戴宇培，張鈺，劉云飛

(南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，南京 210037)

智能家居和樓宇的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戴宇培，張鈺，劉云飛

(南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，南京 210037)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)計(jì)了智能家居和樓宇監(jiān)控系統(tǒng)。其中，智能家居系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家電的遠(yuǎn)程控制。樓宇監(jiān)控系統(tǒng)采用WiFi和路由技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家庭情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及硬件、軟件的設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模型可以應(yīng)用到實(shí)際生活中，極大地方便了我們的生活。

ZjgBee；CC2530；智能家居；樹(shù)莓派；樓宇監(jiān)控

引 言

物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)信息傳感設(shè)備，如射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器、GPS定位系統(tǒng)等，按某種協(xié)議把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)[1]。本文探討的智能家居和樓宇監(jiān)控系統(tǒng)是一種小型的監(jiān)控管理物聯(lián)網(wǎng)[2]。

ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞，是一種低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)[3]，成本較低，可以嵌入各種設(shè)備，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。本文通過(guò)ZigBee組網(wǎng)構(gòu)建模型，模擬實(shí)際的家庭情況，在家里或者外面，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)即能實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的控制，以及對(duì)家里情況的監(jiān)測(cè)。

樓宇監(jiān)控系統(tǒng)中， CC2530已不能滿足視頻對(duì)講的功能，故采用樹(shù)莓派3B以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程樓宇視頻對(duì)講和遙控開(kāi)門的功能，樓上可以控制樓下的大門，視頻對(duì)講后開(kāi)門關(guān)門。如果有人來(lái)訪、按動(dòng)對(duì)講門鈴，則可通過(guò)手機(jī)和來(lái)訪人視頻對(duì)講,并選擇是否開(kāi)門[4]。

1 處理器介紹

智能家居系統(tǒng)采用CC2530芯片，支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。CC2530由一個(gè)8051單片機(jī)和一個(gè)RF收發(fā)器組成，同時(shí)擁有強(qiáng)大的支持功能和外設(shè)[5]。

樓宇監(jiān)控系統(tǒng)處理器采用樹(shù)莓派3B，它是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD/MicroSD卡為內(nèi)存硬盤，卡片主板周圍有1/2/4個(gè)USB接口和一個(gè)10/100M以太網(wǎng)接口，同時(shí)擁有視頻模擬信號(hào)的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，具備所有PC的基本功能[6]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 智能家居系統(tǒng)

ZigBee管理系統(tǒng)模型由控制端、協(xié)調(diào)器、終端以及傳感器或控制電路組成。其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為采集節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器與終端之間無(wú)線傳輸，距離為10～75 m。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)備沒(méi)有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，它可以睡眠或者喚醒。

本設(shè)計(jì)的組網(wǎng)采用星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只存在協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備的通信。終端設(shè)備間的通信，需要通過(guò)協(xié)調(diào)器的轉(zhuǎn)發(fā)才能夠?qū)崿F(xiàn)，每個(gè)協(xié)調(diào)器可以連接240個(gè)應(yīng)用終端。

每個(gè)設(shè)備對(duì)應(yīng)一個(gè)CC2530，有相應(yīng)的射頻端，并具有唯一的64位IEEE 地址和16位網(wǎng)絡(luò)地址。各設(shè)備的輸入輸出端連接CC2530的I/O口，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，在協(xié)議棧中不同的設(shè)備有相應(yīng)的配置文件[7-8]。

2.2 樓宇監(jiān)控系統(tǒng)

圖1 模擬連接圖(省去電源)

利用樹(shù)莓派進(jìn)行視頻對(duì)講，如圖1所示，硬件包括樹(shù)莓派主板、電源、顯示器、攝像頭、麥克風(fēng)、喇叭、SD卡等各一對(duì)。電源采用Mini B型USB插頭，輸入5 V，輸出2 A。顯示器為樹(shù)莓派官方7寸顯示器，DSI接口，800×480分辨率。攝像頭采用樹(shù)莓派官方攝像頭2代，DSI接口，800萬(wàn)像素。麥克風(fēng)為CM108芯片麥克風(fēng)，USB接口。喇叭為普通小喇叭，接口為3.5 mm耳機(jī)接口。

3 硬件組成及配置

3.1 智能家居系統(tǒng)

本網(wǎng)關(guān)由一個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)和一個(gè)WiFi模塊組成，ZigBee 和WiFi 之間基于串口通信，WiFi 模塊內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧，使得手機(jī)或者其他的通信設(shè)備可以直接連接到WiFi 上，相當(dāng)于直接連接到了ZigBee上，即 “ZigBee?WiFi 模塊?路由器?手機(jī)”的通信流程[9-10]。

配置為WiFi-STA 模式，STA 即無(wú)線站點(diǎn)，它是一個(gè)WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的終端，可以連接到WiFi路由器上。手機(jī)通過(guò)這個(gè)無(wú)線路由器，可以訪問(wèn)到這個(gè)WiFi網(wǎng)關(guān)。無(wú)線路由器連接公網(wǎng)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)IP地址。網(wǎng)關(guān)將手機(jī)終端自建的局域網(wǎng)連接到ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

人在外面，手機(jī)通過(guò)公網(wǎng)IP找到家里路由，路由給WiFi模塊映射服務(wù)器通信。

如圖2所示，本地端口為20000。WiFi 路由器名稱為zhangyu，密碼為12345678。所以網(wǎng)絡(luò)名稱為zhangyu，密碼為12345678。同時(shí)配置WiFi 網(wǎng)關(guān)的IP，靜態(tài)IP為192.168.1.99。

圖2 手機(jī)驗(yàn)證

3.2 樓宇監(jiān)控系統(tǒng)配置

系統(tǒng)選擇官方的Raspbian系統(tǒng)，對(duì)顯示器和攝像頭支持友好。在官網(wǎng)下載Raspbian鏡像(帶桌面版)，下載后將鏡像寫入到SD卡，若主機(jī)為L(zhǎng)inux系統(tǒng)，使用dd命令寫入鏡像， sdd為SD卡設(shè)備名，按需改變，dd bs=4M if=*-raspbian-jessie.img of=/dev/sdd。若主機(jī)為Windows系統(tǒng)，下載軟件Win32DiskImager， 打開(kāi)軟件安裝后，選擇SD卡相應(yīng)鏡像，點(diǎn)擊寫入。SD卡寫好系統(tǒng)后，插入樹(shù)莓派，接電源即可看到啟動(dòng)信息。

攝像頭配置操作為:進(jìn)入系統(tǒng)后打開(kāi)終端，輸入sudo raspi-config 打開(kāi)配置選項(xiàng)，選擇Enable Camera，開(kāi)啟攝像頭。每次使用麥克風(fēng)前，加載驅(qū)動(dòng)sudo modprobe snd_bcm283，即完成麥克風(fēng)配置。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 智能家居系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)使用的軟件工具是IAR 7.51A，先由協(xié)調(diào)器建立局域網(wǎng)，再將終端設(shè)備接入局域網(wǎng)，完成 ZigBee組網(wǎng)，移動(dòng)端使用Eclipse(Android)[11-12]。

終端與協(xié)調(diào)器協(xié)議格式如下：包頭(SD)二字節(jié)，以“$@”開(kāi)頭，十六進(jìn)制為0x24,0x40；終端地址(ADDR)二字節(jié)； 功能碼(FC)一字節(jié)，命令碼；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(LEN)一字節(jié)，后面帶數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，沒(méi)有數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為0；數(shù)據(jù)內(nèi)容(DATA)N字節(jié)；檢驗(yàn)碼(XOR )一字節(jié)，從終端地址開(kāi)始，到數(shù)據(jù)內(nèi)容的異或和；包尾(ED)二字節(jié)，以‘ ’結(jié)尾，十六進(jìn)制為0x0d,0x0a。

協(xié)調(diào)器發(fā)起對(duì)終端的查詢、控制，以及終端的數(shù)據(jù)響應(yīng)均使用此協(xié)議。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 智能家居系統(tǒng)流程圖

4.2 樓宇監(jiān)控軟件配置

樹(shù)莓視頻對(duì)講使用了一些工具：Netcat傳輸視頻與音頻流，raspivid和mplayer采集以及播放視頻流，arecord和aplay采集以及播放音頻流。

Netcat是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)公用程式，用來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)連線TCP或者UDP進(jìn)行讀寫,能簡(jiǎn)單地監(jiān)聽(tīng)一個(gè)端口或者向一個(gè)端口傳輸數(shù)據(jù)，配合管道及重定向，使用非常方便?；贚inux系統(tǒng)shell，命令nc-l-p 80 > hello(#listen 80 port and write some data to file hello(default by TCP))；echo 'hello world' | nc localhost-p 80(#send some data to local port 80)。

raspivid是樹(shù)莓派官方發(fā)行系統(tǒng)Raspbian自帶的程序，它能簡(jiǎn)單地調(diào)用樹(shù)莓派上的攝像頭進(jìn)行錄像或通過(guò)管道傳輸。Raspbian系統(tǒng)shell，采用命令raspivid-o-(#just show video)。mplayer是一款強(qiáng)大的視頻播放器，提供視頻播放的shell接口，可以解碼并播放多數(shù)格式視頻。安裝mplayer，命令sudo apt-get install mplayer；安裝mplayer后，命令mplayer I_am_avideo.mp4(#player a vedio)。arecord和aplay是錄制和播放聲音的命令行接口，用來(lái)配合netcat傳輸音頻信號(hào)。安裝命令sudo apt-get install alsa-utils；安裝后命令arecord-D plughw:1,0 > I_am_a_audio(#record audio)，aplay I_am_a_audio(#play audio)。

首先安裝mplayer、arecord和aplay，而后在系統(tǒng)設(shè)置內(nèi)開(kāi)啟攝像頭。音視頻對(duì)接分兩部分，start.sh和stop.sh。start.sh需要雙方同時(shí)運(yùn)行進(jìn)行視頻對(duì)接，stop.sh殺死nc進(jìn)程，關(guān)閉連接。音視頻對(duì)接流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 音視頻對(duì)接流程圖

軟件系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖5。

圖5 樓宇監(jiān)控設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖

5 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

5.1 智能家居系統(tǒng)

如圖6所示，WiFi網(wǎng)關(guān)模塊插在ZigBee協(xié)調(diào)器上，天線增加了傳輸距離，為10 m左右。終端1連接DS18B20溫度傳感器和加熱片，模擬熱水器加熱反饋，繼電器電路作為加熱片的開(kāi)關(guān)電路，當(dāng)傳感器檢測(cè)到溫度已達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，單片機(jī)輸出信號(hào)使繼電器斷開(kāi)，加熱片不再加熱，檢測(cè)到溫度低于預(yù)設(shè)溫度時(shí)繼電器閉合，加熱片繼續(xù)加熱。

圖6 智能家居模型實(shí)物圖

終端1同時(shí)連接氣體檢測(cè)模塊，檢測(cè)甲烷(天然氣)的濃度，模擬家里的煤氣報(bào)警器。將采集到的模擬量輸入接到單片機(jī)的I/O口，CC2530自帶A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后顯示出來(lái)，當(dāng)甲烷濃度超標(biāo)時(shí)，單片機(jī)輸出高電平給蜂鳴器，蜂鳴器報(bào)警。

終端2連接LED燈開(kāi)關(guān)電路，模擬家里吊燈、臺(tái)燈等的墻壁開(kāi)關(guān)，可通過(guò)手機(jī)客戶端進(jìn)行開(kāi)關(guān)燈，同時(shí)協(xié)調(diào)器每隔一段時(shí)間發(fā)送指令檢測(cè)燈接入端的高低電平狀態(tài)，手機(jī)可觀察到燈的狀態(tài)，在沒(méi)有執(zhí)行好指令時(shí)自動(dòng)重發(fā)。同時(shí)連接溫濕度傳感器模塊，檢測(cè)實(shí)時(shí)的室內(nèi)溫濕度，采集信息并在手機(jī)應(yīng)用端顯示。

另外，連接人體感應(yīng)傳感器，模擬家里的防盜裝置，當(dāng)傳感器檢測(cè)到有人時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，手機(jī)客戶端有信息推送并振動(dòng)(APP實(shí)現(xiàn))。如果家里裝有攝像頭，將攝像頭模塊接入終端2，當(dāng)蜂鳴器報(bào)警時(shí)，讓單片機(jī)控制攝像頭拍照，將照片壓縮，通過(guò)單片機(jī)傳到協(xié)調(diào)器，再傳到手機(jī)，可以看到攝像頭截獲的圖像信息。另外，連接紅外傳感器，模擬家里的火災(zāi)報(bào)警器，當(dāng)檢測(cè)到險(xiǎn)情時(shí)，蜂鳴器報(bào)警(響)，手機(jī)客戶端有信息推送。

終端3連接步進(jìn)電機(jī)(4個(gè)端口，連接CC2530的I/O口)，步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)、加減速模擬空調(diào)工作模式，可通過(guò)手機(jī)客戶端控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

通過(guò)太陽(yáng)能電池板給蓄電池供電，再通過(guò)降壓模塊，給終端及協(xié)調(diào)器供電。實(shí)際家庭情況中，可以通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換電路將220 V交流電壓轉(zhuǎn)成直流電壓，類似USB線供電。WiFi 模塊設(shè)置了STA模式，配合路由器，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)對(duì)終端的檢測(cè)控制。

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遙控家電的功能，同時(shí)檢測(cè)到環(huán)境參數(shù)不正常時(shí)產(chǎn)生報(bào)警，家居模型較真實(shí)的模擬了日常的情況[13-14]。

5.2 樓宇監(jiān)控系統(tǒng)

在此基礎(chǔ)上拓展，將視頻對(duì)講加入，家里樹(shù)莓派接入路由器，有人在門外時(shí)，可通過(guò)路由器傳輸，在手機(jī)上進(jìn)行視頻對(duì)講，將門禁系統(tǒng)接入樹(shù)莓派，控制門的開(kāi)關(guān)。

如圖7所示，按鈕包括門鈴、視頻接通、開(kāi)門和關(guān)門，指示燈包括請(qǐng)求提示和開(kāi)門提示，并且當(dāng)有請(qǐng)求提示時(shí)，蜂鳴器響，模擬家里的門鈴。硬件電路板連接樹(shù)莓派的GPIO口。

圖7 樓宇監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)物圖

人在家里，樓下門鈴按下，樓上指示燈、蜂鳴器響起；按下接受，開(kāi)啟視頻對(duì)話；對(duì)話結(jié)束，按下開(kāi)門，開(kāi)門指示燈開(kāi)啟，樓下客人進(jìn)門后關(guān)門。人在外面，手機(jī)通過(guò)公網(wǎng)IP找到家里路由，樹(shù)莓派將圖片傳送到手機(jī)，可實(shí)現(xiàn)手機(jī)視頻對(duì)講，并通過(guò)手機(jī)控制家里樹(shù)莓派進(jìn)行開(kāi)關(guān)門。

結(jié) 語(yǔ)

[1] 錢志鴻,王義君. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用研究[J]. 電子學(xué)報(bào),2012(5):1023-1029.

[2] 童曉渝, 房秉毅, 張?jiān)朴? 物聯(lián)網(wǎng)智能家居發(fā)展分析[J]. 移動(dòng)通信, 2010, 34(9):16-20.

[3] 俞文俊,凌志浩. 一種物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的研究[J]. 自動(dòng)化儀表,2011(8):56-59.

[4] 袁開(kāi)鴻. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程,2014(7):135-136,139.

[5] 柳蘭,何娜,陸明艷. 基于MSP430F2618和CC2520無(wú)線樓宇設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 南華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009(4):37-40,48.

[6] 盛建強(qiáng),吳方,賴育晉,等. 基于ZigBee和ARM處理器的實(shí)驗(yàn)樓宇監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2009(12):137-139，142.

[7] 錢志鴻,王義君. 面向物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J]. 電子與信息學(xué)報(bào),2013(1):215-227.

[8] 蔣承延,吳思遠(yuǎn),陳偉. 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能

Monitoring System Design of Smart Home and Building

Dai Yupei,Zhang Yu,Liu Yunfei

(College of Information Science and Technology,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China)

In order to realize the real-time monitoring of home security,the smart home and building monitoring system is designed.The smart home system is based on ZigBee technology,which introduces a variety of sensors to realize the remote control of household appliances.The building monitoring system uses WiFi and routing technology to realize the real-time monitoring of home security.The structure,hardware and software design are introduced in the paper.The system model can be applied in the real life,which makes our life better.

ZigBee;CC2530;smart home;Raspberry Pi;building monitoring

TP273.5

A