智能家居安全防護系統(tǒng)

王 頌 胡立夫

沈陽航空航天大學自動化學院

智能家居安全防護系統(tǒng)

王 頌 胡立夫

沈陽航空航天大學自動化學院

為解決家庭住宅存在的安全隱患，使人們的生命和財產(chǎn)安全得到更可靠的保障，現(xiàn)引入智能化的安全防護系統(tǒng)。系統(tǒng)基于ZigBee技術，通過多種傳感器采集信息，用攝像頭監(jiān)測室內(nèi)情況，當室內(nèi)出現(xiàn)異常時及時發(fā)出報警信號并通過GSM/GPRS移動通信網(wǎng)絡給用戶手機發(fā)送信息，本系統(tǒng)具有防火、防盜、防燃氣泄漏的功能。本系統(tǒng)采用的ZigBee技術實現(xiàn)了家庭內(nèi)部星狀拓撲的智能安全防護系統(tǒng)的設計方案，不單單克服了傳統(tǒng)家庭網(wǎng)絡采用有線的方式進行布線組網(wǎng)的困難，并具有安裝簡單，性能穩(wěn)定可靠，維護方便的優(yōu)點，對于保護家庭安全有很大的作用。

智能家居的概念很早就被提出了，但一直沒有實際的建筑案例出現(xiàn)，直到1984年美國聯(lián)合科技公司將建筑設備信息化、整合化的概念應用于現(xiàn)實時，才出現(xiàn)了第一棟的“智能型建筑”，從此揭開了全世界建造智能家居的序幕。自從1984世界第一個智能家居系統(tǒng)問世以來，智能家居就在我們的生活中一直更新，進入21世紀后，智能家居更是在系統(tǒng)和功能上有了質(zhì)的飛躍。

本課題通過采用傳輸范圍適中、安全可靠、網(wǎng)絡容量較大、低功耗低成本的ZigBee技術，配以溫度、煙霧、煤氣、火焰和紅外傳感器設計智能家居遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有防火、防盜、防燃氣泄漏的功能，可以對危險因素做出處理，并發(fā)出短信報警通知主人，主人還可以對家居環(huán)境進行實時的監(jiān)控。

系統(tǒng)總體方案設計

本系統(tǒng)的整體設計方案如圖1所示。主要有三個方面組成：無線智能家居安全防護傳感器節(jié)點、ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點和監(jiān)控中心。

傳感器節(jié)點主要是負責采集數(shù)據(jù)和對信息預處理，回應監(jiān)控主機的指令發(fā)送數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用的傳感器有溫度、煙霧、煤氣、火焰和紅外傳感器，將這些傳感器分散布置在家居環(huán)境內(nèi)，對家居安防環(huán)境信息進行實時采集。然后各個傳感器節(jié)點將自己所采集到的實時信息通過初步的數(shù)據(jù)處理和整合之后傳送給用戶。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點的功能是接收系統(tǒng)控制中心發(fā)送的指令做出相應地處理，還要將終端節(jié)點（RFD）接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)控制中心。監(jiān)控中心的軟件是利用圖形化編輯語言LabVIEW編寫的，監(jiān)控中心可以實現(xiàn)整個無線傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)測，顯示和存儲協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。另外，監(jiān)控中心還添加了短信報警和圖像監(jiān)測功能。短信報警采用的是GSM/GPRS網(wǎng)絡，它用AT指令進行模塊控制，通過串口進行控制命令的傳送。本系統(tǒng)中使用USB攝像頭對家庭關鍵部位進行監(jiān)測。

系統(tǒng)硬件設計

Zig Bee網(wǎng)絡硬件設計

ZigBee無線網(wǎng)絡的硬件設備分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器主要負責網(wǎng)絡正常工作并且保持同網(wǎng)絡其他設備的通信；路由器可以將消息發(fā)到其他設備；終端節(jié)點負責完成傳感器數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，由于終端節(jié)點的存儲器容量要求最少，所以可以滿足ZigBee的低功耗要求。本系統(tǒng)中硬件電路的設計將以CC2530為核心，再加上外圍電路及多種傳感器模塊來實現(xiàn)整個ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡的智能家居安防功能。

圖1 家居智能安全防護系統(tǒng)的總體設計方案

圖2 ZigBee終端節(jié)點硬件結構

圖3 終端節(jié)點程序流程圖

圖4 有人進入手機報警

傳感器節(jié)點設計

家居智能安全防護系統(tǒng)中包含多種傳感器，如煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、人體紅外傳感器、溫濕度傳感器、煤氣傳感器等，這些傳感器能夠實時采集家居安防環(huán)境信息。與此同時這些傳感器的工作原理不完全相同，所以它們與CC2530的信息交互方式也互不相同。例如人體紅外傳感器和火焰?zhèn)鞲衅髂K輸出是開關信號，因此可以直接給CC2530模塊的I/O口，如果CC2530模塊的I/O口的端口電平發(fā)生變化，那就意味著有人進入或有火焰產(chǎn)生，同時CC2530進行下一步動作；而其他幾種傳感器輸出均為模擬量信號，因此，需要經(jīng)過CC2530模塊的ADC端口的處理。

GSM/GPRS模塊

系統(tǒng)采用的GSM/GPRS模塊為S900IMCom公司生產(chǎn)的SIM900A。SIM900A是一個2頻的GSM/GPRS模塊工作頻段為EGSM 900MHz和DCS1800MHz，能實現(xiàn)對語音、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。SIM900A接口眾多，能夠充分滿足用戶的各種設計需求，功耗低，在睡眠模式下最低耗流只有1.0mA，尺寸小，幾乎可以滿足所有用戶應用中對空間尺寸的要求。SIM900A內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴展的TCP/IPAT命令讓用戶能夠很容易使用，很方便進行數(shù)據(jù)傳輸。該模塊功能強大、易于使用、安全可靠，支持1.8V和3.0VSIM卡，使用時只需在卡槽中插入SIM，正常電壓值為2.0V或1.8V，通電后向模塊發(fā)送AT指令便能控制其工作。

系統(tǒng)軟件設計

終端節(jié)點的軟件設計

環(huán)境參數(shù)的采集利用周期性的定時器，每隔10s采集一次，并將采集的信息通過ZigBee模塊發(fā)送給協(xié)調(diào)器。在定時時間到后會繼續(xù)采集當前的溫濕度值并判斷各傳感器的采集狀態(tài)，如溫濕度是否超限、紅外傳感器輸出的高低電平等。

終端節(jié)點開始時進行初始化，然后掃描網(wǎng)絡信道，如果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡請求加入網(wǎng)絡。協(xié)調(diào)器收到請求后的網(wǎng)絡層向應用層發(fā)送確認，終端節(jié)點開始啟動且已經(jīng)加入網(wǎng)絡。終端節(jié)點發(fā)送成功后會進入SLEEP狀態(tài)，等待定時器喚醒；如果發(fā)送失敗，將一直發(fā)送，直到發(fā)送成功為止。終端節(jié)點的程序流程如圖3所示。

監(jiān)控中心軟件設計

本系統(tǒng)監(jiān)控中心軟件由圖形化編程語言LabVIEW編寫，LabVIEW產(chǎn)生的程序是流程圖的形式，它的程序設計界面采用了與其他高級語言類似的圖形化方式，集成了快速構建各種應用所需的所有工具，同時，在編寫程序代碼、實現(xiàn)程序功能方面也采用了圖形化的操作方式。所以，LabVIEW具有其他高級編程語言無法比擬的高效性。

系統(tǒng)的實現(xiàn)與性能分析

當有人非法進入時，系統(tǒng)會通過GSM網(wǎng)絡向用戶手機報警，用戶手機將出現(xiàn)“有人進入”字樣。

結束語

本文設計完成一種基于ZigBee技術和GSM/GPRS無線網(wǎng)絡的智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過星型網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡使各種家居設備聯(lián)系起來，能夠對家居設備進行統(tǒng)一的管理，實現(xiàn)了家居的智能化。該系統(tǒng)將家庭內(nèi)網(wǎng)通過串口連接GSM/GPRS網(wǎng)絡，使用戶能夠通過手機實時監(jiān)控家居環(huán)境和設備，實現(xiàn)了智能家居的遠程控制。經(jīng)過試驗檢測，該系統(tǒng)使用星型網(wǎng)絡，安裝方便、使用簡單、容易擴展、安全可靠，用戶可以根據(jù)自己的需要設置適合自己使用的終端節(jié)點，從而實現(xiàn)靈活、方便的家庭安全監(jiān)控。