基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙靜+麻名蕊+宋振

摘 要 針對(duì)現(xiàn)代家庭的各種不安全因素，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到家居安全防護(hù)系統(tǒng)中，以物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的三層體系結(jié)構(gòu)為依據(jù)，感知層自動(dòng)采集家居環(huán)境參數(shù)，利用嵌入式微處理器ARM Cortex-A9為核心的網(wǎng)關(guān)連接ZigBee協(xié)調(diào)器、GPRS模塊以及Internet互聯(lián)網(wǎng)，保證與應(yīng)用層的信息傳輸。運(yùn)行在嵌入式網(wǎng)關(guān)上的Qt交互操作界面以及移動(dòng)終端管理系統(tǒng)可以方便用戶查看接收家居安防數(shù)據(jù)并進(jìn)行管理控制。通過(guò)智能門禁、智能門窗防盜、煤氣監(jiān)測(cè)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，實(shí)現(xiàn)了不需要人為干預(yù)、自動(dòng)檢測(cè)異常并及時(shí)作出預(yù)警的智能家居安防系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 智能家居 嵌入式

家居生活中煤氣管道、熱水器以及其他大容量家用電器的使用，都明顯地增加了發(fā)生火災(zāi)的可能性以及煤氣中毒、爆炸的危險(xiǎn)；另外，入室行兇、盜竊等違法犯罪活動(dòng)時(shí)有發(fā)生，給社會(huì)帶來(lái)不安定因素，人們對(duì)生命及財(cái)產(chǎn)的安全性越來(lái)越重視。傳統(tǒng)的機(jī)械式（防盜網(wǎng)、防盜窗）安全措施不但影響樓房的整體美觀，而且一旦住宅內(nèi)發(fā)生火災(zāi)等突發(fā)事件，更是難以逃生。隨著嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，在物聯(lián)網(wǎng)三層體系結(jié)構(gòu)指導(dǎo)下構(gòu)建的智能家居安全防護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)智能門禁、智能門窗防盜、煤氣監(jiān)測(cè)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能模塊，實(shí)現(xiàn)更加安全可靠的安全防護(hù)功能。

1 整體設(shè)計(jì)方案

智能家居安全防護(hù)系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的三層體系結(jié)構(gòu)為依據(jù)，感知層通過(guò)人體探測(cè)器、煙霧探測(cè)器、可燃?xì)怏w探測(cè)器、門磁探測(cè)器、溫度傳感器等傳感器實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)信息的實(shí)時(shí)采集，采取ZigBee技術(shù)構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)嵌入式網(wǎng)關(guān)與感知層相連，通信網(wǎng)絡(luò)包括寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)，本層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與通信，將大量感知信息傳輸給應(yīng)用層；應(yīng)用層提供家居安全防護(hù)管理平臺(tái)和運(yùn)行平臺(tái)，用戶可以在PC機(jī)或手機(jī)端實(shí)時(shí)查看家居安全狀況，在出現(xiàn)安全問(wèn)題時(shí)，安防系統(tǒng)會(huì)及時(shí)報(bào)警，并通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)通知用戶，用戶可以通過(guò)PC機(jī)或手機(jī)端對(duì)傳感設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)在家居環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)無(wú)需人為干預(yù)、自動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)并根據(jù)信息處理情況進(jìn)行預(yù)/報(bào)警的智能家居安防系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 感知層

智能家居安全防護(hù)系統(tǒng)在感知層主要實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境各類參數(shù)的有效采集，并保證與網(wǎng)絡(luò)層的實(shí)時(shí)信息傳輸。各數(shù)據(jù)感測(cè)節(jié)點(diǎn)以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的形式自動(dòng)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效采集與傳輸。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是由大量無(wú)處不在的，具有通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)密集布設(shè)在無(wú)人值守的監(jiān)控區(qū)域，從而構(gòu)成的能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的“智能”自治測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

智能家居安全防護(hù)系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)涉及煙霧感測(cè)、門磁感應(yīng)、人體探測(cè)、溫度傳感等感測(cè)功能，通過(guò)協(xié)調(diào)器組建ZigBbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并與ZigBee語(yǔ)音報(bào)警器節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信，保證及時(shí)預(yù)警功能。在正常供電情況下，通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)將煙霧濃度信息、門磁距離、人體移動(dòng)信息、室內(nèi)溫度等傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)接入Internet、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)等外部網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)對(duì)接收的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將處理后的信息存入嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，方便外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問(wèn)。

2.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)是連接兩個(gè)或多個(gè)相互獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，通常網(wǎng)關(guān)每接收一種協(xié)議的數(shù)據(jù)包后，在轉(zhuǎn)發(fā)之前將其轉(zhuǎn)換為另一種協(xié)議的格式。鑒于本系統(tǒng)是主要實(shí)現(xiàn)家居智能安防系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)與Internet和GPRS等外部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境以靜態(tài)處理為主，傳感節(jié)點(diǎn)基本無(wú)需移動(dòng)檢測(cè)，而且家居環(huán)境下設(shè)備應(yīng)體積小、功耗低，本系統(tǒng)選擇嵌入式微處理器ARM Cortex-A9為核心實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的硬件搭建，通過(guò)ARM處理器連接ZigBee協(xié)調(diào)器、GPRS模塊以及Internet互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的有效互聯(lián)，保證家居安防系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息傳輸。

ARM Cortex-A9處理器相較于ARM之前版本的處理器具有更高的性能表現(xiàn)和應(yīng)用兼容性，在高性能、低功耗方面表現(xiàn)優(yōu)異，并有效延長(zhǎng)了電池使用壽命，以A9處理器作為網(wǎng)關(guān)處理器對(duì)提升智能家居安防系統(tǒng)整體效率具有重要作用。為了實(shí)現(xiàn)感知設(shè)備能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給終端用戶，本系統(tǒng)通過(guò)嵌入式網(wǎng)關(guān)與Internet互聯(lián)網(wǎng)連接，通過(guò)TCP通信方式傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)于緊急情況的報(bào)警通知，則通過(guò)ARM網(wǎng)關(guān)與GPRS模塊相連，撥打預(yù)留手機(jī)號(hào)并發(fā)送短信及時(shí)提醒。嵌入式網(wǎng)關(guān)與各功能模塊連接方式見(jiàn)圖2。

本系統(tǒng)在嵌入式網(wǎng)關(guān)上移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)，嵌入式Linux性能優(yōu)異，方便移植，代碼開(kāi)放，應(yīng)用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短，實(shí)時(shí)性能穩(wěn)定。為保證網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，還需要在網(wǎng)關(guān)上移植TCP/IP協(xié)議棧以及ZigBee協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的正確收發(fā)與轉(zhuǎn)換，并可以通過(guò)Internet互聯(lián)網(wǎng)與用戶遠(yuǎn)程連接。

2.3 網(wǎng)絡(luò)層

智能家居安全防護(hù)系統(tǒng)能夠保證無(wú)人值守的情況下自動(dòng)測(cè)控，用戶可以遠(yuǎn)程訪問(wèn)系統(tǒng)及時(shí)查看家中情況。網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)Wi-Fi以及光纖網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)及其他終端設(shè)備的連接，用戶只需在終端設(shè)備上安裝客戶端應(yīng)用管理平臺(tái)，即可隨時(shí)查看各項(xiàng)家居環(huán)境參數(shù)；網(wǎng)關(guān)還與GPRS模塊相連，出現(xiàn)異常則撥打設(shè)定手機(jī)號(hào)并發(fā)送預(yù)警短信；網(wǎng)關(guān)通過(guò)ZigBee協(xié)調(diào)器與語(yǔ)音報(bào)警器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，一旦檢測(cè)數(shù)據(jù)異常則及時(shí)作出預(yù)警。

2.4 應(yīng)用層

智能家居安全防護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用管理平臺(tái)既可以在網(wǎng)關(guān)上通過(guò)交互界面進(jìn)行管理操作，也可以在移動(dòng)終端遠(yuǎn)程查看接收家居安防數(shù)據(jù)并進(jìn)行管理控制。本系統(tǒng)不需要人為干預(yù)，能夠自動(dòng)檢測(cè)家居環(huán)境參數(shù)并實(shí)時(shí)傳輸?shù)綉?yīng)用管理平臺(tái)，出現(xiàn)異常能及時(shí)作出預(yù)警，通過(guò)語(yǔ)音報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并通過(guò)GPRS模塊與關(guān)聯(lián)手機(jī)聯(lián)系，及時(shí)提醒。

鑒于家居環(huán)境盡量減少空間占用的需求，PC端應(yīng)用管理平臺(tái)可直接在A9網(wǎng)關(guān)上實(shí)現(xiàn)，這樣既能保證較小的空間占用，又能方便監(jiān)測(cè)環(huán)境的有效部署。本系統(tǒng)在嵌入式網(wǎng)關(guān)也實(shí)現(xiàn)了可供用戶使用的Qt交互操作界面，Qt具有非常優(yōu)良的跨平臺(tái)特性，一次編程即可通過(guò)交叉編譯使程序運(yùn)行在不同平臺(tái)上，而且Qt支持目前主流的大部分操作系統(tǒng)，良好的人機(jī)交互界面為設(shè)計(jì)產(chǎn)品增添不少色彩。

安全防護(hù)功能可以根據(jù)系統(tǒng)使用情況選擇不同的情景模式，并設(shè)置不同模式下聯(lián)動(dòng)工作的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)與其他功能模塊，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的智能防護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)與預(yù)警功能。PC端各情景模式下聯(lián)動(dòng)添加的界面如圖3所示。

對(duì)于家中無(wú)人的情形，智能家居安防系統(tǒng)可以將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的家居環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)傳遞給移動(dòng)終端，移動(dòng)終端設(shè)備上只需要安裝客戶端程序，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接智能安防系統(tǒng)，即可實(shí)時(shí)查看家居安防運(yùn)行情況，并可以根據(jù)需要遠(yuǎn)程設(shè)置不同模式的傳感節(jié)點(diǎn)與功能模塊開(kāi)關(guān)。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代家庭存在越來(lái)越多的安全隱患，人們對(duì)生命及財(cái)產(chǎn)的安全性越來(lái)越重視，迫切需要更加安全可靠的家居安全防護(hù)措施。本系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)三層體系結(jié)構(gòu)為依據(jù)，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用ARM Cortex-A9實(shí)現(xiàn)的嵌入式網(wǎng)關(guān)與Zigbee網(wǎng)絡(luò)以及終端設(shè)備互聯(lián)，能夠提供智能門禁、智能門窗防盜、煤氣監(jiān)測(cè)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，更有效的滿足家庭安全防護(hù)、自動(dòng)報(bào)警的需要，同時(shí)還提供遠(yuǎn)程監(jiān)控的聯(lián)網(wǎng)防范措施，使得家庭安全防護(hù)更加可靠。這種系統(tǒng)模型可以推廣到現(xiàn)代家庭中使用，甚至在智能大樓、智能倉(cāng)儲(chǔ)等領(lǐng)域都可以進(jìn)行推廣和移植。

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