基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

劉學會，田 珍

（鄭州職業(yè)技術(shù)學院 軟件工程系，鄭州 450121）

0 引言

家居安防系統(tǒng)[1]即利用計算機技術(shù)、無線通信技術(shù)和電子電力技術(shù)等先進的通信和控制技術(shù)，通過網(wǎng)絡化的綜合管理，實現(xiàn)對家居生活以及家庭安防的緊密結(jié)合的系統(tǒng)，它使得家庭工作和生活更輕松和安全。

傳統(tǒng)的采用有線方式來實現(xiàn)家居安防的方式既有傳輸距離、布線復雜以及維護困難等缺點，遠遠不能滿足社會和市場對于家居安防的要求。

物聯(lián)網(wǎng)(Internate of Things)[2]由Kevin Ashton于1998年提出，通過射頻識別、紅外感應及激光掃描、二維碼、GPS等技術(shù)將任何物品連接成網(wǎng)絡，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、處理和通信，從而實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的智能化識別和監(jiān)控。

目前，已有一些研究[3-5]通過物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。文獻[3]提出一種通過ZigBee[6]無線網(wǎng)絡實現(xiàn)對家居設(shè)備進行信息采集和控制的家居安防系統(tǒng)，通過家庭網(wǎng)關(guān)與SQL Server數(shù)據(jù)庫連接，終端用戶通過B/S方式訪問數(shù)據(jù)庫以實現(xiàn)對家居的遠程監(jiān)控。文獻[4]提出了一種結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和多種無線通信技術(shù)的家居功能系統(tǒng)，遠程用戶可以通過短信實現(xiàn)對家居感知節(jié)點的控制。文獻[5]提出了一種基于多CPU的智能機房物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，不僅能實現(xiàn)對機房的遠程監(jiān)控，而且能實現(xiàn)視頻、音頻和圖像等信息的傳遞。

上述工作均利用物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，具有重要的意義，但具有成本高的缺點。為了克服其缺點，文中設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的家居安防監(jiān)控系統(tǒng)，其不僅能正確實時地采集數(shù)據(jù)實現(xiàn)對感知區(qū)域的監(jiān)控，同時具有架設(shè)安全、可靠性高和成本低廉的優(yōu)點。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)根據(jù)全面感知、可靠傳遞以及智能處理的三大功能需求，可以將其實現(xiàn)過程分為三層結(jié)構(gòu)：第一層為感知延伸系統(tǒng)，主要功能為采集信息和控制設(shè)備；第二層為異構(gòu)融合的泛在通信網(wǎng)絡，主要負責異構(gòu)網(wǎng)絡的互聯(lián)互通以及存儲處理功能；第三層為應用和服務層，主要負責進行數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析等。物聯(lián)網(wǎng)的應用技術(shù)構(gòu)架可以表示為圖1所示：

圖1 物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)構(gòu)架

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

智能安居安防系統(tǒng)可以表示為圖2所示，感知層由若干感知節(jié)點和控制節(jié)點組成，感知節(jié)點用于對家居環(huán)境進行數(shù)據(jù)感知和采集；控制節(jié)點用于對家居環(huán)境進行控制。網(wǎng)絡層由中心協(xié)調(diào)器、ZigBee無線通信網(wǎng)絡和以太網(wǎng)組成，負責數(shù)據(jù)和控制指令的處理和轉(zhuǎn)發(fā)；應用層則由智能家居系統(tǒng)上位機、社會物業(yè)服務器、互聯(lián)網(wǎng)客戶終端和手機客戶終端組成，負責對數(shù)據(jù)進行收集、分析以及發(fā)出控制命令。

圖2 智能家居安防系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 終端節(jié)點硬件設(shè)計

終端節(jié)點主要包含傳感器節(jié)點和控制節(jié)點，感知節(jié)點采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，控制節(jié)點接受中心協(xié)調(diào)器的控制指令，實現(xiàn)對各種家用設(shè)備的控制。

傳感器節(jié)點主要包含溫濕度傳感器SHT10，光敏傳感器HL304HP， 煙霧傳感器mq-2，紅外傳感器T0-5。

控制節(jié)點組要包含窗簾控制節(jié)點、照明燈控制節(jié)點，電視機控制節(jié)點和空調(diào)控制節(jié)點等。為了減少開發(fā)成本，通過改造遙控的方式實現(xiàn)對家用設(shè)備的控制。

傳感器節(jié)點和控制節(jié)點的MCU采用AT公司的ATmega128L芯片，它具有電壓低和體積小的優(yōu)點，方便集成在PCB上，具有最高為8MHZ的工作主頻，128KB的閃存和4KB的可編程空間，并支持多種睡眠模式，可以最大程度降低功耗；具有多種標準IO接口和數(shù)模A/D轉(zhuǎn)換接口，ATmega128L芯片的電路原理圖如圖3所示：

圖3 ATmega128L芯片電路圖

傳感器節(jié)點和控制節(jié)點的ZigBee無線收發(fā)模塊采用低功耗的CC1000無線收發(fā)芯片，其具有電壓低、功耗低、高靈敏度等優(yōu)點，工作頻帶為315、433、866 和 915MHz。

3.2 中心協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計

中心協(xié)調(diào)器的主要功能為接收傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，并解析由上位機發(fā)送過來的控制命令，對控制節(jié)點進行控制。

中心協(xié)調(diào)器控制器采用ARM9系列的微處理器S3C2410為核心，采用嵌入式系統(tǒng)作為控制中心，節(jié)點設(shè)計集成了32位的S3C2410處理器，16M的閃存和64M的數(shù)據(jù)存儲器，并支持JTAG-ICE程序調(diào)試接口，LCD顯示頻、電源管理電路、USB接口電路以及其它接口電路等，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示：

圖4 中心協(xié)調(diào)器控制器結(jié)構(gòu)圖

中心協(xié)調(diào)器的ZigBee收發(fā)模塊采用低功耗的CC1000無線收發(fā)芯片。

以太網(wǎng)芯片DM9000集成了以太網(wǎng)MAC控制器，采用3.3V-5V寬電壓，具有超低功耗模式、功率降低模式和電源故障模式。

中心協(xié)調(diào)器控制器可以通過鍵盤電路外接鍵盤和LCD接口外接顯示屏構(gòu)成人機交互界面，進行信息的查詢和控制指令的發(fā)布。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計以TI公司的Z-Stack協(xié)議棧為核心，由于其底層協(xié)議棧已實現(xiàn)，故對于具體的應用開發(fā)，只需要對應用層進行定制即可。

4.1 終端節(jié)點軟件設(shè)計

終端節(jié)點主要功能是采集數(shù)據(jù)以及接受控制指令對設(shè)備進行控制，傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)和控制節(jié)點控制設(shè)備進行運轉(zhuǎn)的軟件流程過程如下：OSAL任務主循環(huán)接收到應用層事件的出發(fā)，調(diào)用應用層事件處理函數(shù)APP_ProcessEvent()，當判斷其為APP_Working_Evt事件后，判斷是否為傳感器采集數(shù)據(jù)命令，如果是則傳感器開始調(diào)用CollectProcess()采集光照、溫度和濕度等信息，并將其通過ZigBee無線收發(fā)模塊發(fā)送給中心協(xié)調(diào)器；如果不是APP_Working_Evt事件，則判斷是否為AF_Incoming_Msg_Cmd事件，如果是，則判斷是否為控制設(shè)備命令，如果是則啟動控制節(jié)點進行設(shè)備控制，其可以表示為圖5所示。

圖5 終端節(jié)點軟件流程圖

4.2 中心協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

中心協(xié)調(diào)器主要負責組網(wǎng)，接收傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，并將其通過以太網(wǎng)接口傳輸?shù)缴衔粰C，同時，接收上位機發(fā)送的控制命令，以實現(xiàn)對家用設(shè)備的控制，采用OSAL操作系統(tǒng)抽象層進行資源管理，其定時進行OSAL任務輪詢主循環(huán)，判斷是否有事件發(fā)生，當發(fā)生事件時，按優(yōu)先級對其進行處理。

圖6 中心協(xié)調(diào)器軟件流程設(shè)計

5 系統(tǒng)測試

上位機應用程序客采用B/S結(jié)構(gòu)，使用的開發(fā)工具采用VS2010，Web應用服務器采用微軟的IIS，數(shù)據(jù)庫服務器采用SQL Server 2010， 其監(jiān)控界面如圖7所示，當07住戶登錄后，對室內(nèi)各傳感器的值進行瀏覽，發(fā)現(xiàn)煙霧傳感器采集的值偏離了正常范圍，其對應記錄并呈現(xiàn)藍色高亮顯示，并在右下角跳出警告框提示用戶進行相應控制或采取補救措施。

圖7 上位機軟件監(jiān)控界面

6 結(jié)束語

文中提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的家智能家居安防設(shè)計方案，系統(tǒng)的硬件由終端節(jié)點和中心協(xié)調(diào)器組成，對其硬件進行了描述，同時對系統(tǒng)的軟件流程進行了詳細設(shè)計。最后，通過運行系統(tǒng)進行測試，結(jié)果表明系統(tǒng)能實現(xiàn)對家居安防的實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，并具有建設(shè)維護費用低廉、不受環(huán)境約束、以及軟件升級容易等優(yōu)點。

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