白永祥,陰國富

(1.渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 渭南714000；2.渭南師范學(xué)院 陜西 渭南714000)

基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭安防系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

白永祥1,陰國富2

(1.渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 渭南714000；2.渭南師范學(xué)院 陜西 渭南714000)

針對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用,設(shè)計了一種家庭智能安防系統(tǒng)。從家庭安防系統(tǒng)的基本功能、總體架構(gòu)、主要功能模塊及軟件編程等方面進(jìn)行了詳細(xì)的研究與分析,與同類系統(tǒng)相比較,該系統(tǒng)具有智能安防及遠(yuǎn)程監(jiān)控能力,結(jié)構(gòu)靈活、成本低和易于實現(xiàn)等特點,為現(xiàn)代智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計提供了一種很好的方案。

智能家居；無線傳感器；物聯(lián)網(wǎng)；家庭安防系統(tǒng)

居家安全是人們安居樂業(yè)的基礎(chǔ),也是共建和諧社會的重要環(huán)節(jié),隨著生活水平的日益提高,人們對于居住環(huán)境的安全性與可管理性有了更高的要求。傳統(tǒng)的安防系統(tǒng)通信多數(shù)是采用有線連接方式,這種連接方式線路復(fù)雜、容易腐蝕和不方便維護(hù)等［1］。近年來,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在家庭安防系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用,但大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)只是初步,還沒有達(dá)到智能監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制。本文設(shè)計了一種智能家居安防系統(tǒng),融合了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GPRS及Web技術(shù),既可以使用PC機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制訪問,也可以通過手機(jī)訪問。當(dāng)用戶在室內(nèi)時可以直接通過PC機(jī)控制整個系統(tǒng)的運行,出門在外時可以通過網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控系統(tǒng),而且當(dāng)室內(nèi)環(huán)境異常時,該系統(tǒng)可以自動執(zhí)行短信報警程序,并將報警短信息發(fā)送到用戶手機(jī)上,從而實現(xiàn)真正的智能化,滿足用戶對家居的安全性、舒適性等需求,具有很好的發(fā)展前景。

1 研究現(xiàn)狀

家庭安防系統(tǒng)主要目的是保護(hù)家居環(huán)境安全,目前的安防系統(tǒng)主要是在室內(nèi)安裝紅外探測器、煙感探測器和天燃?xì)馓綔y器等實時設(shè)備,監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境的各種變化。紅外探測器可以探測有無外人闖入,煙感和天燃?xì)馓綔y器主要是探測室內(nèi)有無起火或燃?xì)庑孤?當(dāng)不安全事故發(fā)生時安防系統(tǒng)能夠自動報警,并控制相應(yīng)的設(shè)備實施搶救。還有可以結(jié)合門禁系統(tǒng)和可視對講系統(tǒng)實現(xiàn)防火、防盜,實現(xiàn)真正的安全防范。

1984年,美國出現(xiàn)了世界上最早的智能建筑，后來歐洲、澳大利亞、加拿大和東南亞等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家也先后提出了各種智能家居安防解決方案,智能家居安防系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。1980年，智能家居的概念被引入到我國,智能家居安防行業(yè)得到快速發(fā)展,后來,智能家居在中國迅速普及,相應(yīng)產(chǎn)品也非常成熟，普通居民已經(jīng)接受智能家居概念和產(chǎn)品。2008年中國閃聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)正式成為全球3C協(xié)同領(lǐng)域的第一個國際標(biāo)準(zhǔn)［2］，為中國的智能家居發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)［1］,2013年全國大中城市中75﹪住宅實現(xiàn)智能化安全防范。當(dāng)然，國內(nèi)還有其它一些優(yōu)秀的智能家居產(chǎn)品，比如智能家電、智能燈光控制、自動窗簾，兼有多媒體娛樂，在可視對講、安防報警、環(huán)境檢測、遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)和故障反饋等方面做出了比較突出的成績。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)基本功能

1）身份識別功能:通過專用設(shè)備采集面部數(shù)據(jù)、語音特征、指紋信息等多種生物特征，并與數(shù)據(jù)庫中的預(yù)存信息進(jìn)行精確比對,具有安全、靈活、人性化等特點［3］。

2）實時定位功能:通過全球定位系統(tǒng) （Global Position System，GPS）定位，配合地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS），實現(xiàn)對重要財物,比如:車輛、家庭成員的實時定位跟蹤等，從而保證了財產(chǎn)安全和人身安全。

3）移動物體監(jiān)測功能:實現(xiàn)對室內(nèi)重點區(qū)域的紅外線監(jiān)控，如果發(fā)現(xiàn)有移動的物體,則可以認(rèn)為非法闖入,立即自動完成報警功能。

4）遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能:通過流媒體技術(shù)，可以在Internet任意節(jié)點,比如辦公室電腦、手機(jī)上查看家中攝像頭的監(jiān)控場景。

5）在線查看安全監(jiān)測數(shù)據(jù)功能:把安裝的各種監(jiān)測傳感器,組建成一個智能的無線局域網(wǎng)，同時搭建Web服務(wù)器,供用戶遠(yuǎn)程查看監(jiān)控數(shù)據(jù)。如果超過安全指標(biāo)時自動向主人短信報警并通知小區(qū)物業(yè)保安，比如:天然氣漏氣、火災(zāi)引起的煙霧、溫度變化過高等。甚至還可以自動打開窗戶,啟動消防設(shè)備,發(fā)出報警聲等等。

6）房屋外設(shè)遭到破壞時自動報警功能:如果門、窗戶、玻璃被打破時,可以自動向小區(qū)保安中心和向主人報警，發(fā)出聲光報警,自動啟動室內(nèi)視頻監(jiān)視系統(tǒng)。

設(shè)計方案將系統(tǒng)劃分為5個子系統(tǒng):門禁系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、移動物體監(jiān)測系統(tǒng)、流媒體遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)的組成

2.2.1 系統(tǒng)的硬件模塊

系統(tǒng)由3個模塊構(gòu)成,分別為無線傳感器模塊、控制器模塊和報警輸出模塊,系統(tǒng)組成如圖1所示［4］。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of system composition

1）無線傳感器模塊:由各種監(jiān)測無線傳感器組成,用來對家庭中的各個安全區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測。

2）控制模塊:用來控制系統(tǒng)的操作與運行。

3）報警輸出模塊:當(dāng)出現(xiàn)安全情況時,報警輸出模塊發(fā)出報警信息。

2.2.2 系統(tǒng)工作流程

整個系統(tǒng)工作流程是這樣的:系統(tǒng)啟動后,使用遙控設(shè)置布防和撤防,如果進(jìn)行布控,則系統(tǒng)進(jìn)入安防狀態(tài),如果發(fā)生險情,則進(jìn)行報警處理。詳細(xì)工作流程如圖2所示［5］。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1.1 無線傳感器選擇

無線傳感器是家庭安防系統(tǒng)的基礎(chǔ),它的主要功能是采集監(jiān)測數(shù)據(jù),常用的有無線門磁傳感器、無線煙霧傳感器、紅外無線熱釋傳感器和無線遙控器等。

圖2 安防系統(tǒng)工作流程Fig.2 Security system workflow

1）門磁傳感器:主要監(jiān)控門窗的開關(guān)狀態(tài),假如門窗出現(xiàn)移動,那么磁傳感器就會發(fā)出射特定的無線信號,并向主機(jī)報警。由于無線信號包含地址編碼和自身識別碼,接收板通過識別這個地址碼來確定出現(xiàn)危情的傳感器種類,再根據(jù)自身識別碼確定位置。這種無線報警信號最遠(yuǎn)能傳輸200 m左右,實際應(yīng)用時和周圍的環(huán)境密切相關(guān),由于家居環(huán)境的復(fù)雜,一般能傳輸20 m［6］。

2）紅外線傳感器:用來探測活動的人體。人體都有恒定的體溫,一般在37℃左右,發(fā)出一定波長的紅外線,當(dāng)有人進(jìn)入報警區(qū)的監(jiān)視范圍內(nèi),紅外線探測傳感器便能探測到周圍有人體輻射出的紅外線信號,相應(yīng)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號。

3）煙霧傳感器:用于對各類早期火災(zāi)發(fā)出的煙霧及時做出報警。工作狀態(tài)下,一旦探測到防范空間的煙霧濃度和持續(xù)時間達(dá)到報警值時,立即蜂鳴器鳴響報警。由于光電式煙霧傳感器的報警器工作穩(wěn)定可靠,性能遠(yuǎn)優(yōu)于氣敏電阻類的火災(zāi)報警器,所以在選購時盡量選擇光電式傳感器。

4）無線遙控器:用來實現(xiàn)破防與撒防的操作和其它參數(shù)的設(shè)定。

3.1.2 報警輸入模塊

報警信號的輸出可以采用多種形式,比如:本地聲光報警、電話線遠(yuǎn)程報警和手機(jī)發(fā)送短信報警等。本地報警雖然可以驚動盜賊,但家中無人時還不能達(dá)到報警目的。電話報警雖然方便,但如果入侵者前期切斷電話線,報警就無法進(jìn)行；采用短信方式報警是一種較好的辦法,目前比較流行。

3.1.3 控制器

控制器用來控制系統(tǒng)的操作與運行,是整個系統(tǒng)的核心,這里選用LM3S1138核心模塊。微控制器LM3S1138是基于ARM CortexTM-M3的32位高性能處理器,能夠以傳統(tǒng)的8位和16位器件的價位來享受32位的性能,而且所有型號體積很小,能夠方便的運用多種ARM的開發(fā)工具和SoC的底層IP應(yīng)用方案,且兼容Thumb2指令集來減少存儲容量的需求［7］。

LM3S1138微控制器還具有一個電池備用的休眠模塊,從而有效的使LM3S1138芯片在未被激活的時候進(jìn)入低功耗狀態(tài),因此,LM3S1138微控制器極其適合使用電池的應(yīng)用,且該微控制器成本低、代碼兼容性強(qiáng)、靈活性高,能夠適應(yīng)各種精確的需求。

3.1.4 接口設(shè)計

智能安防系統(tǒng)主要由各種報警傳感器（人體紅外、煙感、可燃?xì)怏w等）及其檢測、處理模塊組成。入侵檢測報警電路及其他火災(zāi)、燃煤氣泄漏報警電路類似,其中入侵檢測報警框圖及電路如圖3所示，紅外線探測報警電路如圖4所示［8］。

圖3 入侵檢測防盜系統(tǒng)Fig.3 Intrusion detection alarm system

圖4 紅外線探測報警電路Fig.4 Infrared alarm circuit

3.2 系統(tǒng)部分軟件設(shè)計

3.2.1 主程序

主程序的控制流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 The flow chart main program

部分主程序如下:

3.2.2 布撤防控制程序

如果按下布撤防按鈕時,產(chǎn)生中斷,系統(tǒng)GPIO-F口中斷相應(yīng)的被打開和關(guān)閉,同時使用LED燈的亮與滅或蜂器聲音的不同來表示布撤防的成功與否。詳細(xì)過程如下:

程序主要部分:

3.2.3 傳感器中斷服務(wù)程序

傳感器產(chǎn)生中斷時,引發(fā)中斷。進(jìn)行中斷服務(wù)后,要確定引發(fā)中斷的傳感器編號,然后再發(fā)出相應(yīng)的報警短信。中斷服務(wù)程序工作流程如圖6所示。

圖6 傳感器中斷服務(wù)程序Fig.6 Interrupt service program of the sensor

3.2.4 報警短信發(fā)送程序

通過UART接口報警,向GSM模塊發(fā)送AT命令來實現(xiàn)。短信發(fā)送過程是一個AT命令執(zhí)行的過程,這里將短信的格式設(shè)為PUD模式,報警短信部分程序如下:

3.2.5 防盜報警及遠(yuǎn)程控制軟件

系統(tǒng)開機(jī)初始化,首先進(jìn)入開機(jī)界面,然后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。若直接選擇確定則默認(rèn)原設(shè)置,也可對默認(rèn)設(shè)置進(jìn)行重設(shè)。設(shè)置完成后,各傳感器開始采集、處理參數(shù),在液晶上顯示各參數(shù)并通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶手機(jī),流程圖如圖7所示,數(shù)據(jù)短信收發(fā)流程如圖所示［8］。

圖7 遠(yuǎn)程控制流程圖Fig.7 Flow chart of remote control

3.2.6 路由算法的改進(jìn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由算法選擇非常重要,它關(guān)系到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體性能。目前,Zigbee已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本通信技術(shù),其采用的路由技術(shù)成為目前的研究熱點問題。AODVjr路由和層次路由是Zigbee最常用的兩種路由算法,雖然AODVjr路由算法是首選,但是這種算法時延較長,層次路由算法雖然功耗大,但時延短,所以對于家庭安防這種實時性要求很高的系統(tǒng)來說,選擇后者系統(tǒng)的實用性更好。

層次路由的本質(zhì)是一個樹形結(jié)構(gòu),如果目的節(jié)點不是源節(jié)點的子節(jié)點時,就要先轉(zhuǎn)發(fā)給父節(jié)點,再由父節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā),這個過程最差的情況是轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)節(jié)點（根節(jié)點）。改進(jìn)的方法是為每個節(jié)點建立鄰節(jié)點地址表信息,如果目的地址不是自己的子節(jié)點時,就轉(zhuǎn)發(fā)給鄰節(jié)點,以此類推,這樣就減少數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)跳數(shù)［9］。算法過程描述如下:

Design and implementation of home security system based on internet of things

BAI Yong-xiang1，YIN Guo-fu2

（1.Weinan Vocational&Technology College,Weinan 714000,China；2.Weinan Normal University,Weinan 714000,China）

Based on the technology of Internet of things in the application of smart home，a home intelligent security system is designed.Research and analysis has carried on the detailed from the basic function of family security system，overall architecture，main function modules and the software programming and so on，Compared with similar systems，the design is intelligent security and remote monitoring ability，flexible structure，low cost and easy to implement，etc.Provides a good scheme for the modern intelligent home security system.

smart home；wireless sensor；internet of things；home security system

TN915.5

：A

：1674-6236（2015）18-0020-04

2014-12-31稿件編號：201412315

陜西省教育廳專項科研計劃項目資助(2013JK1085)；渭南市科技創(chuàng)新扶持資金資助(2013JCYJ-6)；渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年科研基金項目資助(WZYY201324，WZYY201336，WZZYJY201303)

白永祥（1970—）,男,陜西渭南人,碩士,副教授。研究方向:網(wǎng)絡(luò)與信息安全。