计流程
a. 编写对红外传感器模块和压力传感器模块控制的程序；
b. 编写对zigbee模块的控制程序；
c. 编写与摄像头相连接的程序；
d. 编写与SD卡相连接的程序；
e. 编写主控制程序。
6.4 协调器程序设计流程

开始
系统初始化
网络建立
指示灯闪烁
收到数据？
发送数据
结 束

7 系统测试方案
本系统是以LPC2103为控制中心，以Zigbee节点为基础设计的。在此次设计完成之后我们对其各个模块的各项功能进行了测试，测试方案如下：
7.1 ARM部分测试
把程序下载入ARM板上，打开终端页面进行观察。试着观察各个功能是否能够实现。再模拟消息输入ARM板上，观察ARM的输入与输出。
7.2 zigbee模块测试
利用官方提供的点对多点通信实验测试zigbee模块之间的通信。
7.3 红外传感器模块测试
测试这个模块时，我们将官方提供的关于热释红外传感器的程序写入zigbee模块，之后用手在红外传感器理论感应范围之内进行测试，并用万用表在个输入输出端口进行测试。
7.4 压力传感器模块测试
直接用串口把压力传感器和ARM控制器连接起来，测试时，只要有重量，压力传感器显示出来的就是相应的电压值，可以用万用表在输出端口进行测试。
7.5 串口摄像头模块测试
将串口摄像头链接ARM控制器，由ARM控制器发送命令给摄像头进行拍照并处理压缩数据。
7.6 整体平台测试
将所有的模块链接起来，首先，单独给定一个红外信号，观察系统运行情况；再单独 给定一个压力信号，观察系统运行情况。其次，给系统一个红外信号同时给定一个有效压力信号，观察系统运行情况。最后，由PC端输入读取照片指令，观察系统是否能正确运行从而得到想要得结果。
8 测试数据及结果分析
8.1 测试设备
在对该系统进行测试时使用到的仪器和设备，具体如下：
1、PC一台
2、数字万用表1块
3、直流稳压电源1台
4、示波器1台
5、CC2530模块一台
6、串口摄像头一台
7、红外传感器
8、 压力传感器
8.2 测试
8.2.1 ARM部分测试
测试结果：ARM模块在正常电压下能正常工作。各个输入输出引脚都在理论的基础上实现相应的高低电平。
分析：有时候，输入输出会出错，可能是程序不正确而引起的问题。
8.2.2 zigbee模块测试
测试结果：在点对多点的试验中，依次打开3个分别烧写入发送1、发送2和接受的zigbee模块，三个模块的LED1和LED2快速闪烁8次后，接着发送器的LED1和LED2交替闪烁。表明接收器接收到发送器1发送过来的数据LED1闪烁一次，接收到发送器2发过来的数据LED2闪烁一次。与该实验结果吻合。

8.2.3 红外传感器模块测试
测试结果：在该传感器正常工作后，当我们接近它时，它检测到了人体的热辐射，产生了一个高电平。
分析：在这次测量中，我们发现所使用的人体红外传感器反应有点缓慢。分析原因是跟传感器的灵敏度和工作电压有关系的电压值。
8.2.4 压力传感器模块测试
测试结果：在压力传感器设定初始化后，当我们在压力传感器上面放置一定重量的物品时，ARM输入端口产生一个高电平。
分析：在压力传感器上的重量达到我们设定的最低限额时，传感器才会有信号发出；相反，若达不到设定的限额，则没有任何信号。
8.2.5 串口摄像头模块测试
测试结果：当PC终端向串口摄像头发送拍照命令时，摄像头能拍照；当PC端向摄像头发送读取照片命令时，经过一短时时间，PC端能接受到来自摄像头的照片信息。
分析：摄像头拍照有一个大约2秒左右的延时，这是由于摄像头启动需要一定时间，在系统允许范围内。
8.2.6 整体平台测试
测试结果：在给予满足红外和压力传感器的条件后，摄像头能够实现抓拍的目的，继而进行数据的存储。当接受到PC端读取照片指令后，系统能在ARM控制器的控制下将图片数据发送至终端PC显示。至此，整个系统成功完成并达到想要得结果。
整个系统测试实物图如图8所示：
8.2.7 PC端软件测试
测试结果：在PC端运行野外动物抓拍系统显示软件，在满足软件运行的硬件配置后，该软件能正确运行，并能实现与系统监测节点间的连接及通信。软件运行情况如图9：

9 实现功能
9.1 ARM控制器
实现功能：ARM控制器是整个系统的大脑，是控制核心。它接受来自传感器的信号并作出相应的反应，实现抓拍目的。它接受来自PC端的命令并作出相应反应动作，实现控制器与监控中心的数据通信。
9.2 zigbee模块
实现功能：它是这个系统无线通信的基础，整个系统的数据传输都是在它的基础上完成的，他承担着发送和接收所有的数据
9.3 红外传感器
实现功能：该传感器能够检测到动物辐射出的红外线。当有动物接近时，红外传感器给ARM控制器发出信号，表明有动物在附近活动。
9.4 压力传感器
实现功能：当压力传感器感应到有重量，而且其重量达到限额值或在限额值以上，传感器均会给ARM控制器发出信号，表明有动物在附近活动。
9.5 串口摄像头
实现功能：它是系统的终端，实现对进入监控区域并且满足抓拍条件的动物的抓拍。当没有动物进入时，它处于关闭状态。
10 系统特色
10.1 zigbee无线网络
该系统考虑到野外环境中地形复杂、不易布网，又而网络覆盖的高成本，低性价比等的情况，特采用zigbee无线网络作为该系统的通信网络。充分利用zigbee网路的自组网功能，实现野外需要监控区域内无盲点覆盖，又不影响系统功能及数据传输