基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居安防系統(tǒng)

顏 正

中國地質(zhì)博物館 北京100037

引言

隨著社會的不斷進(jìn)步,科學(xué)技術(shù)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(shù)產(chǎn)品的應(yīng)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(dāng)導(dǎo)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(tǒng)多數(shù)是通過被動模式來實(shí)現(xiàn)防護(hù)功能,一般是借助有線連接來進(jìn)行交互,除了要有專業(yè)的人員以及公司去安裝和維護(hù),還需要較高的施工成本。同時存在施工周期長、系統(tǒng)靈活性比較差以及缺乏充足的擴(kuò)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為基礎(chǔ),憑借節(jié)點(diǎn)分布廣泛,系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng),對安全數(shù)據(jù)采用多種響應(yīng)機(jī)制和算法,單一的節(jié)點(diǎn)故障不會影響系統(tǒng)的整體性能,以此對家庭環(huán)境參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,可以有效提高運(yùn)行效率,降低維護(hù)成本。將低功耗、低成本、自組織、短距離的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于智家居安防系統(tǒng),可極大地提高其靈活性和擴(kuò)展性,解決舊式家庭安防系統(tǒng)存在的諸多問題。因此,基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的家居安防系統(tǒng),已經(jīng)成為未來家庭安全穩(wěn)定可靠的關(guān)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(guān)注。

家庭安防產(chǎn)品在國外普及率達(dá)到85%,是歐美家庭必需品,在國內(nèi)也逐漸為人熟知。本文的研究背景正是基于無線傳感網(wǎng)絡(luò),對整個家庭實(shí)行實(shí)時監(jiān)測,采集與家庭環(huán)境的相關(guān)環(huán)境信息,監(jiān)測窗戶及門禁,通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計,并采取相應(yīng)的措施,以達(dá)到保證家庭安防監(jiān)控要求。

二、原理與設(shè)計

1.系統(tǒng)原理。通常來說,智能家居安防系統(tǒng)是綜合運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模塊插入技術(shù)、傳感器技術(shù)等多種信息技術(shù)的集合,而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和感測技術(shù)為其中的關(guān)鍵。要實(shí)現(xiàn)安防功能,首先要在控制中心進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局工作,通過列出清晰的結(jié)點(diǎn)數(shù)目使感光元件、溫度元件、濕度元件和熱紅外元件建立對應(yīng)關(guān)系,再利用計算機(jī)、工作站、信息模塊等設(shè)備在整個控制中心的指揮下,相互作用,通過一定的協(xié)議連接在一起,形成一套綜合智能家居安防系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)設(shè)計(1)基本功能

①門禁識別。可以分為兩種情況:允許他人進(jìn)入并通過紅外線向門禁系統(tǒng)發(fā)出信號,系統(tǒng)將采集圖像與庫中存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和協(xié)調(diào),驗(yàn)證成功后才開門鎖;或經(jīng)信息比對后,系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)沒有匹配信息,于是通過多臺攝像機(jī)獲取人臉圖像發(fā)給安全監(jiān)控系統(tǒng)控制中心,經(jīng)人工識別后決定是否遙控開鎖。

②火災(zāi)警報。傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的火災(zāi)探測數(shù)據(jù)指標(biāo)?；鹎榘l(fā)生后觸動傳感器節(jié)點(diǎn),探測到的火警數(shù)據(jù)超過傳感器標(biāo)定值時,會自動傳送火警信息。

③系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)分析與決策。通過對溫濕度傳感器、煙霧傳感器數(shù)據(jù)的采集,對火災(zāi)的概率及時間進(jìn)行統(tǒng)計并分析,并對用戶作出相應(yīng)提示。

(2)性能需求

硬件環(huán)境:1).采集節(jié)點(diǎn):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(jié)點(diǎn):繼電器、風(fēng)扇、攝像頭(DS-2204I W-DE3/W或以上)。3).網(wǎng)關(guān):esp8266。4).服務(wù)器:PC機(jī)。5).Web終端:手機(jī)。

在無線通信芯片的具體選擇上,首先考慮數(shù)據(jù)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(shè)計是否合理簡單;最后是無線通信芯片的發(fā)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(huán)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(shè)就能完成無線信道外設(shè)的設(shè)計,NRF905在無線數(shù)據(jù)傳輸中能自動處理前綴和校驗(yàn)循環(huán)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(jī)設(shè)置了單片機(jī)與n RF905 的通信速率。NRF905 對協(xié)議進(jìn)行封裝,并通過NRF905的內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)。該結(jié)構(gòu)能夠極大地提高數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)乃俾?減少無線信道的平均電流消耗。如果n RF905 以shockburstrx模式運(yùn)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(shù)據(jù)發(fā)送之前自動添加CRC校驗(yàn)碼和前導(dǎo)碼,而n RF905 將通過一個Dr信號通知MCU數(shù)據(jù)傳輸完成。在n RF905切斷電源后,無線信道停止工作,進(jìn)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(huán)境:

1).采集節(jié)點(diǎn)和受控節(jié)點(diǎn):編程語言及工具:IAR 開發(fā)環(huán)境,使用C語言

2).網(wǎng)關(guān):操作系統(tǒng):Linux

編程語言及工具:C/C++語言,使用Qt開發(fā)平臺

3).服務(wù)器:數(shù)據(jù)庫系統(tǒng):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(fā)環(huán)境

(3)運(yùn)行程序

A.節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給網(wǎng)關(guān)-＞網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器-＞

服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理-＞通過網(wǎng)關(guān)向下實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場處理

B.Web終端從網(wǎng)關(guān)獲取到數(shù)據(jù)

三、結(jié)語

智能家居安防系統(tǒng)具有穩(wěn)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(wǎng)絡(luò)的地方查看室內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度、溫濕度、光照強(qiáng)度等情況。異常情況推送及后臺自動處理能為用戶實(shí)時掌握室內(nèi)情況提供幫助并進(jìn)一步提供安全措施,用戶可以遠(yuǎn)程調(diào)用視頻數(shù)據(jù)實(shí)時查看導(dǎo)致異常出現(xiàn)的原因,進(jìn)而為保護(hù)家庭成員的生命財產(chǎn)安全提供更多可靠依據(jù)。在現(xiàn)代智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計中有重要的參考價值。