基于物聯(lián)網(wǎng)家居安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

袁凱烽++何濤

摘 要：在對(duì)目前家居的安防系統(tǒng)進(jìn)行分析后，得出目前安防系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)進(jìn)行響應(yīng)以及不能以更多的人機(jī)交互方式實(shí)時(shí)響應(yīng)安防監(jiān)控的結(jié)論。針對(duì)這一現(xiàn)象，文中提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案采用ZigBee無(wú)線模塊進(jìn)行快速無(wú)線通信、GSM短信實(shí)時(shí)通訊、Internet網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)與控制、多樣人機(jī)交互來(lái)實(shí)現(xiàn)安防系統(tǒng)功能。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；人機(jī)交互；ZigBeee

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）11-00-03

0 引 言

智能家居安防產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)了30多年的發(fā)展歷程，由原來(lái)的單一控制演變?yōu)楝F(xiàn)在的多控制方式，由原來(lái)的模擬監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展成為現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化監(jiān)控系統(tǒng)。如今，我國(guó)智能家居安防產(chǎn)業(yè)有了一定的發(fā)展，已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)并生產(chǎn)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。目前，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)智能家居技術(shù)。嵌入式操作系統(tǒng)和無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)，可以組建家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，搭建安防報(bào)警系統(tǒng)，若有人非法進(jìn)入室內(nèi)，發(fā)生燃?xì)庑孤?、火?zāi)等險(xiǎn)情，系統(tǒng)將通過(guò)短信、彩信、電話(huà)方式在第一時(shí)間發(fā)出報(bào)警信號(hào)。這種傳統(tǒng)的智能家居方式不能實(shí)時(shí)有效地實(shí)施家用安防，以及不能以更多的人機(jī)交互方式實(shí)現(xiàn)有效的遠(yuǎn)程監(jiān)控及安防報(bào)警[1]。在本項(xiàng)目中準(zhǔn)備采用傳感層各節(jié)點(diǎn)聯(lián)動(dòng)方式進(jìn)行報(bào)警及報(bào)警后的預(yù)設(shè)方案進(jìn)行處理報(bào)警，同時(shí)，在本項(xiàng)目中利用現(xiàn)用的主流Android系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)與監(jiān)控App的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，使用戶(hù)在任何地方都可以了解當(dāng)前家中的安防信息。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能家居安防系統(tǒng)依據(jù)全面感知、可靠傳遞、智能處理的功能需求，可劃分為數(shù)據(jù)采集層、集成處理層、數(shù)據(jù)層和終端應(yīng)用層四個(gè)層次[2]，具體如圖1所示。

（1）感知層：數(shù)據(jù)層采集層用于完成信息的采集、轉(zhuǎn)換、收集和整理。在數(shù)據(jù)采集層中主要包括兩個(gè)部分，其一是數(shù)據(jù)采集模塊和終端控制的終端裝置，數(shù)據(jù)采集模塊如煙感、火焰、燃?xì)獾韧瓿尚畔⒉杉?，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(wú)線傳輸，短距離傳輸是終端裝置與網(wǎng)關(guān)的雙向傳遞。

（2）網(wǎng)關(guān)層：網(wǎng)絡(luò)層主要由一臺(tái)嵌入式網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，是整個(gè)安防的中心，主要實(shí)現(xiàn) Internet 網(wǎng) ， GSM 網(wǎng)的接入、遠(yuǎn)程控制以及實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換。通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)連接家庭內(nèi)部異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的功能。

（3）網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層主要由一臺(tái)Web服務(wù)器構(gòu)成，其主要作用在于同網(wǎng)關(guān)層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，用戶(hù)再通過(guò)用戶(hù)層終端訪問(wèn)Web服務(wù)器獲取相應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

（4）應(yīng)用層：用戶(hù)應(yīng)用層包括各類(lèi)搭載了 Web 瀏覽器的終端設(shè)備，以及智能手持設(shè)備構(gòu)成，用戶(hù)可通過(guò)云端服務(wù)器獲取安防的實(shí)時(shí)信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集層通訊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集層通訊層設(shè)計(jì)采用TI公司的CC2530。CC2530是2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE 應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[3]。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型 8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 KB RAM 和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530 具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗。CC2530F256結(jié)合了德州儀器業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元 ZigBee 協(xié)議棧（ Z-Stack?），提供了一個(gè)強(qiáng)大和完整的 ZigBee 解決方案。因此在本系統(tǒng)中選用CC2530+ Z-Stack作為無(wú)線通訊開(kāi)發(fā)。

2.2 傳感控制模塊設(shè)計(jì)

ZigBee節(jié)點(diǎn)搭載相應(yīng)的傳感器和繼電器構(gòu)成，在系統(tǒng)中在線監(jiān)控氣體和火焰，并通過(guò)繼電器控制電器的運(yùn)行等。煙霧傳感器使用MQ2。MQ2的輸出通過(guò)兩種方式接入CC2530。（1）P0.0輸出模擬信號(hào)，信號(hào)值隨煙霧濃度變化而變化；（2）輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)LM393電壓比較器給出布爾量（可通過(guò)與LM393相連的可調(diào)電阻調(diào)節(jié)閾值），供電部分可使用電池或5 V直流電源，經(jīng)過(guò)LM1117后給出3.3 V的接入電壓。MQ2工作時(shí)功耗比較大，所以部署時(shí)一般不使用電池供電。燃?xì)鈧鞲衅鱉Q4與煙霧傳感器的工作原理及接入方式一樣，火焰?zhèn)鞲衅鲿?huì)給出報(bào)警的開(kāi)關(guān)量，可以通過(guò)可調(diào)電阻靈敏調(diào)節(jié)。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(wǎng)關(guān)模塊設(shè)計(jì)

在網(wǎng)關(guān)模塊設(shè)計(jì)中，采用的以Samsung Cortex-A8 S5PV210 芯片為核心的 ARM 主CPU，運(yùn)行最大頻率可達(dá)1GHz，處理器內(nèi)部為 64/32 位總線結(jié)構(gòu)， 32/32 KB 一級(jí)緩存，512 KB 二級(jí)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(wǎng)絡(luò)接口模塊、GSM模塊、無(wú)線收發(fā)模塊，最大的特點(diǎn)是利用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，加入了 GPRS 通信模塊[5]。該網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)接口功能豐富，可以滿(mǎn)足家居中安防系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的低成本、高性能、低功耗及功能相對(duì)完善的要求。 圖3所示為網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)主要基于Android操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。在架構(gòu)中起中間件作用。為服務(wù)器提供實(shí)時(shí)的家居信息，提供各智能控制節(jié)點(diǎn)的接口，通過(guò)串口實(shí)時(shí)與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行溝通，實(shí)時(shí)采集下位機(jī)報(bào)警節(jié)點(diǎn)的環(huán)境信息數(shù)據(jù)，對(duì)敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，如發(fā)生警報(bào)及時(shí)向服務(wù)器端報(bào)警，以及通過(guò)GSM及時(shí)向用戶(hù)設(shè)定號(hào)碼進(jìn)行短信報(bào)警。在與云端服務(wù)器數(shù)據(jù)進(jìn)行交互時(shí)，在軟件中部署客戶(hù)端調(diào)用服務(wù)端WebService[6]。除此之外，網(wǎng)關(guān)服務(wù)實(shí)時(shí)監(jiān)控部分在后臺(tái)作為獨(dú)立子線程工作，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該層是整個(gè)安防系統(tǒng)架構(gòu)的核心，其貫穿了整個(gè)系統(tǒng)的中軸線[7]。圖4所示為嵌入式網(wǎng)關(guān)部署圖。

圖4 嵌入式網(wǎng)關(guān)部署圖

3.2 智能終端軟件設(shè)計(jì)

智能終端軟件平臺(tái)有兩種模式，第一種模式為PC客戶(hù)端[8]，第二種模式為Android客戶(hù)端。智能家居的系統(tǒng)平臺(tái)作用主要是與用戶(hù)進(jìn)行直接對(duì)話(huà)，即實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前家居環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)對(duì)智能家居中的相應(yīng)模塊進(jìn)行可視化實(shí)時(shí)操作。兩種模式包括系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、設(shè)備控制、閾值的設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢(xún)等，具體如圖5所示。

（1）環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控：可通過(guò)預(yù)設(shè)平面圖，對(duì)安防各節(jié)點(diǎn)信息實(shí)時(shí)掌握，如遇報(bào)警信息可及時(shí)響應(yīng)。

（2）設(shè)備控制：用戶(hù)可對(duì)當(dāng)前環(huán)境中相應(yīng)控制節(jié)點(diǎn)參數(shù)，閾值設(shè)置及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行更改及控制。

（3）數(shù)據(jù)分析：歷史環(huán)境信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

PC端的實(shí)現(xiàn)是基于Web平臺(tái)的客戶(hù)端，主要服務(wù)器架設(shè)在云端。手機(jī)終端的數(shù)據(jù)主要也是通過(guò)云端WebService來(lái)獲取。

圖5 智能終端軟件模塊設(shè)計(jì)

3.3 服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)

主服務(wù)器端的應(yīng)用程序是在VisualStudio2010環(huán)境下采用 ASP.NET C#技術(shù)開(kāi)發(fā)的。ASP.Net框架提供統(tǒng)一的Web開(kāi)發(fā)模型，它的思想是使用盡可能少的代碼生成企業(yè)級(jí)Web應(yīng)用程序。整個(gè)軟件的架構(gòu)分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)功能劃分后，確定每個(gè)模塊的算法和代碼，形成方案，這樣系統(tǒng)可以具有較好的可擴(kuò)展性和維護(hù)性[9]。服務(wù)器端采用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括表現(xiàn)層/服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層。在表現(xiàn)層中為客戶(hù)端的用戶(hù)提供交互操作界面，服務(wù)層主要負(fù)責(zé)關(guān)鍵業(yè)務(wù)的處理和數(shù)據(jù)傳遞，數(shù)據(jù)層主要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)操作的相應(yīng)訪問(wèn)。服務(wù)層主要是對(duì)中間件網(wǎng)關(guān)進(jìn)行響應(yīng)處理，為網(wǎng)關(guān)或智能手持端協(xié)調(diào)提供Web服務(wù)。業(yè)務(wù)邏輯層實(shí)現(xiàn)調(diào)用部署在 Web 服務(wù)器上的 WebService 方法，向底層服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求進(jìn)行管理和控制。該系統(tǒng)架設(shè)好后，用戶(hù)可在任意網(wǎng)絡(luò)位置對(duì)智能家居的安防信息進(jìn)行全天候的監(jiān)控[10]。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要分析了目前智能家居的安防系統(tǒng)，根據(jù)需求，結(jié)合當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)，整個(gè)安防系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居中主要安全環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警的功能，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，對(duì)智能家居安防系統(tǒng)行業(yè)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值，后續(xù)的工作是進(jìn)一步擴(kuò)展該架構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域。

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