基于互聯(lián)網(wǎng)+的智能家居安防管理系統(tǒng)

漆 晶，張 潤，袁 浩，甘 果

(重慶郵電大學(xué)，重慶 400065)

基于互聯(lián)網(wǎng)+的智能家居安防管理系統(tǒng)

漆 晶，張 潤，袁 浩，甘 果

(重慶郵電大學(xué)，重慶 400065)

設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺的家居安防智能化管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過使用傳感器技術(shù)監(jiān)測相關(guān)參數(shù)，利用云平臺管理技術(shù)，針對不同的用戶開放不同的權(quán)限，用戶可在PC機和手機APP上查看不同的數(shù)據(jù)及小區(qū)物業(yè)的安防狀態(tài)，從而根據(jù)實際情況對突發(fā)意外情況進行及時有效處理，實現(xiàn)科學(xué)、高效和安全的管理。使用無線充電技術(shù)給各節(jié)點傳感器供電，打破傳統(tǒng)的有線供電方式，易拆易卸，DIY式設(shè)計，美觀大方，使用便捷，便于普及。

物聯(lián)網(wǎng)；云平臺；無線充電；家庭DIY式；實時監(jiān)測；運程控制

0 引言

經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在實際工作中發(fā)生的矛盾糾紛，很大程度上是源于缺乏有效溝通。對于傳感器傳統(tǒng)的供電方式，如鋰電池、干電池或者是有線式供電，常常有安裝不方便、排線復(fù)雜、不美觀、系統(tǒng)更新不便捷，以及電池用久了忘記充電導(dǎo)致隱患等問題的出現(xiàn)導(dǎo)致智能家居安防系統(tǒng)很難普及。

為提高業(yè)主生活質(zhì)量為目的，著力推動物業(yè)管理服務(wù)市場化和物業(yè)產(chǎn)業(yè)企業(yè)化。通過對多個物業(yè)小區(qū)管理機制的研究，提出智能化、信息化的管理方式，促進業(yè)主和物業(yè)之間進行及時有效的溝通交流，更好地服務(wù)于業(yè)主的云平臺物業(yè)管理系統(tǒng)。

針對不同的家庭，不同的防盜需求，貼身打造設(shè)計家庭DIY式智能安防系統(tǒng)，漏水報警、漏煤氣報警、火情報警、門禁、盜竊事件報警等服務(wù)，靈活性強，便于普及，高效智能，科學(xué)規(guī)范，可從根源上徹底解決家居安防系統(tǒng)無法大面積普及的問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)使用stm32f103作為主控，通過USART0與WIFI-ESP8266芯片進行通信，使用WIFI芯片連接互聯(lián)網(wǎng)從而接入云平臺；通過硬件dht11，采集濕度參數(shù)；通過自行設(shè)計的無線充電電路對各節(jié)點傳感器進行供電；通過ADC對氣體傳感模塊的模擬量進行采樣，得出相關(guān)參數(shù)；使用紅外傳感模塊通過與主控CPU以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺進行通信，實現(xiàn)防盜功能。APP部分使用云平臺給出的API接口使用HTTP協(xié)議進行功能的實現(xiàn),系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，其主要分為以下幾部分：

① 微控制器選型：stm32f103。

② 無線收發(fā)模塊：本模塊以ESP8266芯片為核心，通過對外圍電路的設(shè)計，基于802.11標準，搭建無線局域網(wǎng)，各配備無線網(wǎng)絡(luò)接口的計算設(shè)備工作站點通過連入無線網(wǎng)絡(luò)，接收網(wǎng)絡(luò)命令，并發(fā)送給主控CPU，傳送數(shù)據(jù)，完成無線通信。實現(xiàn)本系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的傳輸、控制與監(jiān)測功能。

③ 無線充電模塊：通過采集太陽能和電磁能，將其轉(zhuǎn)換成電能，為各傳感器節(jié)點供電。

④ 紅外檢測模塊：HR-SR501是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊，使用雙元探頭，在工作過程中，當人進入其工作范圍，模塊輸出高電平，人離開該范圍，自動關(guān)閉高電平，輸出低電平。在夏天，當環(huán)境溫度升高至30～32℃，探測距離稍變短，溫度補償可作一定的性能補償。系統(tǒng)引入該模塊，檢測無人狀態(tài)的時候，是否有人私闖戶主生活區(qū)域，通過數(shù)據(jù)的處理分析，向客戶端以及管理端反饋結(jié)果，智能高效安全。

⑤ 濕度檢測模塊：DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，使用單總線協(xié)議，一次可以傳送40位數(shù)據(jù)。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

⑥ 煙霧傳感器模塊：MQ-2是一款旁熱式煙霧傳感器，在較寬的濃度范圍內(nèi)對可燃氣體有良好的靈敏度，使用壽命長、價格低廉，開發(fā)成本低，供電電壓5.0 V，通過ADC采樣，檢測煙霧值并把比對結(jié)果發(fā)給主控單片機，實現(xiàn)煙霧檢測。

⑦ 壓力傳感模塊：該模塊集成電阻應(yīng)變片，濾波電路，信號放大電路，AD轉(zhuǎn)換電路，壓力變化，房屋墻壁出現(xiàn)裂痕等情況引起應(yīng)變片發(fā)生一定程度的形變，阻值改變，通過電路處理，得到穩(wěn)定有效的模擬信號，AD轉(zhuǎn)換后，將對應(yīng)的數(shù)字信號通過后續(xù)相關(guān)通信電路上傳CPU以及云服務(wù)平臺，完成相應(yīng)的功能效果。

2.1 無線收發(fā)模塊

ESP8266基于802.11標準，可以使用STA、AP和STA+AP 3種工作模式，超低功耗，工作的時候可以實現(xiàn)串口透傳功能、PWM調(diào)控功能、GPIO控制功能，將路由器連入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)手機、電腦直接與模塊通信，使用TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制。

2.2 無線充電模塊

通過采集太陽能和電磁能，將其轉(zhuǎn)換成電能，為各傳感器節(jié)點供電。

2.2.1 電磁換能器模塊

利用載流導(dǎo)線周圍的磁場能以及空間里存在的電磁能，通過電路設(shè)計，將其轉(zhuǎn)換成電能，給系統(tǒng)各用電電路模塊供電，綠色環(huán)保，節(jié)能減排，同時打破傳統(tǒng)的有線供電模式，便捷美觀。

2.2.2 太陽能充電模塊

太陽能充電器是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能以后存儲在鋰電池里面，鋰電池通過存儲電能給各節(jié)點傳感器供電，一般由太陽能光電池、鋰電池和調(diào)壓元件3個部分組成。圖3為移動電源同步升壓原理圖，圖4為太陽能電池供電原理圖。

圖3 移動電源同步升壓原理圖

圖4 太陽能電池供電原理圖

2.3 紅外檢測模塊

HR-SR501是利用紅外線技術(shù)的自動控制模塊，本模塊電路由BISS0001、RE200B以及有關(guān)的外圍電路構(gòu)成，RE200B是一種熱釋電紅外傳感探頭，使用熱釋電材料，對溫度的變化特性進行極化，從而可以對人體的信號進行準確探測。利用雙靈敏元互補的方法，抑制溫度變化帶來的干擾，從而提高模塊的工作穩(wěn)定性。BISS0001是一款用于對傳感信號進行處理的集成芯片，內(nèi)部集成了運算放大器、狀態(tài)抑制器、電壓比較器等集成電路模組，具有可重復(fù)和不可重復(fù)2種觸發(fā)方式，提高了整個電路模塊的功能實用性。

2.4 濕度檢測模塊

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，使用單總線協(xié)議進行通信，數(shù)據(jù)傳輸。

2.5 煙霧傳感器模塊

本模塊以旁熱式煙霧傳感器 MQ-2為核心，通過前置電路對傳感器輸出的微弱信號進行放大、濾波、電平調(diào)整，為單片機提供合適的輸入信號，便于數(shù)據(jù)處理。

2.6 壓力傳感模塊

本系統(tǒng)壓力傳感器模塊的設(shè)計，以電阻應(yīng)變片為核心，采集有關(guān)數(shù)據(jù)，上傳主控CPU以及云服務(wù)平臺。電阻應(yīng)變片，吸附在集體材料上，阻值大小隨著機械變化而變化，隨著壓力的不同，阻值發(fā)生變化，通過濾波放大電路以及AD轉(zhuǎn)換，給CPU傳輸有關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)主控搭載非常成熟的ucosii操作系統(tǒng)，它具備安全、可控、實時等優(yōu)良特性，成為設(shè)計平臺的首選。μC/OS-II由Micrium公司提供，是一個可移植、可固化、可裁剪、占先式多任務(wù)實時，它適用于多種微處理器和數(shù)字處理芯片(已經(jīng)移植到超過100種以上的微處理器應(yīng)用中)。

系統(tǒng)主機程序流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主機程序流程圖

4 云平臺架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)云平臺是搭建在云平臺上的智能設(shè)備管理系統(tǒng)，能夠接受萬億智能設(shè)備的連接，無論設(shè)備分布在何處，只要本地系統(tǒng)的路由器接入互聯(lián)網(wǎng)，即可連接到云系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)云平臺打通了用戶與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備間的遠程連接；物聯(lián)網(wǎng)云平臺具有遠程操控、情景模式、數(shù)據(jù)存儲、大數(shù)據(jù)分析、用戶權(quán)限管理等功能。

云平臺是高度靈活的開源的 IoT 平臺，在物聯(lián)網(wǎng)連接的基礎(chǔ)上可以構(gòu)建、管理和集成連接的軟件。此云平臺提供一個標準的方法來集成和對連接的產(chǎn)品進行互操作。此外，平臺強大的后端功能能極大地加快產(chǎn)品的開發(fā)，允許開發(fā)者專注于他們產(chǎn)品獨特的特性。

本平臺基于HTML5開發(fā)，因而具有天然跨平臺特性，結(jié)合IoT硬件和其他技術(shù)(例如存儲、網(wǎng)關(guān))，可以實現(xiàn)開發(fā)IoT項目中最核心的軟件部分。

5 手機終端APP

5.1 手機與節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸

以云平臺為中介，進行數(shù)據(jù)的讀取和發(fā)送,圖6為數(shù)據(jù)傳送框圖。

圖6 數(shù)據(jù)傳送框圖

5.2 手機APP與云平臺交互

首先，App的數(shù)據(jù)全部基于網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)來源都是物聯(lián)網(wǎng)云平臺的數(shù)據(jù)庫。云平臺的數(shù)據(jù)庫具有數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸功能， App主要通過GPRS網(wǎng)絡(luò)從物聯(lián)網(wǎng)的云平臺數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進行處理后，分類顯示給用戶。運用訂閱模式，所以數(shù)據(jù)能夠做到最及時的更新。其次，App從網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)之后用異步操作，將數(shù)據(jù)呈獻給用戶，并且提供直觀的圖表方式讓數(shù)據(jù)更加直觀。最后，App設(shè)有用戶管理系統(tǒng)，不同的用戶擁有不同的權(quán)限。管理員可以新增刪除設(shè)備和修改原有設(shè)備的信息，而普通用戶只能看到設(shè)備的信息，不能進行修改。

6 結(jié)束語

基于互聯(lián)網(wǎng)+的智能家居安防管理系統(tǒng)以stm32f103為控制核心，基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺綜合運用WIFI技術(shù)、傳感器、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、無線網(wǎng)絡(luò)通信、低功耗、智能信息處理、電磁感應(yīng)技術(shù)、無線充電技術(shù)、傳感技術(shù)等來實現(xiàn)對住宅小區(qū)的智能化家居安防管理。改革過去人工維護小區(qū)安防所帶來的效率低下、死角眾多、報警信息的遲滯所帶來的財產(chǎn)損失等問題，提供對物業(yè)安防以及管理人員的統(tǒng)一性調(diào)度、與住戶及時的溝通手段、住戶個人家里的安全隱患排查等一系列服務(wù)，真正使得物業(yè)成為住戶安全的守護者，小區(qū)環(huán)境系統(tǒng)分配與合理利用的調(diào)度者，實現(xiàn)科學(xué)、高效、安全的管理，達到節(jié)能減排以及加強物業(yè)和業(yè)主之間的溝通交流，緩解矛盾。使用無線充電技術(shù)給傳感器供電，美觀方便，使用便捷，便于普及。

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SmartHomeSecurityManagementSystemBasedonInternetPlus

QI Jing,ZHANG Run,YUAN Hao,GAN Guo

(Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China)

This paper designs a smart home security management system based IoT and cloud platform.This system uses sensor technology to monitor relevant parameters,and utilizes the cloud platform management technology to open different authorization for different users.Users can view different data and security state of residential property in the PC and mobile phone APP so as to implement the timely and effective handling for accidents for scientific,efficient and safe management.The wireless charging technology is used for all node sensors,which breaks the traditional wired power supply mode,and has beautiful appearance and is easy to disassemble,use and popularize due to DIY design.

IOT;cloud platform;wireless charging;DIY family;real-time monitoring;remote contro

TN929.5

A

1003-3114(2017)06-67-4

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.06.17

漆晶，張潤，袁浩，等.基于互聯(lián)網(wǎng)+的智能家居安防管理系統(tǒng)[J].無線電通信技術(shù),2017,43(6):67-70.

[QI Jing,ZHANG Run,YUAN Hao,et al.Smart Home Security Management System Based on Internet Plus[J].Radio Communications Technology,2017,43(6):67-70.]

2017-07-27

重慶市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201610617008)；重慶郵電大學(xué)科研訓(xùn)練計劃項目(A2016-46)

作者簡介：漆 晶(1983―)，男，博士研究生，講師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)、短距離無線通信、傳感器技術(shù)。張 潤(1995―)，女，本科在讀，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用、嵌入式硬件設(shè)計。