家居多防系統的研究與構建

胡曙敏 李德明 王煥磊 浙江商業職業技術學院應用工程學院

智能家居控制系統不僅可以實現家居內電氣設備之間的互聯互通，還可以將整個家居系統連接至互聯網，實現家居與互聯網之間的信息共享，從而實現安全舒適且環保節能的居住環境[1]。從智能家居的應用層面來分析，目前主要存在三個方面的問題，限制了智能家居控制系統的普及與應用。第一，標準不統一。目前沒有統一的行業技術標準，智能家居產品多樣化，導致了多個企業標準和通用協議公存的形式。第二，價格昂貴。智能家居系統在設計初就以高大上進行規劃，也導致了產品的價格虛高，老百姓難以接受，推廣受到一定的阻礙。第三，功能單調。市場上的智能家居產品幾乎均為燈光照明、窗簾、家電、視頻、音樂等家居監控，但普通百姓急需的用水用氣等安全系列產品還很少，特別是對已居住家庭的產品更是難求一得。

一、基于物聯網的三防系統架構

系統依托傳感器、執行器、物聯網等自主產品及專利技術，運用端口配置及軟件應用技術，實現用電、水管家、燃氣安保等安全防范與智能化監控管理。與此對應，基于物聯網的家居三防系統架構如圖1 所示。

根據本產品的使用要求，整個系統分成四層，包括用戶監控層、云服務器、現場控制層、傳感執行層。本系統既有和現場監測裝置相關的實時數據采集系統，又有后臺客戶終端基于動態網頁的數據瀏覽和管理系統，前者強調實時性、可靠性，后者強調可擴展性、易用性、功能性。所以本系統采用兩者既分離獨立、又聯系統一的設計原則。

(一)傳感執行層

傳感執行層主要實現了家居系統三防工作狀態檢測和現場設備的驅動控制，包括門磁接近傳感器、水流及壓力的檢測、煤氣濃度檢測，以及水閥、煤氣閥、照明開關、報警、指示控制等。

(二)現場控制層

現場控制層采用基于ARM 架構的高速處理器，實現各種傳感器狀態的實時檢測，處理并控制閥門/開關的開合控制，與云服務器采用WiFi、GPRS 雙通道互聯，也可根據用戶需求選配，根據網絡環境自動切換WiFi/GPRS 模式，WiFi 模式優先，即時上報各參數狀態變化信息。通過對監控數據的分析，得出系統的安全狀況，及時以聲音、短信、手機APP 方式報警。響應遠程監控的數據請求及數據設置，存儲各類狀態、參數信息。

(三)云服務層

應用業務服務軟件內部采用視圖和邏輯模型分離的方式，以保證架構的靈活性、模塊的獨立性和系統的可擴展性。采用獨立的應用、數據、連接服務器，便于擴展和管理，云服務器向上與遠程監控終端/WEB 瀏覽器保持連接，接收用戶請求，向用戶推送各類狀態變更、報警信息、廣告信息，向下與現場控制主機/網關保持一對多常連接，接收主機上傳的狀態信息，報警信息；遠程設置主機參數。云服務器可實現用戶習慣的數據收集、分析，定向推送相關需求信息。

(四)遠程監控層

遠程監控層可通過手機APP、短信、PC 客戶端、WEB 方式進行系統的實時參數查看、設定，管理配置等。手機APP支持iOS 和Android 平臺，軟件基于C/S架構，手機APP 通過標準XML 格式化/JSON 格式化文本與數據服務層進行通信，實現用戶鑒權、設備監控、情景設定；支持模塊地址的遠程配置，包括電力載波模塊、Zigbee 模塊、紅外模塊等。手機可通過2G/3G/4G/WiFi 等多種方式實現與云服務器的互聯，PC 客戶端基于C/S 架構，主要供系統管理者實現遠程系統管理，支持WEB 方式進行遠程監控，基于B/S 架構。采用JSP 構建動態頁面，支撐用戶瀏覽器端的各種操作。所構建的頁面具有自適應功能，能夠適應PC 終端、Android 終端、iOS 終端。

二、系統實現

(一)傳感執行層模塊

Zigbee 技術是一種基于IEEE802.15.4標準的短距離、低功耗、自組織的無線通信技術，主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備[2]。本文中的節點主要采用Zigbee 方式，并配備了擴展模塊接口，Zigbee 采用CC2530 主芯片，結合STM32CPU，適應低功耗的要求，單節點配置了DI/DO、AI 輸入輸出接口，可進行漏水、門鎖、煤氣、閥位等相關信號的檢測，以及照明開關、水閥、防爆氣閥、門鎖等的輸出信號的驅動控制。傳感執行層工作原理如圖2 所示。

(二)網關

網關也是系統的控制主機，在整個三防系統中起著承上啟下的重要作用，是連接服務器與各現場分控設備的橋梁。主機與上層網絡信息服務，主要是通過WiFi網絡端口與GPRS 網絡端口進行的，主要考慮網絡系統有覆蓋性及用戶的服務性，防止出現“信息孤島”現象，增強網絡與數據傳輸的可靠性和應用的靈活性。

WiFi 網絡端口主要以進行服務器與主機間的大數據通信與傳輸。WiFi 是現有通信系統的一種主要通信手段。GPRS網絡端口主要實現主機與手機和服務器之間數據的實時上報、執行、處理等。作為WiFi 網絡的一種補充，GPRS 網絡可以實現手機用戶端及服務綜合平臺終端雙重數據交互，保證了數據及信號執行的準確性，同時，也滿足了不同地區不同客戶的使用需求。系統均采用ARM 內核的STM32F103 作為處理器，同時外接一片CC2530 作為Zigbee 無線通信芯片，以及一片ESP8266 模塊作為Wifi 無線通信芯片。采用Wifi 和GPRS 三防網關工作原理如圖3 所示。

(三)云服務及終端

圖2 傳感執行層工作原理方框圖

圖3 網關工作原理方框圖

圖4 手機APP 操作界面示圖

傳感器采集的數據傳輸到主機；主機負責采集數據、處理和存儲數據、將數據通過GPRS/Wifi 通信網絡發送到服務器。應用服務器主要將信息數據存儲至數據服務器中，連接服務器主要負責網關信號的對接及信號報送，實施遠程控制設備的運行狀態傳送。為此以Windows Server 為平臺，以Delphi 為工具，使用TOMCAT/MySQL 數據庫，基于標準XML 格式化文本開發了一個家居三防應用系統。

三、系統應用

項目實施過程中已獲得多項應用專利，依托自主知識產權的傳感器和專利技術，具有非常高的性價比，產品已進行了多地場合的試用和推廣。DIY 自助安裝是我們的設計理念，無須布線，產品基于zigbee 無線技術，幾乎不會產生裝修費用。交直流供電，即插即用，免更換電池，即使在斷電的情況下，能維持系統的正常運行，方便用戶的使用，只要有一定動手能力的人們都能很快學會產品的安裝與調試。

圖4 為手機APP 操作切換界面。通過手機、平板電腦進行登錄，連接服務器平臺，可遠程操作與控制有關智能家居設備的工作，同時，有關事件的發生和狀態的變化，可實時反饋APP 平臺，隨時隨地掌握和監控家中信息。

四、結語

本文設計了基于移動終端的家居三防系統，詳細介紹了系統的架構方式，以及硬件配置和服務器的實現方法，其功能在實際中得到了驗證。本系統重點解決家庭最急需的安全防護及生活管理，以模塊延伸的拓展方式，使智慧水務、用水健康、家電智能控制、家庭消防四個階層DIY疊加起來組成一個完整的無線家居系統。目前本系統可以實現即時報警、情景控制等功能，用戶可以靈活定制和遠程操控，但不能進行第三方設備的連接與控制，但通過網關中增設標準COM 口，就可以與COM 接口的設備雙向通信，以構建一個較完整的智能家居系統。