基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余楠 羅亞賓 張倩倩 何月順

摘 ?要：針對家庭安全防護(hù)問題，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ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過Wi-Fi（或有線）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)庫中并保存，應(yīng)用層控制端設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問以實(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);無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP391.44;TN929.5 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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

隨著我國人民的生活越來越趨向于高水平，智能化式家庭的發(fā)展也越來越炙手可熱，智能化及自動化是將來家居生活的發(fā)展目標(biāo)，同時家庭的安全防護(hù)意識也日趨強(qiáng)烈，各種突發(fā)情況如火災(zāi)，防盜等問題的預(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，通過分析安全問題，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，同時負(fù)責(zé)感知各類參數(shù)變化，并將變化的信息通過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TCP/IP連接，會實(shí)時將接收到的信息存入服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫，以便將信息通過互聯(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，同時又通過網(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)用層主要包括臺式電腦、便攜電腦、智能手機(jī)等終端設(shè)備，通過瀏覽器或者手機(jī)APP為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供窗口，通過網(wǎng)絡(luò)層遠(yuǎn)程實(shí)時調(diào)用服務(wù)器中數(shù)據(jù)庫的信息總體設(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)庫中并保存，終端設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)訪問以實(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個部分：分別是信息采集的傳感器節(jié)點(diǎn)，用于存儲信息的服務(wù)器，應(yīng)用終端（如臺式電腦，移動通信設(shè)備）。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)下，主要實(shí)現(xiàn)3個部分之間的信息傳輸與通信，即傳感器監(jiān)測節(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)家庭安全問題采集、存儲以及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程為：協(xié)調(diào)器通過網(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)的分析處理并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲;應(yīng)用終端訪問服務(wù)器并根據(jù)需要來調(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)測系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)主要擔(dān)任采集各類數(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，接收來自傳感器節(jié)點(diǎn)采集的各類數(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。同時協(xié)調(diào)器還可以接收服務(wù)器下達(dá)的命令，并通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)到各個傳感器節(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公司專門設(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)。信號處理電路實(shí)現(xiàn)傳感器與CC2530F256芯片通信的信號處理，電源模塊為整個系統(tǒng)提供能量管理。

傳感器采集各類安全信息通過信號電路放大，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)通過自帶的A/D接口轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，然后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器;電源模塊則為整個系統(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。

假如連接線長度在20 m以內(nèi)時，其采用5 kΩ的上拉電阻;若在長度大于20 m時，則要根據(jù)實(shí)際情況采取適宜阻值的上拉電阻，應(yīng)用時常常在電源引腳和地引腳之間加一個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DHT21讀取數(shù)據(jù)的引腳是DATA，DATA采用的是一種單總線接口，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型氣敏元件用來檢測這些可燃?xì)怏w[1]。MQ-X型元件電路中DOUT采用的是TTL電平輸出，當(dāng)檢測到這些可燃?xì)怏w值超過預(yù)定值時，該引腳便輸出低電平[1]。AOUT是模擬輸出，通過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)入其檢測范圍時，人體紅外傳感器會通過感應(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)載會在延時開關(guān)的作用下主動封閉[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)處理等過程。（2）數(shù)據(jù)傳輸過程：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)通過路由器的轉(zhuǎn)發(fā)，路由器與協(xié)調(diào)器之間通信的過程;再者就是數(shù)據(jù)由協(xié)調(diào)器通過網(wǎng)關(guān)與外部服務(wù)器之間建立通信，終端對服務(wù)器數(shù)據(jù)的調(diào)用等[3]。（3）數(shù)據(jù)存儲及分析：服務(wù)器將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并結(jié)構(gòu)化存儲在數(shù)據(jù)庫中，以便以后查詢。（4）數(shù)據(jù)顯示：可通過在終端設(shè)備上制作一個上位機(jī)的交互軟件，用戶可以實(shí)時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無線通信技術(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，能長時間實(shí)時監(jiān)測防護(hù)安全，避免了家庭突發(fā)的安全事故，具有良好的開發(fā)性和實(shí)用性。當(dāng)然對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，未來還可以在保證成本、穩(wěn)定性等前提下針對消防安全、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：無線傳感網(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。