淺析物聯網技術在家居安防系統中的應用

宋睿

摘要：隨著經濟的發展，人們對家庭生命財產安全越來越重視。傳統意義上采用電話線、電纜等有線方式的家居報警裝置受到架線環境、傳輸距離等條件限制，并且投資成本大、維護費用高，已經遠遠不能滿足市場和大眾對安防系統的要求。本文探討了基于物聯網的智能家居安防系統的設計。

關鍵詞：物聯網；家居；安防系統

物聯網是實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種新型網絡，主要由電子標簽碼（EPC）、射頻識別系統、主控制器、ONS對象名解析服務器、PML信息服務器組成。將物聯網與家居安防系統相結合，突破了監測系統在地域、環境、時間上的限制，真正實現了分散布點、集中監控，具有可靠性高、搭建與維護費用低廉、設置監測終端容易等優勢，是未來家居安防系統的研究和發展方向。

1.系統整體結構設計

系統的核心部分是家居安防系統的主控制器。本設計中采用嵌入式微處理器作為主控制器，它以射頻通信的方式接收報警信息，并采用TCP/IP網絡協議將信息發布到互聯網上，使遠程監測端能及時監測家居安全情況。針對家居安防系統中的火災、煤氣泄露、非法入室等主要處理信息，系統將分配了EPC碼的電子標簽部署在容易出現這些安全隱患的區域，稱之為監測防區。遠程監測端可以設置在小區保安室、消防局、公安局、家居主人辦公室，以供隨時查閱家居安全狀況，及時處理突發事件。系統整體結構設計如圖1所示。

2.系統硬件設計

2.1主控制器選擇

系統核心MCU采用三星公司推出的32位RISC微處理器S3C2440A，負責處理射頻收發數據，并將報警信息通過網絡傳送到遠程監測端。S3C2440A采用了ARM920T的內核，加強的ARM體系結構MMU用于支持WinCE操作系統，擁有130個通用I/O口，具有DMA、UART、SPI、USB、PWM以及ADC和觸摸屏接口，豐富的硬件資源為與射頻模塊的連接以及外部硬件的擴展提供了方便。S3C2440A內嵌DM9000網卡芯片，無需外部擴展，自適應10/100Mbps網絡，RJ45連接頭包含了耦合線圈，使用普通的網線即可連接路由器或者交換機。

2.2防區電子標簽

監測防區電子標簽主要由防區傳感器、現場報警裝置、電源模塊、MCU和射頻模塊五部分組成。電源模塊負責提供單片機工作電壓，同時充當備用電源。單片機作為防區MCU，負責實時采集傳感器監測信息，有異常狀況時，單片機啟動射頻模塊工作，同時命令現場報警裝置報警。

3 系統軟件實現

3.1 下層傳感器節點軟件實現

由于本系統針對的是一般的家庭住戶，需要檢測的區域范圍一般不是很大（監測半徑一般不會超過15m），經測試，NRF905模塊在最低功率時的通信距離都能夠滿足要求，因此，采用了星形網絡。同時，整個網絡中的底層節點使用同一套完整的程序，系統上電后會根據相應的傳感器是否工作來決定該程序模塊是否執行，當重新添加相應的傳感器時，系統也會自動調用相應的模塊，這樣即簡化了系統的軟件設計，又增強了系統的可擴展性。

3.2 主控制器軟件實現

由于主控制器需要進行多方通信，同時也需要處理較為復雜的算法，進行數據包的解析等，因此，在設計主控制器程序時，重點考慮了它的實時性，快速性和可擴展性。

3.2.1 數據包收發緩存的處理

在對數據包的收發緩存的處理上，設計了上傳數據緩存IOT Up、接收數據緩存IOT Receive，以及本地數據緩存IOT Local三個數據對象實現，均采用Ring Buffer結構，其中IOT Up負責無線傳感網絡上傳數據的緩存，IOT Receive負責GSM網絡上傳數據的緩存，IOT Local則負責對WSN上傳的數據進行緩存備份，用于主控制器進行本地化處理。在數據包解析處理方面，采用本地數據幀緩存IOT Frame實現，為鏈表結構，通過對IOT Frame的分析，便可獲得WSN所采集的數據情況以及節點狀態等信息。

3.2.2 多線程程序設計

由于系統需要處理的事件相對較多，且實時性要求相對較高，因此，為了保證數據處理與收發的實時性，提高應用程序的響應速度，系統采用了多線程技術，設計了三個數據處理線程getDataThread、sendDataThread、handleDataThread，分別來實現數據的接收、發送和處理，以下對三個線程類進行詳細闡述。

（1）handleDataThread線程類。線程handleDataThread類主要負責對備份到IOTFrame中的數據進行分析處理，以實現顯示數據的實時更新，系統的控制和通過對參數的判斷決定是否遠程報警等。采用定時掃描的方法，若IOTFrame中有數據，則進行相應的操作。

（2）sendDataThread線程類。線程sendDataThread類用來實現數據的發送處理，主要負責向無線傳感網絡發送指令，以及向GSM網絡發送報警信息（通過串口與GSM模塊通信）。

（3）getDataThread類。線程getDataThread類用來實現數據的接收處理，主要負責接收GSM網絡發送過來的控制指令數據和無線傳感網絡上傳到主控制器的數據，并將其本地化備份到IOTLocal中，進行解析處理。

4.系統綜合測試

在實驗室的環境下，搭建智能家居測試平臺，系統共有5個節點，其中一個為控制節點，其余為普通傳感器節點。在主界面可實現房間的選擇以及模式的設置，OUT為離家模式，整個安防系統均處于活躍狀態，IN為在家模式，關閉部分檢測節點，如門窗處的防入侵節點等，以避免沒必要的誤報。

通過給溫濕度傳感器升溫或降溫，模擬溫度變化，在主控制器界面能實時顯示單個節點的溫度變化曲線，以及每個房間的溫度、濕度值。模擬入侵時，系統能實現聲光報警且成功發送短信到綁定的手機，實現遠程報警。

參考文獻：

[1]朱宗勝，李陽.基于物聯網和3G的家居安防監控系統設計[J].計算機測量與控制，2013，21（8）：2111-2114.

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