張吉沅山東省淄博市工業(yè)學(xué)校

物聯(lián)網(wǎng)智能家居電器安防系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)探析

張吉沅
山東省淄博市工業(yè)學(xué)校

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居以專業(yè)化、整體化、低成本等特點被廣泛應(yīng)用于人們的生活當(dāng)中。但人們在享受智能家居生活之余，家居安全成為人們關(guān)注的重要話題，其中安防系統(tǒng)是智能家居的關(guān)鍵部分。本文就基于ZigBee無線通信技術(shù)設(shè)計了一套智能家居電器安防系統(tǒng)，并介紹了該系統(tǒng)的軟、硬件的結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)方案，為新一代智能家居電器安防系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支持，對實際應(yīng)用有著較好的指導(dǎo)意義。

物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；安防系統(tǒng)；無線通信技術(shù)

智能家居是互聯(lián)網(wǎng)影響之下物聯(lián)化的體現(xiàn)，是以住宅為平臺，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家居生活相關(guān)的各種設(shè)備集成到一體，構(gòu)成高效的住宅設(shè)施與家庭日程事物的管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了全方位的信息交互功能，提升了家居安全性、便利性和舒適性，甚至為各種能源費用節(jié)約了資金。傳統(tǒng)的有線方式智能家居系統(tǒng)布線繁雜、成本高、維護困難、擴展性差，因此，低功耗、穩(wěn)定、易于擴展組網(wǎng)的無線組網(wǎng)技術(shù)智能家居系統(tǒng)成為必然趨勢。本文基于ZigBee無線通信技術(shù)介紹了物聯(lián)網(wǎng)智能家居電器安防系統(tǒng)的總體設(shè)計及相關(guān)技術(shù)。

1.系統(tǒng)整體設(shè)計

智能家居電器安防系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)主要按以下三個部分進行設(shè)計的：數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺、無線數(shù)據(jù)節(jié)點與執(zhí)行機構(gòu)。其中無線數(shù)據(jù)節(jié)點又分為兩種：負責(zé)數(shù)據(jù)采集的傳感控制節(jié)點與負責(zé)組網(wǎng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點。傳感器節(jié)點的作用是采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、光強度及煙霧濃度等，協(xié)調(diào)器節(jié)點的作用則是將各傳感控制節(jié)點上采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺，數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺則對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行處理、顯示或報警，執(zhí)行機構(gòu)的作用是啟動安防設(shè)備，如檢測到天然氣泄漏后，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令到相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，關(guān)閉天然氣管道的電磁閥等，從而實現(xiàn)對各個傳感控制節(jié)點的監(jiān)測與控制，見圖1。

圖1 智能家居安防系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖

2.系統(tǒng)硬件平臺的搭建

本系統(tǒng)選用德儀公司的CC2530作為ZigBee無線通信技術(shù)的主、從節(jié)點的主芯片，并配合設(shè)計相關(guān)的開發(fā)板，主節(jié)點通過串口與PC機相連。

圖2 CC2530的功能引腳

CC2530具有組網(wǎng)成本低、性能優(yōu)異等優(yōu)點，是用于IEEE802.15.4和ZigBee的真正的片上系統(tǒng)解決方案。安防系統(tǒng)中的無線數(shù)據(jù)節(jié)點都是通過CC2530和ZigBee進行組網(wǎng)的，特別適用于超低功耗要求的系統(tǒng)。CC2530的功能引腳如圖2。

圖2中的引腳，如24、27、28、29是模擬電源連接，引腳1、2、3、4是接地，引腳25、26是信號的輸入和輸出。

ZigBee節(jié)點作為系統(tǒng)硬件設(shè)計的核心部分，主要分布在需要監(jiān)控的各個部位，主要負責(zé)采集和處理數(shù)據(jù)。其結(jié)構(gòu)部分主要分為：（1）處理器：負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)無線節(jié)點的數(shù)據(jù)處理；（2）傳感器：負責(zé)采集數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；（3）I/O接口電路；（4）射頻模塊：負責(zé)無線通信；（5）RS-232串口；（6）供電模塊。

3.安防系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 傳感器節(jié)點設(shè)計

（1）天然氣傳感器節(jié)點。天然氣在日常家居中必不可少，它的主要成分是甲烷，在使用過程中可能會造成燃氣泄漏、中毒、爆炸及著火等危險事件，所以對家中是否存在燃氣泄漏采用燃氣傳感器節(jié)點，如QM-N4氣敏傳感器對天然氣進行探測。

（2）火災(zāi)探測傳感器節(jié)點?；馂?zāi)是現(xiàn)代居民生活中較為常見的一種安全隱患，智能家居安防系統(tǒng)中采用的火災(zāi)探測器主要對家居環(huán)境進行監(jiān)控，并能立即發(fā)送報警信號。由于火災(zāi)的復(fù)雜性，采用單個傳感器監(jiān)測不能夠準(zhǔn)確、快速確認火災(zāi)的發(fā)生，因此，本次系統(tǒng)設(shè)計中采用煙霧傳感器和溫度傳感器兩種傳感器進行火災(zāi)探測，如溫度傳感器采用DALLAS公司生產(chǎn)的DS148B20可編程總線數(shù)字溫度計，煙霧探測器選用的是MQ-2光電感煙探測器。

（3）人體熱釋紅外傳感器。入戶盜竊也現(xiàn)代居民生活的常見的一種安全隱患，本次安防系統(tǒng)中采用的紅外傳感器主要是通過探測環(huán)境中人體發(fā)出的紅外線能量來檢測是否有外來人員入侵。紅外線傳感器是將探測到的紅外變化轉(zhuǎn)化為電壓信號，并傳遞給數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺，做出數(shù)據(jù)分析判斷后發(fā)送報警信號。此外，除了上述幾種常見的傳感器節(jié)點設(shè)計，玻璃破碎傳感器、門磁檢測模塊等也是智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容，在生活中非常實用。

3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺的軟件設(shè)計

在數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺設(shè)計中主要包括了對模擬電器設(shè)備的基礎(chǔ)控制、對傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)制作成曲線圖等具體功能，本次安防系統(tǒng)中采用Visual Studio2010上位軟件開發(fā)。

（1）模擬電器設(shè)備的基礎(chǔ)控制。通過獲取來自ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的基礎(chǔ)信息，可以控制執(zhí)行機構(gòu)，如電機按照設(shè)定的條件運行，控制指定的LED燈開與關(guān)、蜂鳴器的開與關(guān)等。

（2）監(jiān)測各種傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)。對安防系統(tǒng)中的各個傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)進行分析，并繪制成曲線圖，以達到對實時環(huán)境進行監(jiān)測，此外所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)也可作為模擬設(shè)備的聯(lián)動條件。

（3）聯(lián)動控制。系統(tǒng)中的聯(lián)動控制是預(yù)設(shè)傳感器監(jiān)測到的相關(guān)數(shù)據(jù)所滿足的條件，根據(jù)所設(shè)定的條件來判斷相關(guān)的模擬設(shè)備是否運轉(zhuǎn)，如當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)探測傳感器反饋的監(jiān)測數(shù)據(jù)達到設(shè)定值時，引起節(jié)點板上的蜂鳴器報警。

[1]戴建.基于嵌入式的智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計[D].上海工程技術(shù)大學(xué)，2016

[2]原艷英.物聯(lián)光網(wǎng)的建設(shè)及其在智能家居中的應(yīng)用[D].內(nèi)蒙古大學(xué)，2014

[3]劉遠聰.物聯(lián)網(wǎng)智能家居遠程控制技術(shù)的研究[D].蘭州交通大學(xué)，2015

[4]楊志國.智能家居系統(tǒng)平臺協(xié)議及客戶端設(shè)計與實現(xiàn)[D].上海師范大學(xué)，2015

[5]朱迪奇.物聯(lián)網(wǎng)智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)[D].中國科學(xué)院大學(xué)（工程管理與信息技術(shù)學(xué)院），2015

張吉沅（1973-），高級教師，本科，主要從事：機電、物聯(lián)網(wǎng)、焊接技術(shù)。