宋睿

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)家庭生命財(cái)產(chǎn)安全越來越重視。傳統(tǒng)意義上采用電話線、電纜等有線方式的家居報(bào)警裝置受到架線環(huán)境、傳輸距離等條件限制，并且投資成本大、維護(hù)費(fèi)用高，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)和大眾對(duì)安防系統(tǒng)的要求。本文探討了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；家居；安防系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種新型網(wǎng)絡(luò)，主要由電子標(biāo)簽碼（EPC）、射頻識(shí)別系統(tǒng)、主控制器、ONS對(duì)象名解析服務(wù)器、PML信息服務(wù)器組成。將物聯(lián)網(wǎng)與家居安防系統(tǒng)相結(jié)合，突破了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地域、環(huán)境、時(shí)間上的限制，真正實(shí)現(xiàn)了分散布點(diǎn)、集中監(jiān)控，具有可靠性高、搭建與維護(hù)費(fèi)用低廉、設(shè)置監(jiān)測(cè)終端容易等優(yōu)勢(shì)，是未來家居安防系統(tǒng)的研究和發(fā)展方向。

1.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的核心部分是家居安防系統(tǒng)的主控制器。本設(shè)計(jì)中采用嵌入式微處理器作為主控制器，它以射頻通信的方式接收?qǐng)?bào)警信息，并采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將信息發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上，使遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端能及時(shí)監(jiān)測(cè)家居安全情況。針對(duì)家居安防系統(tǒng)中的火災(zāi)、煤氣泄露、非法入室等主要處理信息，系統(tǒng)將分配了EPC碼的電子標(biāo)簽部署在容易出現(xiàn)這些安全隱患的區(qū)域，稱之為監(jiān)測(cè)防區(qū)。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端可以設(shè)置在小區(qū)保安室、消防局、公安局、家居主人辦公室，以供隨時(shí)查閱家居安全狀況，及時(shí)處理突發(fā)事件。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1主控制器選擇

系統(tǒng)核心MCU采用三星公司推出的32位RISC微處理器S3C2440A，負(fù)責(zé)處理射頻收發(fā)數(shù)據(jù)，并將報(bào)警信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端。S3C2440A采用了ARM920T的內(nèi)核，加強(qiáng)的ARM體系結(jié)構(gòu)MMU用于支持WinCE操作系統(tǒng)，擁有130個(gè)通用I/O口，具有DMA、UART、SPI、USB、PWM以及ADC和觸摸屏接口，豐富的硬件資源為與射頻模塊的連接以及外部硬件的擴(kuò)展提供了方便。S3C2440A內(nèi)嵌DM9000網(wǎng)卡芯片，無需外部擴(kuò)展，自適應(yīng)10/100Mbps網(wǎng)絡(luò)，RJ45連接頭包含了耦合線圈，使用普通的網(wǎng)線即可連接路由器或者交換機(jī)。

2.2防區(qū)電子標(biāo)簽

監(jiān)測(cè)防區(qū)電子標(biāo)簽主要由防區(qū)傳感器、現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警裝置、電源模塊、MCU和射頻模塊五部分組成。電源模塊負(fù)責(zé)提供單片機(jī)工作電壓，同時(shí)充當(dāng)備用電源。單片機(jī)作為防區(qū)MCU，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集傳感器監(jiān)測(cè)信息，有異常狀況時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)射頻模塊工作，同時(shí)命令現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警裝置報(bào)警。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 下層傳感器節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)

由于本系統(tǒng)針對(duì)的是一般的家庭住戶，需要檢測(cè)的區(qū)域范圍一般不是很大（監(jiān)測(cè)半徑一般不會(huì)超過15m），經(jīng)測(cè)試，NRF905模塊在最低功率時(shí)的通信距離都能夠滿足要求，因此，采用了星形網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的底層節(jié)點(diǎn)使用同一套完整的程序，系統(tǒng)上電后會(huì)根據(jù)相應(yīng)的傳感器是否工作來決定該程序模塊是否執(zhí)行，當(dāng)重新添加相應(yīng)的傳感器時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的模塊，這樣即簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，又增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

3.2 主控制器軟件實(shí)現(xiàn)

由于主控制器需要進(jìn)行多方通信，同時(shí)也需要處理較為復(fù)雜的算法，進(jìn)行數(shù)據(jù)包的解析等，因此，在設(shè)計(jì)主控制器程序時(shí)，重點(diǎn)考慮了它的實(shí)時(shí)性，快速性和可擴(kuò)展性。

3.2.1 數(shù)據(jù)包收發(fā)緩存的處理

在對(duì)數(shù)據(jù)包的收發(fā)緩存的處理上，設(shè)計(jì)了上傳數(shù)據(jù)緩存IOT Up、接收數(shù)據(jù)緩存IOT Receive，以及本地?cái)?shù)據(jù)緩存IOT Local三個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象實(shí)現(xiàn)，均采用Ring Buffer結(jié)構(gòu)，其中IOT Up負(fù)責(zé)無線傳感網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)的緩存，IOT Receive負(fù)責(zé)GSM網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)的緩存，IOT Local則負(fù)責(zé)對(duì)WSN上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存?zhèn)浞?，用于主控制器進(jìn)行本地化處理。在數(shù)據(jù)包解析處理方面，采用本地?cái)?shù)據(jù)幀緩存IOT Frame實(shí)現(xiàn)，為鏈表結(jié)構(gòu)，通過對(duì)IOT Frame的分析，便可獲得WSN所采集的數(shù)據(jù)情況以及節(jié)點(diǎn)狀態(tài)等信息。

3.2.2 多線程程序設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)需要處理的事件相對(duì)較多，且實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較高，因此，為了保證數(shù)據(jù)處理與收發(fā)的實(shí)時(shí)性，提高應(yīng)用程序的響應(yīng)速度，系統(tǒng)采用了多線程技術(shù)，設(shè)計(jì)了三個(gè)數(shù)據(jù)處理線程getDataThread、sendDataThread、handleDataThread，分別來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送和處理，以下對(duì)三個(gè)線程類進(jìn)行詳細(xì)闡述。

（1）handleDataThread線程類。線程handleDataThread類主要負(fù)責(zé)對(duì)備份到IOTFrame中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，系統(tǒng)的控制和通過對(duì)參數(shù)的判斷決定是否遠(yuǎn)程報(bào)警等。采用定時(shí)掃描的方法，若IOTFrame中有數(shù)據(jù)，則進(jìn)行相應(yīng)的操作。

（2）sendDataThread線程類。線程sendDataThread類用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送處理，主要負(fù)責(zé)向無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令，以及向GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送報(bào)警信息（通過串口與GSM模塊通信）。

（3）getDataThread類。線程getDataThread類用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收處理，主要負(fù)責(zé)接收GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來的控制指令數(shù)據(jù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)上傳到主控制器的數(shù)據(jù)，并將其本地化備份到IOTLocal中，進(jìn)行解析處理。

4.系統(tǒng)綜合測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下，搭建智能家居測(cè)試平臺(tái)，系統(tǒng)共有5個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)為控制節(jié)點(diǎn)，其余為普通傳感器節(jié)點(diǎn)。在主界面可實(shí)現(xiàn)房間的選擇以及模式的設(shè)置，OUT為離家模式，整個(gè)安防系統(tǒng)均處于活躍狀態(tài)，IN為在家模式，關(guān)閉部分檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，如門窗處的防入侵節(jié)點(diǎn)等，以避免沒必要的誤報(bào)。

通過給溫濕度傳感器升溫或降溫，模擬溫度變化，在主控制器界面能實(shí)時(shí)顯示單個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度變化曲線，以及每個(gè)房間的溫度、濕度值。模擬入侵時(shí)，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警且成功發(fā)送短信到綁定的手機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警。

參考文獻(xiàn)：

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