基于物聯網的家居安防系統設計與實現

高 瑞，雷文禮

(延安大學 物理與電子信息學院；陜西省能源大數據智能處理省市共建重點實驗室，陜西 延安 716000)

智能化時代的到來，給人們的生活帶來了巨大改變，隨著“智能家居”這一概念的提出，人們已不陌生，也將成為未來智能化生活的一個方向。智能家居是通過物聯網技術將物與物進行互聯互通，實現智能交互[1]。傳統的安防系統具有布線復雜、維修困難，本文基于物聯網技術發展，結合安卓系統，設計了一種智能家居安防系統，實現智能交互，當室內環境異常或者有人通過門窗非法闖入時，系統自動啟動報警程序，并給用戶進行短信通知，從而實現真正的智能化，滿足用戶對家居的安全性、舒適性等需求，具有很好的發展前景。

1 系統總體設計

物聯網是采用新技術實現物與物的互聯。本文系統監測單元采用是傳感器和無線通信模組、單片機組成網絡節點，無數個網絡節點再將數據匯總到一個節點，按照一定的協議要求轉換為可上傳的數據包，然后把這些數據包通過wifi上傳至應用層，應用層對數據進行處理，對于環境異常或者有人通過門窗非法闖入時，系統自動啟動報警程序，并通過短信通知用戶。系統的整體框架結構如圖1所示。

圖1 系統整體框架結構圖

2 硬件設計

2.1 主控制器

主控制器主要由產生wifi信號的高頻RFID節點和上位機組成，產生wifi信號的高頻RFID節點主要由CLRC632射頻模塊，無線收發模塊以及電源模塊等組成，上位機由安卓系統的移動終端組成。具體的硬件實物圖如圖2所示。

圖2 硬件實物圖

2.2 無線傳感器

無線傳感器是感知層的主要元件，用于采集數據[2]，系統選用的傳感器有PM2.5傳感器、煙霧傳感器、人體檢測傳感器和玻璃破碎傳感器。

(1)霧霾監測模塊：用于檢測空氣中的顆粒濃度，實時判斷PM2.5值是否在預設的范圍內，提醒用戶關窗，保持室內空氣質量良好。為用戶提供高效、便利、舒適和安全的居住環境。系統選用GP2Y1010AU0F型灰塵傳感器，通過光敏原理來工作[3]。

(2)煙霧傳感器：主要是對室內煙霧濃度進行檢測，對于預防早期火災具有一定意義。系統選用的是一種由氣敏材料組成的N型半導體MQ-2型煙霧傳感器，具體的工作原理是在200～300℃溫度時，半導體材料通過吸附空氣中的氧進而形成氧離子，使半導體中的電阻值增加，當檢測到煙霧時，就會引起表面電導率變化，實現對煙霧濃度的檢測[4]。

(3)人體檢測傳感器：用于檢測活動的人體。系統選用HC-SR501人體感應模塊進行探測，人進入其感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平。感應模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點[5]。具有靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式的優點。

(4)玻璃破碎傳感器：用于探測是否有人員非法破窗入侵，是一種振動傳感器，檢測玻璃破碎時的振動輸出相應的電信號[6]。系統選用PY-1A型玻璃破碎傳感器，由一個壓電陶瓷片和電阻并聯組成，具有尺寸小，成本低的優點。

2.3 報警輸入模塊

智能家居中報警方式有很多，常見的有現場聲光報警、電話遠程報警和和手機短信報警[7]。現場報警在一定程度上可以影響到盜賊，但是比較適合家里有人的情形；電話報警方便快捷，但是如果電話線被切斷，無法正常進行；短信報警可以及時提醒主人，然后采取防護措施。

2.4 wifi模塊

系統中選用的WIFI模塊是HLK-RM04，一種嵌入式轉串口的傳輸模塊，內置的協議棧有TCP/IP和IEEE802.11協議棧，具有強大的功能，可以完成串口、以太網、無線網3個接口的任意轉換[8]。在該模塊下，傳統的串口設備可通過Internet網絡直接進行數據的傳輸。

HLK-RM04模塊的串口引腳與主控MCU的串口對應相接，通常工作在透傳模式下，工作原理是主控MCU通過串口將控制指令發送到wifi模塊中，APP與WiFi模塊相連接之后，進行數據的傳輸，實現控制交互。wifi模塊硬件實物圖如圖3所示。

圖3 Wifi模塊硬件實物圖

3 軟件設計

3.1 開發環境搭建

本系統是在window 7操作系統下，選擇集成開發工具Eclipse和模擬器進行開發環境搭建的。而ADT(androiddevelopertools)是google提供的基于eclipse的Android開發插件[9]。因此我們選擇Eclipse作為開發的開源集成環境IDE(Integrated Development Environment)。由于Android SDK和Eclipse都是用Java編寫的，因此需要先在Windows上安裝JDK(Java Development Kit)。

JDK安裝完成之后，驗證環境配置是否正確。在桌面選擇“開始”/“運行”命令，然后輸入“cmd”回車，運行輸入“javac”命令，如果出現如下JDK編譯器信息，其中包括修改命令的語法和參數選項等信息，說明JDK環境搭建成功。如圖4所示。

圖4 JDK環境驗證界面圖

3.2 數據通信模塊

在采集節點到安卓終端的設計中采用了C/S架構，使用TCP/IP協議[10]。Wifi模塊默認情況下工作模式為透傳模式，本系統通過設置無線傳輸模塊，使其工作與AP模式，安卓系統和模塊進行通信，模塊作為無線傳輸網絡接入點，通過設置AP接入點名稱、密碼以及接入點IP地址、子網掩碼、網關等參數，上電之后，通過安卓終端就可連接到名為“FRO_3A07”，密碼是“12345678”的熱點，從而構建嵌入式設備與上位機控制平臺進行信息交互的無線網絡，實現數據的傳輸和設備的智能控制。

3.3 防盜報警

控制報警模塊主要實現對環境數據的處理，打開APP與硬件設備建立連接之后，即開始數據傳輸，wifi數據接收過程在wifi服務Amarino Service類中進行，Receive Thread線程接收數據并對數據進行判斷，當Integer.value Of(msg).intValue()超過閾值時會觸發報警服務start Service，開啟線程進行報警并對執行模塊進行相應的控制[11]。部分程序如下

protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {

super.onCreate(savedInstanceState);

setContentView(R.layout.activity_main);

context = this;

bindView();// 綁定控件

initData();// 初始化數據

// 事件監聽

initEvent();

//定時檢查是否有人才發送短信

task = new TimerTask() {

@Override

public void run() {

// 發送短信

if (Const.BODY!=null && Const.BODY && Const.SMS ) {

SmsManager manager= SmsManager.getDefault();

String phone = phoneEt.getText().toString();

String context = contextEt.getText().toString();

if (isCanUseSim() && manager != null && phone != null && context != null) {

Log.i(Const.TAG,"發送短信:"+phone+"-"+context);

manager.sendTextMessage(phone,null,context,null,null);

Const.SMS = false;// 只發送一次，發送完置false

} else {

Log.i(Const.TAG,"發送短信失敗！");

}}}

};

timer.schedule(task,2000,2000); //定時

}

4 系統測試

在完成系統的軟硬件模塊設計之后，要對硬件和軟件APP進行測試，硬件測試主要是驗證數據采集與傳輸功能，軟件APP測試主要是測試其數據接收、顯示功能、及預警功能。

4.1 硬件測試

系統啟動后，環境感知裝置每隔一段時間會讀取一次數據，傳感器只需單向通訊。單片機處理之后，通過UART異步通訊串口將數據轉發給wifi射頻模塊，接收數據后通過通訊協議與監控系統APP通訊，進行數據傳輸。監控過程如圖5所示。

4.2 軟件測試

系統數據接收與顯示功能是在系統手機軟件端實現的，系統軟件界面如圖6所示，包括人體感應模塊、煙霧濃度模塊、霧霾監測模塊和玻璃破碎傳感器模塊，手機號碼和短信內容，wifi連接模塊和狀態信息欄模塊，每個傳感器模塊內含有用于設置采集周期及傳感器節點的IP地址和端口參數設置項和傳感器的數值上限或者是下限值。

圖5 硬件數據采集流程

圖6 系統界面

打開手機APP系統進行工作，首先進行wifi連接，密碼是12345678，連接成功后，進入對應模塊的參數設置項，設置采集周期，以及傳感器和控制器的IP地址和端口，以及對應傳感器的數值上限或者是下限值，以及報警手機號碼和短信內容，確認之后，完成軟件端設置，進行數據的傳輸，并在上位機進行顯示。文中以人體感應報警為例，報警界面圖如圖7所示。

5 結語

本文將物聯網技術與Android系統相結合，設計一種基于物聯網的家居安防系統，具有安防短信報警、空氣濃度顯示和煙霧濃度顯示、報警閥值的設置等功能，最終實現了Android手機端對家居環境信息的采集監控以及安防報警，實驗測試結果表明，該系統能夠靈敏檢測到異常信號，并及時報警，讓家居人員有一個舒適的環境。