智能家居安全防護系統

王 頌 胡立夫

沈陽航空航天大學自動化學院

智能家居安全防護系統

王 頌 胡立夫

沈陽航空航天大學自動化學院

為解決家庭住宅存在的安全隱患，使人們的生命和財產安全得到更可靠的保障，現引入智能化的安全防護系統。系統基于ZigBee技術，通過多種傳感器采集信息，用攝像頭監測室內情況，當室內出現異常時及時發出報警信號并通過GSM/GPRS移動通信網絡給用戶手機發送信息，本系統具有防火、防盜、防燃氣泄漏的功能。本系統采用的ZigBee技術實現了家庭內部星狀拓撲的智能安全防護系統的設計方案，不單單克服了傳統家庭網絡采用有線的方式進行布線組網的困難，并具有安裝簡單，性能穩定可靠，維護方便的優點，對于保護家庭安全有很大的作用。

智能家居的概念很早就被提出了，但一直沒有實際的建筑案例出現，直到1984年美國聯合科技公司將建筑設備信息化、整合化的概念應用于現實時，才出現了第一棟的“智能型建筑”，從此揭開了全世界建造智能家居的序幕。自從1984世界第一個智能家居系統問世以來，智能家居就在我們的生活中一直更新，進入21世紀后，智能家居更是在系統和功能上有了質的飛躍。

本課題通過采用傳輸范圍適中、安全可靠、網絡容量較大、低功耗低成本的ZigBee技術，配以溫度、煙霧、煤氣、火焰和紅外傳感器設計智能家居遠程安全監控系統。該系統具有防火、防盜、防燃氣泄漏的功能，可以對危險因素做出處理，并發出短信報警通知主人，主人還可以對家居環境進行實時的監控。

系統總體方案設計

本系統的整體設計方案如圖1所示。主要有三個方面組成：無線智能家居安全防護傳感器節點、ZigBee協調器節點和監控中心。

傳感器節點主要是負責采集數據和對信息預處理，回應監控主機的指令發送數據。本系統采用的傳感器有溫度、煙霧、煤氣、火焰和紅外傳感器，將這些傳感器分散布置在家居環境內，對家居安防環境信息進行實時采集。然后各個傳感器節點將自己所采集到的實時信息通過初步的數據處理和整合之后傳送給用戶。ZigBee協調器節點的功能是接收系統控制中心發送的指令做出相應地處理，還要將終端節點（RFD）接收到的數據發送給系統控制中心。監控中心的軟件是利用圖形化編輯語言LabVIEW編寫的，監控中心可以實現整個無線傳感器網絡的監測，顯示和存儲協調器節點發送的數據。另外，監控中心還添加了短信報警和圖像監測功能。短信報警采用的是GSM/GPRS網絡，它用AT指令進行模塊控制，通過串口進行控制命令的傳送。本系統中使用USB攝像頭對家庭關鍵部位進行監測。

系統硬件設計

Zig Bee網絡硬件設計

ZigBee無線網絡的硬件設備分為協調器、路由器和終端節點。協調器主要負責網絡正常工作并且保持同網絡其他設備的通信；路由器可以將消息發到其他設備；終端節點負責完成傳感器數據的采集和發送，由于終端節點的存儲器容量要求最少，所以可以滿足ZigBee的低功耗要求。本系統中硬件電路的設計將以CC2530為核心，再加上外圍電路及多種傳感器模塊來實現整個ZigBee的無線傳感器網絡的智能家居安防功能。

圖1 家居智能安全防護系統的總體設計方案

圖2 ZigBee終端節點硬件結構

圖3 終端節點程序流程圖

圖4 有人進入手機報警

傳感器節點設計

家居智能安全防護系統中包含多種傳感器，如煙霧傳感器、火焰傳感器、人體紅外傳感器、溫濕度傳感器、煤氣傳感器等，這些傳感器能夠實時采集家居安防環境信息。與此同時這些傳感器的工作原理不完全相同，所以它們與CC2530的信息交互方式也互不相同。例如人體紅外傳感器和火焰傳感器模塊輸出是開關信號，因此可以直接給CC2530模塊的I/O口，如果CC2530模塊的I/O口的端口電平發生變化，那就意味著有人進入或有火焰產生，同時CC2530進行下一步動作；而其他幾種傳感器輸出均為模擬量信號，因此，需要經過CC2530模塊的ADC端口的處理。

GSM/GPRS模塊

系統采用的GSM/GPRS模塊為S900IMCom公司生產的SIM900A。SIM900A是一個2頻的GSM/GPRS模塊工作頻段為EGSM 900MHz和DCS1800MHz，能實現對語音、數據和傳真信息的傳輸。SIM900A接口眾多，能夠充分滿足用戶的各種設計需求，功耗低，在睡眠模式下最低耗流只有1.0mA，尺寸小，幾乎可以滿足所有用戶應用中對空間尺寸的要求。SIM900A內嵌TCP/IP協議，擴展的TCP/IPAT命令讓用戶能夠很容易使用，很方便進行數據傳輸。該模塊功能強大、易于使用、安全可靠，支持1.8V和3.0VSIM卡，使用時只需在卡槽中插入SIM，正常電壓值為2.0V或1.8V，通電后向模塊發送AT指令便能控制其工作。

系統軟件設計

終端節點的軟件設計

環境參數的采集利用周期性的定時器，每隔10s采集一次，并將采集的信息通過ZigBee模塊發送給協調器。在定時時間到后會繼續采集當前的溫濕度值并判斷各傳感器的采集狀態，如溫濕度是否超限、紅外傳感器輸出的高低電平等。

終端節點開始時進行初始化，然后掃描網絡信道，如果發現網絡請求加入網絡。協調器收到請求后的網絡層向應用層發送確認，終端節點開始啟動且已經加入網絡。終端節點發送成功后會進入SLEEP狀態，等待定時器喚醒；如果發送失敗，將一直發送，直到發送成功為止。終端節點的程序流程如圖3所示。

監控中心軟件設計

本系統監控中心軟件由圖形化編程語言LabVIEW編寫，LabVIEW產生的程序是流程圖的形式，它的程序設計界面采用了與其他高級語言類似的圖形化方式，集成了快速構建各種應用所需的所有工具，同時，在編寫程序代碼、實現程序功能方面也采用了圖形化的操作方式。所以，LabVIEW具有其他高級編程語言無法比擬的高效性。

系統的實現與性能分析

當有人非法進入時，系統會通過GSM網絡向用戶手機報警，用戶手機將出現“有人進入”字樣。

結束語

本文設計完成一種基于ZigBee技術和GSM/GPRS無線網絡的智能家居系統，該系統通過星型網絡和無線網絡使各種家居設備聯系起來，能夠對家居設備進行統一的管理，實現了家居的智能化。該系統將家庭內網通過串口連接GSM/GPRS網絡，使用戶能夠通過手機實時監控家居環境和設備，實現了智能家居的遠程控制。經過試驗檢測，該系統使用星型網絡，安裝方便、使用簡單、容易擴展、安全可靠，用戶可以根據自己的需要設置適合自己使用的終端節點，從而實現靈活、方便的家庭安全監控。