智能家居監(jiān)控及安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣春利，李政林，羅文廣，寧健飛，羅植升

（廣西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

智能家居監(jiān)控及安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣春利，李政林，羅文廣，寧健飛，羅植升

（廣西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

針對(duì)傳統(tǒng)的智能家居監(jiān)控及安防系統(tǒng)成本高、效率低、傳輸距離受限等特點(diǎn)，采用ZigBee模塊組建無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)以太網(wǎng)模塊HLK_RM04進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控。考慮到系統(tǒng)的抗干擾性和對(duì)數(shù)據(jù)的響應(yīng)速度，使用移動(dòng)終端通過(guò)云端連接技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)真正實(shí)時(shí)、實(shí)用、高效的智能家居監(jiān)控及安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)由監(jiān)控終端主機(jī)、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)從機(jī)、車(chē)庫(kù)安防監(jiān)控從機(jī)和云服務(wù)四部分組成。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟包率較低、性能穩(wěn)定、系統(tǒng)功耗小、操作簡(jiǎn)單，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；監(jiān)控；安防；云端；終端；丟包率

0 引言

隨著科技的迅速發(fā)展，社會(huì)逐漸步入了智能信息化的時(shí)代。傳統(tǒng)的智能家居監(jiān)控及安防系統(tǒng)通常采用以下兩種監(jiān)控模式：一種是以全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（global system for mobile communication，GSM）為核心，實(shí)現(xiàn)異地信息報(bào)警的監(jiān)控系統(tǒng)［1-4］，但其缺點(diǎn)是短信收發(fā)效率低、成本高，且不能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；另一種則是以局域網(wǎng)為核心的監(jiān)控系統(tǒng)，但是數(shù)據(jù)傳輸距離受限，并不能進(jìn)行真正的遠(yuǎn)程監(jiān)控。以上兩種監(jiān)控模式都很難滿(mǎn)足人們的需求。

為了解決這一難題，本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，在打破傳統(tǒng)的傳輸效率低下、距離受限等缺點(diǎn)的前提下，結(jié)合以太網(wǎng)/GPRS進(jìn)行無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的遠(yuǎn)程監(jiān)控。在此設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，HLK_RM04以太網(wǎng)模塊使用的是單獨(dú)CPU，這樣做的好處是：不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性，還提高了系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的響應(yīng)速度。當(dāng)用戶(hù)終端通過(guò)GPRS或WiFi連接云服務(wù)器，Ping通網(wǎng)絡(luò)，即可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)真正遠(yuǎn)程的智能化家居監(jiān)控及安防的目的。同時(shí)，系統(tǒng)也能達(dá)到智能監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展所需數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的安全管理目標(biāo)［5-8］。

1 系統(tǒng)方案的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由監(jiān)控終端主機(jī)、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)從機(jī)、車(chē)庫(kù)安防監(jiān)控從機(jī)和云服務(wù)四大部分組成。監(jiān)控終端主機(jī)部分主要負(fù)責(zé)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集、通過(guò)ZigBee與從機(jī)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信、控制家居內(nèi)的家電、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊與用戶(hù)終端通信等。環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)從機(jī)部分則主要負(fù)責(zé)家居室外的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)，例如：溫濕度、PM2.5、光照強(qiáng)度等，把所采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送給監(jiān)控終端主機(jī)。車(chē)庫(kù)安防監(jiān)控從機(jī)部分主要負(fù)責(zé)對(duì)車(chē)庫(kù)環(huán)境進(jìn)行安防監(jiān)控，把安防預(yù)警信息發(fā)送給監(jiān)控終端主機(jī)。云服務(wù)則由HLK_RM04網(wǎng)絡(luò)模塊的供應(yīng)商提供。系統(tǒng)的遠(yuǎn)程終端設(shè)備可以是計(jì)算機(jī)或手機(jī)，用戶(hù)終端軟件通過(guò)有線(xiàn)連接（寬帶）或無(wú)線(xiàn)連接（WiFi或GPRS）匹配上云服務(wù)器秘鑰后，即可通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，從而對(duì)家居進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證家居環(huán)境的安全、可靠［9-11］。

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Overall block diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)監(jiān)控終端主機(jī)的方案設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端主機(jī)框圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)控終端主機(jī)框圖Fig.2 Block diagram of the host of monitoring terminal

系統(tǒng)監(jiān)控終端的主機(jī)由STM32F103ZE處理器、ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、溫濕度和可燃?xì)怏w傳感模塊、MP3及語(yǔ)音播放模塊、SD卡數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊及TFT顯示模塊等組成。

監(jiān)控終端主機(jī)主要執(zhí)行以下任務(wù)。

①采集家居室內(nèi)環(huán)境參數(shù)（例如：廚房?jī)?nèi)的溫濕度、可燃?xì)怏w濃度等）；

②使用GUI編寫(xiě)觸摸界面，用于家居設(shè)備控制、安防監(jiān)控設(shè)備以及系統(tǒng)設(shè)置等功能的選擇；

③通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和各路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)；

④處理用戶(hù)終端（手機(jī)或計(jì)算機(jī)）通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)來(lái)的指令；

⑤通過(guò)SD卡存儲(chǔ)預(yù)警信息，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊將信息發(fā)送到用戶(hù)終端。

2.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)從機(jī)的方案設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)從機(jī)使用STM32F103C8T6作為處理器，以光照強(qiáng)度傳感器、氣壓計(jì)傳感器、人體紅外感應(yīng)傳感器、PM2.5傳感器等作為信息獲取單元，把采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送給監(jiān)控終端主機(jī)。環(huán)境監(jiān)測(cè)從機(jī)框圖如圖3所示。

圖3 環(huán)境監(jiān)測(cè)從機(jī)框圖Fig.3 Block diagram of the environment monitoring slave

2.3 車(chē)庫(kù)安全監(jiān)控從機(jī)的方案設(shè)計(jì)

車(chē)庫(kù)的安防主要借助人體紅外感應(yīng)模塊與超聲波模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。人體紅外感應(yīng)模塊采用的是HC_SR501，用來(lái)監(jiān)測(cè)是否有人撬門(mén)而進(jìn)；超聲波模塊采用的是HC_SR04，用來(lái)監(jiān)測(cè)車(chē)輛位置，以確保車(chē)輛是否安全。從機(jī)處理器引腳PB6、PB7分別連接HC_SR的 Ttig、Echo 引 腳 （PA1、PA2連 接 的 是 另 一 模 塊HC_SR04），通過(guò)定時(shí)器中斷方式來(lái)獲取數(shù)據(jù)，而處理器引腳PA7連接HC_SR501的引腳，通過(guò)判斷高低電平進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

車(chē)庫(kù)安防電路圖如圖4所示。

圖4 安防電路圖Fig.4 The circuitry of security system

假如當(dāng)前有人偷車(chē)，負(fù)責(zé)安防監(jiān)測(cè)的傳感設(shè)備就會(huì)把經(jīng)處理器處理后的預(yù)警數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送到監(jiān)控終端主節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)器，從而傳送給終端主機(jī)。終端處理器接收完數(shù)據(jù)后會(huì)執(zhí)行一個(gè)判斷操作，確認(rèn)無(wú)誤后，將執(zhí)行語(yǔ)音報(bào)警、信息存儲(chǔ)功能，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊把預(yù)警信息發(fā)送給用戶(hù)終端進(jìn)行提示。

車(chē)庫(kù)安全監(jiān)控從機(jī)框圖如圖5所示。

圖5 安全監(jiān)控從機(jī)框圖Fig.5 Block diagram of the security monitoring slave

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)監(jiān)控終端主機(jī)的程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)控終端主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)部分主要包括使用GUI編寫(xiě)TFT觸摸屏界面，采集處理溫濕度和可燃?xì)怏w濃度等數(shù)據(jù)，通過(guò)串口控制ZigBee無(wú)線(xiàn)協(xié)調(diào)器接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。假如室內(nèi)意外事件觸發(fā)了系統(tǒng)安防或環(huán)境預(yù)警功能，處理器根據(jù)接收到的信息（數(shù)據(jù)）進(jìn)行判斷確認(rèn)后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊HLK_RM04將預(yù)警信息（數(shù)據(jù)）發(fā)送給用戶(hù)終端（手機(jī)或PC機(jī)）進(jìn)行提示；通過(guò)SD卡存儲(chǔ)有效數(shù)據(jù)，并執(zhí)行語(yǔ)音預(yù)警播報(bào)功能。

監(jiān)控終端主機(jī)程序流程圖如圖6所示。

圖6 主機(jī)程序流程圖Fig.6 Flowchart of the program of host

3.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)從機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 室外環(huán)境參數(shù)軟件設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)從機(jī)通過(guò)STM32F103C8T6處理器采集家居室外環(huán)境的溫濕度、光照強(qiáng)度、PM2.5濃度及大氣壓值等數(shù)據(jù)，對(duì)家居環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)采集中涉及單總線(xiàn)、IIC、SPI等數(shù)據(jù)通信協(xié)議和A/D采樣等采集方式以及滑動(dòng)濾波、補(bǔ)償濾波等復(fù)雜算法［5］。室外環(huán)境參數(shù)采集處理程序流程圖如圖7所示。

圖7 參數(shù)采集處理程序流程圖Fig.7 Flowchart of the parameter collection and processing program

3.2.2 門(mén)禁及大門(mén)安防監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

門(mén)禁及大門(mén)安防監(jiān)控設(shè)計(jì)程序流程圖如圖8所示。單片機(jī)通過(guò)控制NG955舵機(jī)實(shí)現(xiàn)門(mén)禁功能，而大門(mén)安防部分主要是通過(guò)使用人體紅外感應(yīng)模塊對(duì)人體進(jìn)行紅外感應(yīng)監(jiān)測(cè)，判斷是否有人靠近大門(mén)，從而選擇是否開(kāi)啟系統(tǒng)安防預(yù)警提示功能，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)大門(mén)環(huán)境是否安全的目的。

圖8 安防監(jiān)控設(shè)計(jì)程序流程圖Fig.8 Flowchart of the security monitoring program

3.3 車(chē)庫(kù)安防監(jiān)測(cè)從機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

車(chē)庫(kù)安防監(jiān)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)車(chē)庫(kù)安防監(jiān)控功能，STM32F103CBT6處理器實(shí)時(shí)讀取人體紅外感應(yīng)模塊及超聲波模塊數(shù)據(jù)。假如有人靠近車(chē)庫(kù)大門(mén)時(shí)，紅外感應(yīng)傳感器將輸出高電平信號(hào)給單片機(jī)，而超聲波模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)車(chē)輛位置。假如HC_SR04模塊測(cè)量到與車(chē)輛的距離超出預(yù)定值，CPU進(jìn)行再次確認(rèn)之后，便通過(guò)Zig－Bee路由節(jié)點(diǎn)將預(yù)警信息發(fā)送到監(jiān)控終端主機(jī)的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，終端處理器再把信息發(fā)送到用戶(hù)終端設(shè)備進(jìn)行提示，從而實(shí)現(xiàn)家居的安防監(jiān)控預(yù)警功能。

車(chē)庫(kù)安防監(jiān)控從機(jī)的軟件程序設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示。

圖9 監(jiān)控從機(jī)程序流程圖Fig.9 Flowchart of the monitoring slave

4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

當(dāng)系統(tǒng)終端主機(jī)進(jìn)入到環(huán)境監(jiān)測(cè)界面后，按下接收按鍵，主機(jī)便可通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸獲取環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并通過(guò)觸摸屏進(jìn)行顯示，然后把子節(jié)點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離主節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS-232連接計(jì)算機(jī)串口，由上位機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)，根據(jù)配置CC2530模塊不同的波特率、無(wú)線(xiàn)信道等進(jìn)行測(cè)試。但由于系統(tǒng)的波特率為115 200 Kbit/s，無(wú)線(xiàn)信道為11.240 5 MHz，故只需在該模式下進(jìn)行不同環(huán)境及距離長(zhǎng)短測(cè)試即可。

表1為室內(nèi)外空曠條件下的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果。

表1 測(cè)試結(jié)果Tab.1 The test results

由表1的測(cè)試結(jié)果可知：ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸模塊在空曠的環(huán)境下，通信距離長(zhǎng)達(dá)350 m，在100 m距離內(nèi)丟包率非常低，且數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性也比較高，性能比較穩(wěn)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居監(jiān)控及安防系統(tǒng)。系統(tǒng)以ARM處理器為控制核心，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和GPRS網(wǎng)絡(luò)搭建遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控。所采用傳感單元設(shè)備采集數(shù)據(jù)經(jīng)濾波處理后，準(zhǔn)確度相對(duì)提高。針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中會(huì)受到外界干擾的現(xiàn)象，本文在不同環(huán)境下進(jìn)行了丟包率測(cè)試，ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸距離和丟包率結(jié)果均在預(yù)期范圍內(nèi)。根據(jù)人體紅外感應(yīng)模塊及超聲波模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行判斷，一旦發(fā)現(xiàn)異常，就會(huì)進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)和短信提示。本設(shè)計(jì)可以廣泛應(yīng)用在室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，包括住宅室內(nèi)、教室、辦公室等場(chǎng)合。

［1］程明遠(yuǎn).基于GSM技術(shù)網(wǎng)管系統(tǒng)短信報(bào)警平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2011.

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［3］董樂(lè).基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.天津：天津工業(yè)大學(xué)，2010.

［4］續(xù)合元.2010年中國(guó)通信產(chǎn)業(yè)十大關(guān)鍵詞點(diǎn)評(píng)文章（二）物聯(lián)網(wǎng)［J］.數(shù)據(jù)通信，2011（1）：3-4.

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［9］張鶴丹.基于WiFi技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2013.

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Design of the Smart Home Monitoring and Security System

JIANG Chunli，LI Zhenglin，LUO Wenguang，NING Jianfei，LUO Zhisheng
（School of Electrical and Information Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China）

In order to overcome the shortcomings of the traditional smart home monitoring and security systems，such as high cost，low efficiency and limited transmission distance，ZigBee module is used to set up the wireless node，and Ethernet module HLK_RM04 is used for network connection，and remote data communication system of IOT is constructed to realize remote monitoring of smart home.Considering the anti-interference capability of the system and the response speed of the data，the mobile terminals are used for remote data transmission through cloud connection technology，thus realize the real-time，practical and efficient smart home monitoring and security system.The system consists of four parts:monitoring terminal host，environment parameter monitoring slave，garage security monitoring slave and cloud service.The test results show that the system features low data packet loss rate，stable performance，low system power consumption，simple operation and high practical value.

Internet of thing（IoT）；Smart home；Monitoring；Security；Cloud；Terminal；Packet loss rate

TH-39；TP277

A

10.16086／j.cnki.issn1000-0380.201711004

修改稿收到日期：2017-06-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61464001）、廣西科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（GKYC201622）、廣西科技大學(xué)博士基金項(xiàng)目（Z1009）

蔣春利（1992—），女，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄芩惴ㄅc模式識(shí)別。E-mail：276134606@qq.com。李政林（通信作者），男，博士，教授，主要從事智能控制及智能自動(dòng)化、智能檢測(cè)技術(shù)、汽車(chē)電子控制技術(shù)等方向的研究。E-mail：59545980@qq.com。