基于無線傳感器網絡的智能家居安防系統

顏 正

中國地質博物館 北京100037

引言

隨著社會的不斷進步,科學技術越來越為人們熟知,并逐步融入人們的日常生活中。而高新技術產品的應用,雖然使人們的生活更加方便,但便利的同時也給我們的家庭帶來了許多安全隱患。由于電器線路短路造成的漏電、充電使用不當導致的電池自燃爆炸、煤氣管道泄漏等等,這些無一不威脅著人們的生命。

一、研究背景

以往的智能家居系統多數是通過被動模式來實現防護功能,一般是借助有線連接來進行交互,除了要有專業的人員以及公司去安裝和維護,還需要較高的施工成本。同時存在施工周期長、系統靈活性比較差以及缺乏充足的擴展功能等問題,無法有效的解決用戶更新升級等很多問題。而通過無線傳感器網絡技術作為基礎,憑借節點分布廣泛,系統穩定性強,對安全數據采用多種響應機制和算法,單一的節點故障不會影響系統的整體性能,以此對家庭環境參數進行遠程監控,可以有效提高運行效率,降低維護成本。將低功耗、低成本、自組織、短距離的傳感器網絡技術應用于智家居安防系統,可極大地提高其靈活性和擴展性,解決舊式家庭安防系統存在的諸多問題。因此,基于無線傳感器網絡的家居安防系統,已經成為未來家庭安全穩定可靠的關鍵因素,在充分滿足人們對安全生活的需求這一前提下受到廣泛關注。

家庭安防產品在國外普及率達到85%,是歐美家庭必需品,在國內也逐漸為人熟知。本文的研究背景正是基于無線傳感網絡,對整個家庭實行實時監測,采集與家庭環境的相關環境信息,監測窗戶及門禁,通過網絡發送給服務器進行數據分析與統計,并采取相應的措施,以達到保證家庭安防監控要求。

二、原理與設計

1.系統原理。通常來說,智能家居安防系統是綜合運用網絡技術、模塊插入技術、傳感器技術等多種信息技術的集合,而無線傳感器網絡和感測技術為其中的關鍵。要實現安防功能,首先要在控制中心進行網絡節點布局工作,通過列出清晰的結點數目使感光元件、溫度元件、濕度元件和熱紅外元件建立對應關系,再利用計算機、工作站、信息模塊等設備在整個控制中心的指揮下,相互作用,通過一定的協議連接在一起,形成一套綜合智能家居安防系統。

2.系統設計(1)基本功能

①門禁識別。可以分為兩種情況:允許他人進入并通過紅外線向門禁系統發出信號,系統將采集圖像與庫中存儲的數據進行對比和協調,驗證成功后才開門鎖;或經信息比對后,系統發現沒有匹配信息,于是通過多臺攝像機獲取人臉圖像發給安全監控系統控制中心,經人工識別后決定是否遙控開鎖。

②火災警報。傳感器節點設置不同的火災探測數據指標。火情發生后觸動傳感器節點,探測到的火警數據超過傳感器標定值時,會自動傳送火警信息。

③系統相關數據分析與決策。通過對溫濕度傳感器、煙霧傳感器數據的采集,對火災的概率及時間進行統計并分析,并對用戶作出相應提示。

(2)性能需求

硬件環境:1).采集節點:溫濕度傳感器、煙霧傳感器、紅外對射傳感器、人體紅外傳感器等。2).受控節點:繼電器、風扇、攝像頭(DS-2204I W-DE3/W或以上)。3).網關:esp8266。4).服務器:PC機。5).Web終端:手機。

在無線通信芯片的具體選擇上,首先考慮數據在傳輸過程中是否需要在曼徹斯特編碼;其次是無線通信功耗是否滿足要求;再次是無線通信芯片外圍電路設計是否合理簡單;最后是無線通信芯片的發射功率是否滿足要求;最后是接收靈敏度為460db m。可采用單端鞭狀天線或PCB環形天線作為無線信道天線。該NRF905由晶體振蕩單元,電源管理單元,低噪聲放大單元,功率放大單元,頻率合成單元組成。所以n RF905只需要很少的外設就能完成無線信道外設的設計,NRF905在無線數據傳輸中能自動處理前綴和校驗循環冗余碼,而曼徹斯特芯片的硬件可以自動完成編碼。其與n RF905的接口采用SPI串行型外部接口,單片機設置了單片機與n RF905 的通信速率。NRF905 對協議進行封裝,并通過NRF905的內部硬件實現。該結構能夠極大地提高數據無線傳輸的速率,減少無線信道的平均電流消耗。如果n RF905 以shockburstrx模式運行,則n RF905通過地址匹配信號(AM)通知MCU;如果n RF905處理的是有效包,則n RF905通過就緒信號(DR)通知MCU。以shockbursttx模式,n RF905將在數據發送之前自動添加CRC校驗碼和前導碼,而n RF905 將通過一個Dr信號通知MCU數據傳輸完成。在n RF905切斷電源后,無線信道停止工作,進一步降低了電流消耗,使電流消耗最小(小于2.5 MW),可極大延長了電池的使用壽命。

軟件環境:

1).采集節點和受控節點:編程語言及工具:IAR 開發環境,使用C語言

2).網關:操作系統:Linux

編程語言及工具:C/C++語言,使用Qt開發平臺

3).服務器:數據庫系統:mysql

編程語言及工具:C語言,Linux下的vi m

4).Web終端:編程語言及工具:java語言,使用To mcat Drea mweaver開發環境

(3)運行程序

A.節點采集數據并發送給網關-＞網關將數據發送給服務器-＞

服務器對數據進行分析處理-＞通過網關向下實現現場處理

B.Web終端從網關獲取到數據

三、結語

智能家居安防系統具有穩定性高、誤報率低、安全便捷、操作簡單等特性,能讓用戶在任何可以連接到網絡的地方查看室內的可燃氣體濃度、溫濕度、光照強度等情況。異常情況推送及后臺自動處理能為用戶實時掌握室內情況提供幫助并進一步提供安全措施,用戶可以遠程調用視頻數據實時查看導致異常出現的原因,進而為保護家庭成員的生命財產安全提供更多可靠依據。在現代智能家居安防系統設計中有重要的參考價值。