袁凯烽++何涛

摘 要：在对目前家居的安防系统进行分析后，得出目前安防系统不能实时进行响应以及不能以更多的人机交互方式实时响应安防监控的结论。针对这一现象，文中提出了基于物联网技术的家居安防系统设计方案。该方案采用ZigBee无线模块进行快速无线通信、GSM短信实时通讯、Internet网络远程访问与控制、多样人机交互来实现安防系统功能。

关键词：物联网；智能家居；人机交互；ZigBeee

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）11-00-03

0 引 言

智能家居安防产业经过了30多年的发展历程，由原来的单一控制演变为现在的多控制方式，由原来的模拟监控系统发展成为现在的网络化、数字化、智能化监控系统。如今，我国智能家居安防产业有了一定的发展，已经开始研发并生产拥有自主知识产权的产品。目前，通过物联网智能家居技术。嵌入式操作系统和无线传感网技术，可以组建家庭网络系统，搭建安防报警系统，若有人非法进入室内，发生燃气泄漏、火灾等险情，系统将通过短信、彩信、电话方式在第一时间发出报警信号。这种传统的智能家居方式不能实时有效地实施家用安防，以及不能以更多的人机交互方式实现有效的远程监控及安防报警[1]。在本项目中准备采用传感层各节点联动方式进行报警及报警后的预设方案进行处理报警，同时，在本项目中利用现用的主流Android系统设计实现Internet网络远程访问与监控App的设计与实现，使用户在任何地方都可以了解当前家中的安防信息。

1 总体架构设计

智能家居安防系统依据全面感知、可靠传递、智能处理的功能需求，可划分为数据采集层、集成处理层、数据层和终端应用层四个层次[2]，具体如图1所示。

（1）感知层：数据层采集层用于完成信息的采集、转换、收集和整理。在数据采集层中主要包括两个部分，其一是数据采集模块和终端控制的终端装置，数据采集模块如烟感、火焰、燃气等完成信息采集，终端装置如蜂鸣、灯光等完成最终控制。第二部分是短距离的无线传输，短距离传输是终端装置与网关的双向传递。

（2）网关层：网络层主要由一台嵌入式网关构成，是整个安防的中心，主要实现 Internet 网 ， GSM 网的接入、远程控制以及实现协议转换。通过它来实现连接家庭内部异构网络的功能。

（3）网络层：网络层主要由一台Web服务器构成，其主要作用在于同网关层进行数据交换，用户再通过用户层终端访问Web服务器获取相应的实时监控数据。

图1 系统框架结构

（4）应用层：用户应用层包括各类搭载了 Web 浏览器的终端设备，以及智能手持设备构成，用户可通过云端服务器获取安防的实时信息。

2 系统硬件设计

2.1 数据采集层通讯设计

数据采集层通讯层设计采用TI公司的CC2530。CC2530是2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点[3]。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型 8051 CPU，系统内可编程闪存，8 KB RAM 和许多其他强大的功能。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗。CC2530F256结合了德州仪器业界领先的黄金单元 ZigBee 协议栈（ Z-Stack?），提供了一个强大和完整的 ZigBee 解决方案。因此在本系统中选用CC2530+ Z-Stack作为无线通讯开发。

2.2 传感控制模块设计

ZigBee节点搭载相应的传感器和继电器构成，在系统中在线监控气体和火焰，并通过继电器控制电器的运行等。烟雾传感器使用MQ2。MQ2的输出通过两种方式接入CC2530。（1）P0.0输出模拟信号，信号值随烟雾浓度变化而变化；（2）输出的模拟信号经过LM393电压比较器给出布尔量（可通过与LM393相连的可调电阻调节阈值），供电部分可使用电池或5 V直流电源，经过LM1117后给出3.3 V的接入电压。MQ2工作时功耗比较大，所以部署时一般不使用电池供电。燃气传感器MQ4与烟雾传感器的工作原理及接入方式一样，火焰传感器会给出报警的开关量，可以通过可调电阻灵敏调节。烟雾传感器模块如图2所示。

图2 烟雾传感器工作模块图

2.3 网关模块设计

在网关模块设计中，采用的以Samsung Cortex-A8 S5PV210 芯片为核心的 ARM 主CPU，运行最大频率可达1GHz，处理器内部为 64/32 位总线结构， 32/32 KB 一级缓存，512 KB 二级缓存[4]。自带 3D 图形加速引擎（SGX540）， 2D 图形加速，支持高清 HDMI TV 输出。主要功能模块包括：微处理器模块、USB 接口模块、串口模块、网络接口模块、GSM模块、无线收发模块，最大的特点是利用移动通信网络，加入了 GPRS 通信模块[5]。该网关硬件平台接口功能丰富，可以满足家居中安防系统网关的低成本、高性能、低功耗及功能相对完善的要求。 图3所示为网关硬件平台结构图。

图3 网关硬件平台结构图

3 系统软件设计

3.1 嵌入式网关的软件设计

嵌入式网关实现主要基于Android操作系统的实现。在架构中起中间件作用。为服务器提供实时的家居信息，提供各智能控制节点的接口，通过串口实时与ZigBee协调器进行沟通，实时采集下位机报警节点的环境信息数据，对敏感数据进行业务处理，如发生警报及时向服务器端报警，以及通过GSM及时向用户设定号码进行短信报警。在与云端服务器数据进行交互时，在软件中部署客户端调用服务端WebService[6]。除此之外，网关服务实时监控部分在后台作为独立子线程工作，实时进行数据采集。该层是整个安防系统架构的核心，其贯穿了整个系统的中轴线[7]。图4所示为嵌入式网关部署图。

图4 嵌入式网关部署图

3.2 智能终端软件设计

智能终端软件平台有两种模式，第一种模式为PC客户端[8]，第二种模式为Android客户端。智能家居的系统平台作用主要是与用户进行直接对话，即实现对当前家居环境的实时监控，同时对智能家居中的相应模块进行可视化实时操作。两种模式包括系统参数的设置、设备控制、阈值的设置、数据查询等，具体如图5所示。

（1）环境实时监控：可通过预设平面图，对安防各节点信息实时掌握，如遇报警信息可及时响应。

（2）设备控制：用户可对当前环境中相应控制节点参数，阈值设置及运行状态进行更改及控制。

（3）数据分析：历史环境信息进行统计。

PC端的实现是基于Web平台的客户端，主要服务器架设在云端。手机终端的数据主要也是通过云端WebService来获取。

图5 智能终端软件模块设计

3.3 服务器端软件设计

主服务器端的应用程序是在VisualStudio2010环境下采用 ASP.NET C#技术开发的。ASP.Net框架提供统一的Web开发模型，它的思想是使用尽可能少的代码生成企业级Web应用程序。整个软件的架构分模块进行设计，根据功能划分后，确定每个模块的算法和代码，形成方案，这样系统可以具有较好的可扩展性和维护性[9]。服务器端采用三层结构设计，包括表现层/服务层、业务逻辑层、数据访问层。在表现层中为客户端的用户提供交互操作界面，服务层主要负责关键业务的处理和数据传递，数据层主要实现的是对数据库操作的相应访问。服务层主要是对中间件网关进行响应处理，为网关或智能手持端协调提供Web服务。业务逻辑层实现调用部署在 Web 服务器上的 WebService 方法，向底层服务器发出请求进行管理和控制。该系统架设好后，用户可在任意网络位置对智能家居的安防信息进行全天候的监控[10]。

4 结 语

本文主要分析了目前智能家居的安防系统，根据需求，结合当前物联网的相关技术，对物联网安防系统进行了系统整体的设计，整个安防系统可以实现对智能家居中主要安全环境进行监测和报警的功能，达到了预期目标，对智能家居安防系统行业的开发与设计有一定的参考价值，后续的工作是进一步扩展该架构的应用领域。

参考文献

[1] 韩秀峰.智能家居安防系统设计与实现[D].大连：大连理工大学，2009.

[2] 叶高扬，毕冉.基于物联网的智能家居系统设计与实现[J].计算机应用，2014，34（S1）：318-319，351.

[3] Dao Qu， Jifeng Yang， Wei Chen.Design of Intelligent Mobile Monitor System Based on ZigBee and Android[J].Microcontrollers and Embedded Systems，2012，12（6）：10-12.

[4] 满莎，杨恢先，彭友，等.基于ARM9的嵌入式无线智能家居网关设计[J].计算机应用，2010，30（9）：2541-2544.

[5] 李晓丹.基于STM32的物联网嵌入式网关的设计[J].计算机工程与应用，2015，51（4）：61-65.

[6] 吴川.智能家居系统的嵌入式家庭网关的研究与设计[D].无锡：江南大学，2015.

[7] 李怀亮，李美丽，张全禹，等.物联网智能家居系统的设计与实现[J].绥化学院学报，2012，32（2）：190-192.

[8] 王朝华，陈德艳，黄国宏，等.基于Android的智能家居系统的研究与实现[J].计算机技术与发展，2012，22（6）：225-228.

[9] 陈海明，崔莉，谢开斌.物联网体系结构与实现方法的比较研究[J].计算机学报，2013，36（1）：168-188.

[10] 钱志鸿，王义君.物联网技术与应用研究[J].电子学报，2012（5）：1023-1029.