基于物聯網家居安防系統的設計

袁凱烽++何濤

摘 要：在對目前家居的安防系統進行分析后，得出目前安防系統不能實時進行響應以及不能以更多的人機交互方式實時響應安防監控的結論。針對這一現象，文中提出了基于物聯網技術的家居安防系統設計方案。該方案采用ZigBee無線模塊進行快速無線通信、GSM短信實時通訊、Internet網絡遠程訪問與控制、多樣人機交互來實現安防系統功能。

關鍵詞：物聯網；智能家居；人機交互；ZigBeee

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）11-00-03

0 引 言

智能家居安防產業經過了30多年的發展歷程，由原來的單一控制演變為現在的多控制方式，由原來的模擬監控系統發展成為現在的網絡化、數字化、智能化監控系統。如今，我國智能家居安防產業有了一定的發展，已經開始研發并生產擁有自主知識產權的產品。目前，通過物聯網智能家居技術。嵌入式操作系統和無線傳感網技術，可以組建家庭網絡系統，搭建安防報警系統，若有人非法進入室內，發生燃氣泄漏、火災等險情，系統將通過短信、彩信、電話方式在第一時間發出報警信號。這種傳統的智能家居方式不能實時有效地實施家用安防，以及不能以更多的人機交互方式實現有效的遠程監控及安防報警[1]。在本項目中準備采用傳感層各節點聯動方式進行報警及報警后的預設方案進行處理報警，同時，在本項目中利用現用的主流Android系統設計實現Internet網絡遠程訪問與監控App的設計與實現，使用戶在任何地方都可以了解當前家中的安防信息。

1 總體架構設計

智能家居安防系統依據全面感知、可靠傳遞、智能處理的功能需求，可劃分為數據采集層、集成處理層、數據層和終端應用層四個層次[2]，具體如圖1所示。

（1）感知層：數據層采集層用于完成信息的采集、轉換、收集和整理。在數據采集層中主要包括兩個部分，其一是數據采集模塊和終端控制的終端裝置，數據采集模塊如煙感、火焰、燃氣等完成信息采集，終端裝置如蜂鳴、燈光等完成最終控制。第二部分是短距離的無線傳輸，短距離傳輸是終端裝置與網關的雙向傳遞。

（2）網關層：網絡層主要由一臺嵌入式網關構成，是整個安防的中心，主要實現 Internet 網 ， GSM 網的接入、遠程控制以及實現協議轉換。通過它來實現連接家庭內部異構網絡的功能。

（3）網絡層：網絡層主要由一臺Web服務器構成，其主要作用在于同網關層進行數據交換，用戶再通過用戶層終端訪問Web服務器獲取相應的實時監控數據。

圖1 系統框架結構

（4）應用層：用戶應用層包括各類搭載了 Web 瀏覽器的終端設備，以及智能手持設備構成，用戶可通過云端服務器獲取安防的實時信息。

2 系統硬件設計

2.1 數據采集層通訊設計

數據采集層通訊層設計采用TI公司的CC2530。CC2530是2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE 應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點[3]。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型 8051 CPU，系統內可編程閃存，8 KB RAM 和許多其他強大的功能。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短，進一步確保了低能源消耗。CC2530F256結合了德州儀器業界領先的黃金單元 ZigBee 協議棧（ Z-Stack?），提供了一個強大和完整的 ZigBee 解決方案。因此在本系統中選用CC2530+ Z-Stack作為無線通訊開發。

2.2 傳感控制模塊設計

ZigBee節點搭載相應的傳感器和繼電器構成，在系統中在線監控氣體和火焰，并通過繼電器控制電器的運行等。煙霧傳感器使用MQ2。MQ2的輸出通過兩種方式接入CC2530。（1）P0.0輸出模擬信號，信號值隨煙霧濃度變化而變化；（2）輸出的模擬信號經過LM393電壓比較器給出布爾量（可通過與LM393相連的可調電阻調節閾值），供電部分可使用電池或5 V直流電源，經過LM1117后給出3.3 V的接入電壓。MQ2工作時功耗比較大，所以部署時一般不使用電池供電。燃氣傳感器MQ4與煙霧傳感器的工作原理及接入方式一樣，火焰傳感器會給出報警的開關量，可以通過可調電阻靈敏調節。煙霧傳感器模塊如圖2所示。

圖2 煙霧傳感器工作模塊圖

2.3 網關模塊設計

在網關模塊設計中，采用的以Samsung Cortex-A8 S5PV210 芯片為核心的 ARM 主CPU，運行最大頻率可達1GHz，處理器內部為 64/32 位總線結構， 32/32 KB 一級緩存，512 KB 二級緩存[4]。自帶 3D 圖形加速引擎（SGX540）， 2D 圖形加速，支持高清 HDMI TV 輸出。主要功能模塊包括：微處理器模塊、USB 接口模塊、串口模塊、網絡接口模塊、GSM模塊、無線收發模塊，最大的特點是利用移動通信網絡，加入了 GPRS 通信模塊[5]。該網關硬件平臺接口功能豐富，可以滿足家居中安防系統網關的低成本、高性能、低功耗及功能相對完善的要求。 圖3所示為網關硬件平臺結構圖。

圖3 網關硬件平臺結構圖

3 系統軟件設計

3.1 嵌入式網關的軟件設計

嵌入式網關實現主要基于Android操作系統的實現。在架構中起中間件作用。為服務器提供實時的家居信息，提供各智能控制節點的接口，通過串口實時與ZigBee協調器進行溝通，實時采集下位機報警節點的環境信息數據，對敏感數據進行業務處理，如發生警報及時向服務器端報警，以及通過GSM及時向用戶設定號碼進行短信報警。在與云端服務器數據進行交互時，在軟件中部署客戶端調用服務端WebService[6]。除此之外，網關服務實時監控部分在后臺作為獨立子線程工作，實時進行數據采集。該層是整個安防系統架構的核心，其貫穿了整個系統的中軸線[7]。圖4所示為嵌入式網關部署圖。

圖4 嵌入式網關部署圖

3.2 智能終端軟件設計

智能終端軟件平臺有兩種模式，第一種模式為PC客戶端[8]，第二種模式為Android客戶端。智能家居的系統平臺作用主要是與用戶進行直接對話，即實現對當前家居環境的實時監控，同時對智能家居中的相應模塊進行可視化實時操作。兩種模式包括系統參數的設置、設備控制、閾值的設置、數據查詢等，具體如圖5所示。

（1）環境實時監控：可通過預設平面圖，對安防各節點信息實時掌握，如遇報警信息可及時響應。

（2）設備控制：用戶可對當前環境中相應控制節點參數，閾值設置及運行狀態進行更改及控制。

（3）數據分析：歷史環境信息進行統計。

PC端的實現是基于Web平臺的客戶端，主要服務器架設在云端。手機終端的數據主要也是通過云端WebService來獲取。

圖5 智能終端軟件模塊設計

3.3 服務器端軟件設計

主服務器端的應用程序是在VisualStudio2010環境下采用 ASP.NET C#技術開發的。ASP.Net框架提供統一的Web開發模型，它的思想是使用盡可能少的代碼生成企業級Web應用程序。整個軟件的架構分模塊進行設計，根據功能劃分后，確定每個模塊的算法和代碼，形成方案，這樣系統可以具有較好的可擴展性和維護性[9]。服務器端采用三層結構設計，包括表現層/服務層、業務邏輯層、數據訪問層。在表現層中為客戶端的用戶提供交互操作界面，服務層主要負責關鍵業務的處理和數據傳遞，數據層主要實現的是對數據庫操作的相應訪問。服務層主要是對中間件網關進行響應處理，為網關或智能手持端協調提供Web服務。業務邏輯層實現調用部署在 Web 服務器上的 WebService 方法，向底層服務器發出請求進行管理和控制。該系統架設好后，用戶可在任意網絡位置對智能家居的安防信息進行全天候的監控[10]。

4 結 語

本文主要分析了目前智能家居的安防系統，根據需求，結合當前物聯網的相關技術，對物聯網安防系統進行了系統整體的設計，整個安防系統可以實現對智能家居中主要安全環境進行監測和報警的功能，達到了預期目標，對智能家居安防系統行業的開發與設計有一定的參考價值，后續的工作是進一步擴展該架構的應用領域。

參考文獻

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[2] 葉高揚，畢冉.基于物聯網的智能家居系統設計與實現[J].計算機應用，2014，34（S1）：318-319，351.

[3] Dao Qu， Jifeng Yang， Wei Chen.Design of Intelligent Mobile Monitor System Based on ZigBee and Android[J].Microcontrollers and Embedded Systems，2012，12（6）：10-12.

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[5] 李曉丹.基于STM32的物聯網嵌入式網關的設計[J].計算機工程與應用，2015，51（4）：61-65.

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[7] 李懷亮，李美麗，張全禹，等.物聯網智能家居系統的設計與實現[J].綏化學院學報，2012，32（2）：190-192.

[8] 王朝華，陳德艷，黃國宏，等.基于Android的智能家居系統的研究與實現[J].計算機技術與發展，2012，22（6）：225-228.

[9] 陳海明，崔莉，謝開斌.物聯網體系結構與實現方法的比較研究[J].計算機學報，2013，36（1）：168-188.

[10] 錢志鴻，王義君.物聯網技術與應用研究[J].電子學報，2012（5）：1023-1029.