基于物聯網的智能家居安全防護系統設計

趙靜+麻名蕊+宋振

摘 要 針對現代家庭的各種不安全因素，將物聯網技術應用到家居安全防護系統中，以物聯網的感知層、網絡層、應用層的三層體系結構為依據，感知層自動采集家居環境參數，利用嵌入式微處理器ARM Cortex-A9為核心的網關連接ZigBee協調器、GPRS模塊以及Internet互聯網，保證與應用層的信息傳輸。運行在嵌入式網關上的Qt交互操作界面以及移動終端管理系統可以方便用戶查看接收家居安防數據并進行管理控制。通過智能門禁、智能門窗防盜、煤氣監測、火災監測、遠程監控等功能，實現了不需要人為干預、自動檢測異常并及時作出預警的智能家居安防系統。

【關鍵詞】無線傳感器網絡 智能家居 嵌入式

家居生活中煤氣管道、熱水器以及其他大容量家用電器的使用，都明顯地增加了發生火災的可能性以及煤氣中毒、爆炸的危險；另外，入室行兇、盜竊等違法犯罪活動時有發生，給社會帶來不安定因素，人們對生命及財產的安全性越來越重視。傳統的機械式（防盜網、防盜窗）安全措施不但影響樓房的整體美觀，而且一旦住宅內發生火災等突發事件，更是難以逃生。隨著嵌入式技術、傳感器技術的不斷發展，物聯網技術越來越多的應用在各個領域，在物聯網三層體系結構指導下構建的智能家居安全防護系統，通過智能門禁、智能門窗防盜、煤氣監測、火災監測、遠程監控等功能模塊，實現更加安全可靠的安全防護功能。

1 整體設計方案

智能家居安全防護系統以物聯網的感知層、網絡層、應用層的三層體系結構為依據，感知層通過人體探測器、煙霧探測器、可燃氣體探測器、門磁探測器、溫度傳感器等傳感器實現安全防護信息的實時采集，采取ZigBee技術構成無線傳感器網絡；網絡層通過嵌入式網關與感知層相連，通信網絡包括寬帶無線網絡、光纖網絡和蜂窩網絡，本層實現數據交換與通信，將大量感知信息傳輸給應用層；應用層提供家居安全防護管理平臺和運行平臺，用戶可以在PC機或手機端實時查看家居安全狀況，在出現安全問題時，安防系統會及時報警，并通過無線通信網絡通知用戶，用戶可以通過PC機或手機端對傳感設備進行開關控制。將無線傳感器網絡布設在家居環境中，實現無需人為干預、自動檢測數據并根據信息處理情況進行預/報警的智能家居安防系統。系統結構圖如圖1所示。

2 系統的設計

2.1 感知層

智能家居安全防護系統在感知層主要實現家居環境各類參數的有效采集，并保證與網絡層的實時信息傳輸。各數據感測節點以無線傳感器網絡的形式自動組網，實現數據的有效采集與傳輸。無線傳感器網絡（WSN）是由大量無處不在的，具有通信與計算能力的微小傳感器節點密集布設在無人值守的監控區域，從而構成的能夠根據環境自主完成指定任務的“智能”自治測控網絡系統。

智能家居安全防護系統中傳感器節點涉及煙霧感測、門磁感應、人體探測、溫度傳感等感測功能，通過協調器組建ZigBbee無線網絡，并與ZigBee語音報警器節點無線通信，保證及時預警功能。在正常供電情況下，通過ZigBee無線網絡自動將煙霧濃度信息、門磁距離、人體移動信息、室內溫度等傳感器采集的數據傳輸給網絡協調器。網絡協調器經過網關接入Internet、無線通信網絡等外部網絡。網關對接收的傳感器節點數據進行分析處理，將處理后的信息存入嵌入式數據庫，方便外部網絡進行訪問。

2.2 嵌入式網關

網關是連接兩個或多個相互獨立網絡的協議轉換器，通常網關每接收一種協議的數據包后，在轉發之前將其轉換為另一種協議的格式。鑒于本系統是主要實現家居智能安防系統的ZigBee網絡與Internet和GPRS等外部網絡的數據通信，系統應用環境以靜態處理為主，傳感節點基本無需移動檢測，而且家居環境下設備應體積小、功耗低，本系統選擇嵌入式微處理器ARM Cortex-A9為核心實現網關的硬件搭建，通過ARM處理器連接ZigBee協調器、GPRS模塊以及Internet互聯網，實現ZigBee網絡與外部網絡的有效互聯，保證家居安防系統的實時信息傳輸。

ARM Cortex-A9處理器相較于ARM之前版本的處理器具有更高的性能表現和應用兼容性，在高性能、低功耗方面表現優異，并有效延長了電池使用壽命，以A9處理器作為網關處理器對提升智能家居安防系統整體效率具有重要作用。為了實現感知設備能夠將數據實時傳輸給終端用戶，本系統通過嵌入式網關與Internet互聯網連接，通過TCP通信方式傳輸數據。對于緊急情況的報警通知，則通過ARM網關與GPRS模塊相連，撥打預留手機號并發送短信及時提醒。嵌入式網關與各功能模塊連接方式見圖2。

本系統在嵌入式網關上移植嵌入式Linux操作系統，嵌入式Linux性能優異，方便移植，代碼開放，應用產品開發周期短，實時性能穩定。為保證網絡互聯，還需要在網關上移植TCP/IP協議棧以及ZigBee協議棧，實現對ZigBee網絡數據的正確收發與轉換，并可以通過Internet互聯網與用戶遠程連接。

2.3 網絡層

智能家居安全防護系統能夠保證無人值守的情況下自動測控，用戶可以遠程訪問系統及時查看家中情況。網絡層通過Wi-Fi以及光纖網絡實現與PC機及其他終端設備的連接，用戶只需在終端設備上安裝客戶端應用管理平臺，即可隨時查看各項家居環境參數；網關還與GPRS模塊相連，出現異常則撥打設定手機號并發送預警短信；網關通過ZigBee協調器與語音報警器節點實現無線通信，一旦檢測數據異常則及時作出預警。

2.4 應用層

智能家居安全防護系統的應用管理平臺既可以在網關上通過交互界面進行管理操作，也可以在移動終端遠程查看接收家居安防數據并進行管理控制。本系統不需要人為干預，能夠自動檢測家居環境參數并實時傳輸到應用管理平臺，出現異常能及時作出預警，通過語音報警器發出報警信號，并通過GPRS模塊與關聯手機聯系，及時提醒。

鑒于家居環境盡量減少空間占用的需求，PC端應用管理平臺可直接在A9網關上實現，這樣既能保證較小的空間占用，又能方便監測環境的有效部署。本系統在嵌入式網關也實現了可供用戶使用的Qt交互操作界面，Qt具有非常優良的跨平臺特性，一次編程即可通過交叉編譯使程序運行在不同平臺上，而且Qt支持目前主流的大部分操作系統，良好的人機交互界面為設計產品增添不少色彩。

安全防護功能可以根據系統使用情況選擇不同的情景模式，并設置不同模式下聯動工作的無線傳感器網絡中的傳感器節點與其他功能模塊，從而實現無人值守的智能防護系統自動檢測與預警功能。PC端各情景模式下聯動添加的界面如圖3所示。

對于家中無人的情形，智能家居安防系統可以將無線傳感器網絡采集的家居環境參數實時傳遞給移動終端，移動終端設備上只需要安裝客戶端程序，通過網絡連接智能安防系統，即可實時查看家居安防運行情況，并可以根據需要遠程設置不同模式的傳感節點與功能模塊開關。

3 結語

現代家庭存在越來越多的安全隱患，人們對生命及財產的安全性越來越重視，迫切需要更加安全可靠的家居安全防護措施。本系統以物聯網三層體系結構為依據，結合無線傳感器網絡技術，采用ARM Cortex-A9實現的嵌入式網關與Zigbee網絡以及終端設備互聯，能夠提供智能門禁、智能門窗防盜、煤氣監測、火災監測、遠程監控等功能，更有效的滿足家庭安全防護、自動報警的需要，同時還提供遠程監控的聯網防范措施，使得家庭安全防護更加可靠。這種系統模型可以推廣到現代家庭中使用，甚至在智能大樓、智能倉儲等領域都可以進行推廣和移植。

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