王 頌 胡立夫

沈陽(yáng)航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院

智能家居安全防護(hù)系統(tǒng)

王 頌 胡立夫

沈陽(yáng)航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院

為解決家庭住宅存在的安全隱患，使人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全得到更可靠的保障，現(xiàn)引入智能化的安全防護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)，通過(guò)多種傳感器采集信息，用攝像頭監(jiān)測(cè)室內(nèi)情況，當(dāng)室內(nèi)出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并通過(guò)GSM/GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)給用戶手機(jī)發(fā)送信息，本系統(tǒng)具有防火、防盜、防燃?xì)庑孤┑墓δ堋１鞠到y(tǒng)采用的ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了家庭內(nèi)部星狀拓?fù)涞闹悄馨踩雷o(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，不單單克服了傳統(tǒng)家庭網(wǎng)絡(luò)采用有線的方式進(jìn)行布線組網(wǎng)的困難，并具有安裝簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于保護(hù)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(shí)際的建筑案例出現(xiàn)，直到1984年美國(guó)聯(lián)合科技公司將建筑設(shè)備信息化、整合化的概念應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)時(shí)，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(gè)智能家居系統(tǒng)問(wèn)世以來(lái)，智能家居就在我們的生活中一直更新，進(jìn)入21世紀(jì)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(guò)采用傳輸范圍適中、安全可靠、網(wǎng)絡(luò)容量較大、低功耗低成本的ZigBee技術(shù)，配以溫度、煙霧、煤氣、火焰和紅外傳感器設(shè)計(jì)智能家居遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有防火、防盜、防燃?xì)庑孤┑墓δ?，可以?duì)危險(xiǎn)因素做出處理，并發(fā)出短信報(bào)警通知主人，主人還可以對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。

系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。主要有三個(gè)方面組成：無(wú)線智能家居安全防護(hù)傳感器節(jié)點(diǎn)、ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心。

傳感器節(jié)點(diǎn)主要是負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和對(duì)信息預(yù)處理，回應(yīng)監(jiān)控主機(jī)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(duì)家居安防環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。然后各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)將自己所采集到的實(shí)時(shí)信息通過(guò)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(diǎn)的功能是接收系統(tǒng)控制中心發(fā)送的指令做出相應(yīng)地處理，還要將終端節(jié)點(diǎn)（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(yǔ)言LabVIEW編寫的，監(jiān)控中心可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)，顯示和存儲(chǔ)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。另外，監(jiān)控中心還添加了短信報(bào)警和圖像監(jiān)測(cè)功能。短信報(bào)警采用的是GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，它用AT指令進(jìn)行模塊控制，通過(guò)串口進(jìn)行控制命令的傳送。本系統(tǒng)中使用USB攝像頭對(duì)家庭關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

Zig Bee網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)正常工作并且保持同網(wǎng)絡(luò)其他設(shè)備的通信；路由器可以將消息發(fā)到其他設(shè)備；終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)完成傳感器數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，由于終端節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)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(shè)計(jì)將以CC2530為核心，再加上外圍電路及多種傳感器模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居安防功能。

圖1 家居智能安全防護(hù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

圖2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

圖3 終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖

圖4 有人進(jìn)入手機(jī)報(bào)警

傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

家居智能安全防護(hù)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?qū)崟r(shí)采集家居安防環(huán)境信息。與此同時(shí)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(guān)信號(hào)，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(jìn)入或有火焰產(chǎn)生，同時(shí)CC2530進(jìn)行下一步動(dòng)作；而其他幾種傳感器輸出均為模擬量信號(hào)，因此，需要經(jīng)過(guò)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(gè)2頻的GSM/GPRS模塊工作頻段為EGSM 900MHz和DCS1800MHz，能實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)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(shè)計(jì)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(yīng)用中對(duì)空間尺寸的要求。SIM900A內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴(kuò)展的TCP/IPAT命令讓用戶能夠很容易使用，很方便進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該模塊功能強(qiáng)大、易于使用、安全可靠，支持1.8V和3.0VSIM卡，使用時(shí)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(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

環(huán)境參數(shù)的采集利用周期性的定時(shí)器，每隔10s采集一次，并將采集的信息通過(guò)ZigBee模塊發(fā)送給協(xié)調(diào)器。在定時(shí)時(shí)間到后會(huì)繼續(xù)采集當(dāng)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(diǎn)開始時(shí)進(jìn)行初始化，然后掃描網(wǎng)絡(luò)信道，如果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器收到請(qǐng)求后的網(wǎng)絡(luò)層向應(yīng)用層發(fā)送確認(rèn)，終端節(jié)點(diǎn)開始啟動(dòng)且已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功后會(huì)進(jìn)入SLEEP狀態(tài)，等待定時(shí)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(diǎn)的程序流程如圖3所示。

監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)監(jiān)控中心軟件由圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW編寫，LabVIEW產(chǎn)生的程序是流程圖的形式，它的程序設(shè)計(jì)界面采用了與其他高級(jí)語(yǔ)言類似的圖形化方式，集成了快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的所有工具，同時(shí)，在編寫程序代碼、實(shí)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(jí)編程語(yǔ)言無(wú)法比擬的高效性。

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與性能分析

當(dāng)有人非法進(jìn)入時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)向用戶手機(jī)報(bào)警，用戶手機(jī)將出現(xiàn)“有人進(jìn)入”字樣。

結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)完成一種基于ZigBee技術(shù)和GSM/GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)星型網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使各種家居設(shè)備聯(lián)系起來(lái)，能夠?qū)揖釉O(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的管理，實(shí)現(xiàn)了家居的智能化。該系統(tǒng)將家庭內(nèi)網(wǎng)通過(guò)串口連接GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，使用戶能夠通過(guò)手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控家居環(huán)境和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了智能家居的遠(yuǎn)程控制。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)，該系統(tǒng)使用星型網(wǎng)絡(luò)，安裝方便、使用簡(jiǎn)單、容易擴(kuò)展、安全可靠，用戶可以根據(jù)自己的需要設(shè)置適合自己使用的終端節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)靈活、方便的家庭安全監(jiān)控。