余楠 羅亞賓 張倩倩 何月順

摘 ?要：針對(duì)家庭安全防護(hù)問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了智能家居防護(hù)系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)將智能家居安全防護(hù)系統(tǒng)主要分為三層，基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)Wi-Fi（或有線(xiàn)）與服務(wù)器之間相互通信，將信息傳輸至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中并保存，應(yīng)用層控制端設(shè)備通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

關(guān)鍵詞：智能家居防護(hù);物聯(lián)網(wǎng);無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.44;TN929.5 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）21-0171-03

Design of Smart Home Protection System Based on Internet of Things Technology

YU Nan，LUO Yabin，ZHANG Qianqian，HE Yueshun

（School of Software，East China University of Technology，Nanchang ?330013，China）

Abstract：Aiming at the problem of family safety protection，a smart home protection system is designed in this paper. The design divides the smart home security protection system into three layers：the sensing layer，the network layer and the application layer based on ZigBee network. The sensor node transmits the collected information to the gateway through ZigBee network. The gateway communicates with the server through Wi-Fi（or wired）and transmits the information to the server database and saves it. The application layer control terminal device is remotely accessed through the wireless network to achieve the purpose of remote monitoring.

Keywords：smart home protection;internet of things;wireless sensor network

0 ?引 ?言

隨著我國(guó)人民的生活越來(lái)越趨向于高水平，智能化式家庭的發(fā)展也越來(lái)越炙手可熱，智能化及自動(dòng)化是將來(lái)家居生活的發(fā)展目標(biāo)，同時(shí)家庭的安全防護(hù)意識(shí)也日趨強(qiáng)烈，各種突發(fā)情況如火災(zāi)，防盜等問(wèn)題的預(yù)警與處理，本文是基于校內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目進(jìn)行研究得到的研究成果，通過(guò)分析安全問(wèn)題，設(shè)計(jì)了家庭安全防護(hù)系統(tǒng)，闡述了如何處理突發(fā)家庭安全問(wèn)題。

1 ?系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

智能家居的安全防護(hù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)主要可分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，如圖1所示。

感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的具體作用分別為：（1）感知層：感知層的主要作用是“感知”環(huán)境參數(shù)及各類(lèi)參數(shù)的變化，傳感器節(jié)點(diǎn)由（紅外傳感器，可燃?xì)怏w傳感器，溫濕度傳感器）等構(gòu)成，這些都是物聯(lián)網(wǎng)智能家居的最底層，它們不但具有接入傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能，同時(shí)負(fù)責(zé)感知各類(lèi)參數(shù)變化，并將變化的信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器之間通過(guò)TCP/IP連接，會(huì)實(shí)時(shí)將接收到的信息存入服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫(kù)，以便將信息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與控制終端交互[1]。（2）網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)將感知層感知設(shè)備發(fā)送的信息接入互聯(lián)網(wǎng)中。一方面是接受感知層的信息，同時(shí)又通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口接入互聯(lián)網(wǎng)，將信息發(fā)送給更高層的應(yīng)用層以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信服務(wù);另一方面是應(yīng)用層發(fā)送指令經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層來(lái)控制感知層，網(wǎng)絡(luò)層包括傳感器的自組織網(wǎng)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)等。（3）應(yīng)用層：應(yīng)用層主要包括臺(tái)式電腦、便攜電腦、智能手機(jī)等終端設(shè)備，通過(guò)瀏覽器或者手機(jī)APP為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供窗口，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)調(diào)用服務(wù)器中數(shù)據(jù)庫(kù)的信息總體設(shè)計(jì)就是感知層的傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的信息通過(guò)路由器的轉(zhuǎn)發(fā)匯總至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再與服務(wù)器建立通信，將信息傳輸至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中并保存，終端設(shè)備通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?系統(tǒng)框架圖

智能家居防護(hù)系統(tǒng)框架如圖2所示。

硬件系統(tǒng)分為3個(gè)部分：分別是信息采集的傳感器節(jié)點(diǎn)，用于存儲(chǔ)信息的服務(wù)器，應(yīng)用終端（如臺(tái)式電腦，移動(dòng)通信設(shè)備）。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)下，主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)部分之間的信息傳輸與通信，即傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，路由器，協(xié)調(diào)器之間的信息傳輸與通信，目的是實(shí)現(xiàn)家庭安全問(wèn)題采集、存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程為：協(xié)調(diào)器通過(guò)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器建立通信連接，將獲取的數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器;服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析處理并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ);應(yīng)用終端訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器并根據(jù)需要來(lái)調(diào)取服務(wù)器中的數(shù)據(jù)。

2.1.1 ?傳感器節(jié)點(diǎn)

在家庭防護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)主要擔(dān)任采集各類(lèi)數(shù)據(jù)的任務(wù)，并將這些數(shù)據(jù)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議下傳輸至路由器中，或者接收來(lái)自路由器的數(shù)據(jù)采集命令并執(zhí)行操作。

2.1.2 ?路由器

本設(shè)計(jì)為了加強(qiáng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，加入了路由器[1]。路由器的主要作用是負(fù)責(zé)完成網(wǎng)絡(luò)層中數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)，其既要與傳感器節(jié)點(diǎn)之間建立通信，接收來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)采集的各類(lèi)數(shù)據(jù)，又要將數(shù)據(jù)匯總并與于網(wǎng)關(guān)通信，將數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)關(guān)。

2.1.3 ?協(xié)調(diào)器

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器主要職責(zé)是管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其在與路由器建立通信后，需要收集并匯總所有傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，再將匯集的所有信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)及服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)。同時(shí)協(xié)調(diào)器還可以接收服務(wù)器下達(dá)的命令，并通過(guò)路由器轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。

2.2 ?傳感器節(jié)點(diǎn)硬件

本設(shè)計(jì)選用TI公司的ZigBee芯片CC2530F256作為傳感器節(jié)點(diǎn)的控制芯片，此芯片射頻部分采用2.4 GHz頻段。其也是TI公司專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的一款基于IEEE 802.15.4協(xié)議的芯片，并適合星型、樹(shù)型或者網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的芯片[1]。

傳感器節(jié)點(diǎn)硬件框架如圖3所示。其中控制部分是由CC2530F256芯片實(shí)現(xiàn)。信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)傳感器與CC2530F256芯片通信的信號(hào)處理，電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供能量管理。

傳感器采集各類(lèi)安全信息通過(guò)信號(hào)電路放大，再由接口轉(zhuǎn)發(fā)給CC2530F256芯片進(jìn)行處理[1];CC2530F256芯片先把接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)自帶的A/D接口轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，然后通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器;電源模塊則為整個(gè)系統(tǒng)供電。

2.3 ?傳感器電路模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 ?溫濕度傳感器電路模塊

所采用的數(shù)字溫濕度傳感器是DHT21。該產(chǎn)品具備品質(zhì)好、反應(yīng)快、低成本、抗干擾能力極強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。DHT21與外部MCU的連接如圖4所示。

假如連接線(xiàn)長(zhǎng)度在20 m以?xún)?nèi)時(shí)，其采用5 kΩ的上拉電阻;若在長(zhǎng)度大于20 m時(shí)，則要根據(jù)實(shí)際情況采取適宜阻值的上拉電阻，應(yīng)用時(shí)常常在電源引腳和地引腳之間加一個(gè)100 nF的濾波電容，起到穩(wěn)壓的作用。DHT21所需求的供電電壓為3～5.5 V，但在本設(shè)計(jì)中采用供電電壓為5 V的電源為其供電[1]。外部MCU通過(guò)DHT21讀取數(shù)據(jù)的引腳是DATA，DATA采用的是一種單總線(xiàn)接口，其一次讀取溫濕度數(shù)據(jù)的操作大約花費(fèi)是5 ms，讀取速度快，能很好地達(dá)成本系統(tǒng)的要求[1]。

2.3.2 ?可燃?xì)怏w傳感器電路模塊

可燃?xì)怏w的種類(lèi)很多，其中包含：天然氣、甲烷、氫氣、一氧化碳等?？梢圆捎肕Q-X型氣敏元件用來(lái)檢測(cè)這些可燃?xì)怏w[1]。MQ-X型元件電路中DOUT采用的是TTL電平輸出，當(dāng)檢測(cè)到這些可燃?xì)怏w值超過(guò)預(yù)定值時(shí)，該引腳便輸出低電平[1]。AOUT是模擬輸出，通過(guò)將該引腳與外部微控制器的ADC引腳相連接，而后采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集目前的氣體濃度。

2.3.3 ?人體紅外傳感器電路模塊

人體紅外傳感器則是應(yīng)用的是基于紅外線(xiàn)技術(shù)的SS-101模塊，該模塊具有高靈敏度，強(qiáng)可靠性[1]，符合系統(tǒng)要求。工作原理是當(dāng)其感應(yīng)到有人進(jìn)入其檢測(cè)范圍時(shí)，人體紅外傳感器會(huì)通過(guò)感應(yīng)紅外光譜的變化，然后將輸出引腳的電位拉高，并持續(xù)到該感應(yīng)區(qū)域還是否有紅外光譜變化，負(fù)載會(huì)在延時(shí)開(kāi)關(guān)的作用下主動(dòng)封閉[1]。SS-101模塊的供電電壓為4.5～20 V之間，本設(shè)計(jì)中統(tǒng)一采用電源電壓為5 V為傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電。人體紅外傳感器SS-101模塊接入CC2530F256芯片的電路連接圖如圖5所示。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件包含感知層的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集處理，網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換和終端應(yīng)用層軟件，其中感知層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集處理，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)及協(xié)議的轉(zhuǎn)換，服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析，終端應(yīng)用層的軟件系統(tǒng)控制界面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示，實(shí)現(xiàn)與用戶(hù)的交互[2]。本系統(tǒng)的軟件流程圖設(shè)計(jì)如圖6所示。

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的流程包括：（1）數(shù)據(jù)采集處理過(guò)程：主要包括CC2530F256芯片中控制A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理等過(guò)程。（2）數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程：主要包括基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信，節(jié)點(diǎn)通過(guò)路由器的轉(zhuǎn)發(fā)，路由器與協(xié)調(diào)器之間通信的過(guò)程;再者就是數(shù)據(jù)由協(xié)調(diào)器通過(guò)網(wǎng)關(guān)與外部服務(wù)器之間建立通信，終端對(duì)服務(wù)器數(shù)據(jù)的調(diào)用等[3]。（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析：服務(wù)器將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便以后查詢(xún)。（4）數(shù)據(jù)顯示：可通過(guò)在終端設(shè)備上制作一個(gè)上位機(jī)的交互軟件，用戶(hù)可以實(shí)時(shí)查看到有用的安全信息，連接數(shù)據(jù)變化情況[3]。

4 ?結(jié) ?論

設(shè)計(jì)主要采用ZigBee和Wi-Fi無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，本系統(tǒng)為家庭安全防護(hù)系統(tǒng)的建設(shè)提供了一種便利的方案，系統(tǒng)從整體上考慮家庭的實(shí)用性，穩(wěn)定性和成本，本設(shè)計(jì)采用的CC2 530F256及其他硬件，正符合上述實(shí)際需求，能長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)防護(hù)安全，避免了家庭突發(fā)的安全事故，具有良好的開(kāi)發(fā)性和實(shí)用性。當(dāng)然對(duì)于一套完善的智能家居防護(hù)系統(tǒng)，以上功能還存在不足，未來(lái)還可以在保證成本、穩(wěn)定性等前提下針對(duì)消防安全、用電安全等安全隱患的預(yù)警等方面拓展系統(tǒng)功能。

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作者簡(jiǎn)介：余楠（1996—），男，漢族，江西上饒人，本科，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng);羅亞賓（1974—），男，漢族，江西南昌人，教師，碩士研究生，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全、嵌入式系統(tǒng);張倩倩（1997—），女，漢族，江西南昌人，本科，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng);何月順（1971—），男，漢族，湖南永州人，中共黨員，教授，博士，主要研究方向：無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析與智能信息處理、軟件工程與理論。