基于物聯網技術的智能家居防護系統設計

余楠 羅亞賓 張倩倩 何月順

摘 ?要：針對家庭安全防護問題，文章設計了智能家居防護系統，該設計將智能家居安全防護系統主要分為三層，基于ZigBee網絡的感知層、網絡層和應用層。傳感器節點將采集的信息通過ZigBee網絡傳輸至網關，網關通過Wi-Fi（或有線）與服務器之間相互通信，將信息傳輸至服務器數據庫中并保存，應用層控制端設備通過無線網絡遠程訪問以實現遠程監控的目的。

關鍵詞：智能家居防護;物聯網;無線傳感器網絡

中圖分類號：TP391.44;TN929.5 ? ? 文獻標識碼：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展目標，同時家庭的安全防護意識也日趨強烈，各種突發情況如火災，防盜等問題的預警與處理，本文是基于校內的物聯網技術應用研究項目進行研究得到的研究成果，通過分析安全問題，設計了家庭安全防護系統，闡述了如何處理突發家庭安全問題。

1 ?系統體系結構圖

智能家居的安全防護系統體系結構主要可分為3層：感知層、網絡層、應用層，如圖1所示。

感知層、網絡層、應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”環境參數及各類參數的變化，傳感器節點由（紅外傳感器，可燃氣體傳感器，溫濕度傳感器）等構成，這些都是物聯網智能家居的最底層，它們不但具有接入傳感器網絡的功能，同時負責感知各類參數變化，并將變化的信息通過ZigBee網絡傳輸至網關，網關與服務器之間通過TCP/IP連接，會實時將接收到的信息存入服務器中的數據庫，以便將信息通過互聯網與控制終端交互[1]。（2）網絡層：網絡層主要負責將感知層感知設備發送的信息接入互聯網中。一方面是接受感知層的信息，同時又通過網絡接口接入互聯網，將信息發送給更高層的應用層以實現遠程通信服務;另一方面是應用層發送指令經網絡層來控制感知層，網絡層包括傳感器的自組織網，ZigBee網絡等。（3）應用層：應用層主要包括臺式電腦、便攜電腦、智能手機等終端設備，通過瀏覽器或者手機APP為遠程監控提供窗口，通過網絡層遠程實時調用服務器中數據庫的信息總體設計就是感知層的傳感器節點將采集的信息通過路由器的轉發匯總至網關，網關再與服務器建立通信，將信息傳輸至服務器數據庫中并保存，終端設備通過無線網絡訪問以實現遠程監控的目的。

2 ?系統硬件設計

2.1 ?系統框架圖

智能家居防護系統框架如圖2所示。

硬件系統分為3個部分：分別是信息采集的傳感器節點，用于存儲信息的服務器，應用終端（如臺式電腦，移動通信設備）。在ZigBee網絡下，主要實現3個部分之間的信息傳輸與通信，即傳感器監測節點，路由器，協調器之間的信息傳輸與通信，目的是實現家庭安全問題采集、存儲以及網絡內的數據傳輸。數據傳輸的過程為：協調器通過網關與服務器建立通信連接，將獲取的數據傳輸給服務器;服務器實現數據的分析處理并對數據進行存儲;應用終端訪問服務器并根據需要來調取服務器中的數據。

2.1.1 ?傳感器節點

在家庭防護監測系統中，傳感器節點主要擔任采集各類數據的任務，并將這些數據在ZigBee網絡傳輸協議下傳輸至路由器中，或者接收來自路由器的數據采集命令并執行操作。

2.1.2 ?路由器

本設計為了加強ZigBee網絡的穩定性，加入了路由器[1]。路由器的主要作用是負責完成網絡層中數據的中轉，其既要與傳感器節點之間建立通信，接收來自傳感器節點采集的各類數據，又要將數據匯總并與于網關通信，將數據傳遞給網關。

2.1.3 ?協調器

在ZigBee網絡中，協調器主要職責是管理整個網絡，其在與路由器建立通信后，需要收集并匯總所有傳感器節點采集的數據，再將匯集的所有信息發送給網關及服務器進行存儲。同時協調器還可以接收服務器下達的命令，并通過路由器轉發到各個傳感器節點。

2.2 ?傳感器節點硬件

本設計選用TI公司的ZigBee芯片CC2530F256作為傳感器節點的控制芯片，此芯片射頻部分采用2.4 GHz頻段。其也是TI公司專門設計的一款基于IEEE 802.15.4協議的芯片，并適合星型、樹型或者網狀網絡的芯片[1]。

傳感器節點硬件框架如圖3所示。其中控制部分是由CC2530F256芯片實現。信號處理電路實現傳感器與CC2530F256芯片通信的信號處理，電源模塊為整個系統提供能量管理。

傳感器采集各類安全信息通過信號電路放大，再由接口轉發給CC2530F256芯片進行處理[1];CC2530F256芯片先把接收到的數據通過自帶的A/D接口轉換器進行處理，然后通過ZigBee網絡發送給協調器;電源模塊則為整個系統供電。

2.3 ?傳感器電路模塊設計

2.3.1 ?溫濕度傳感器電路模塊

所采用的數字溫濕度傳感器是DHT21。該產品具備品質好、反應快、低成本、抗干擾能力極強等特點[1]。DHT21與外部MCU的連接如圖4所示。

假如連接線長度在20 m以內時，其采用5 kΩ的上拉電阻;若在長度大于20 m時，則要根據實際情況采取適宜阻值的上拉電阻，應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，起到穩壓的作用。DHT21所需求的供電電壓為3～5.5 V，但在本設計中采用供電電壓為5 V的電源為其供電[1]。外部MCU通過DHT21讀取數據的引腳是DATA，DATA采用的是一種單總線接口，其一次讀取溫濕度數據的操作大約花費是5 ms，讀取速度快，能很好地達成本系統的要求[1]。

2.3.2 ?可燃氣體傳感器電路模塊

可燃氣體的種類很多，其中包含：天然氣、甲烷、氫氣、一氧化碳等。可以采用MQ-X型氣敏元件用來檢測這些可燃氣體[1]。MQ-X型元件電路中DOUT采用的是TTL電平輸出，當檢測到這些可燃氣體值超過預定值時，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，而后采用模數轉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用的是基于紅外線技術的SS-101模塊，該模塊具有高靈敏度，強可靠性[1]，符合系統要求。工作原理是當其感應到有人進入其檢測范圍時，人體紅外傳感器會通過感應紅外光譜的變化，然后將輸出引腳的電位拉高，并持續到該感應區域還是否有紅外光譜變化，負載會在延時開關的作用下主動封閉[1]。SS-101模塊的供電電壓為4.5～20 V之間，本設計中統一采用電源電壓為5 V為傳感器節點進行供電。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 ?系統軟件設計

整個系統軟件包含感知層的傳感器節點數據采集處理，網關的協議轉換和終端應用層軟件，其中感知層負責數據采集處理，網絡層負責數據傳輸，網關負責數據及協議的轉換，服務器負責數據存儲及分析，終端應用層的軟件系統控制界面負責數據顯示，實現與用戶的交互[2]。本系統的軟件流程圖設計如圖6所示。

該系統數據處理的流程包括：（1）數據采集處理過程：主要包括CC2530F256芯片中控制A/D轉換，數據處理，數據處理等過程。（2）數據傳輸過程：主要包括基于ZigBee網絡中的傳感器節點之間的通信，節點通過路由器的轉發，路由器與協調器之間通信的過程;再者就是數據由協調器通過網關與外部服務器之間建立通信，終端對服務器數據的調用等[3]。（3）數據存儲及分析：服務器將接收的數據進行分析并結構化存儲在數據庫中，以便以后查詢。（4）數據顯示：可通過在終端設備上制作一個上位機的交互軟件，用戶可以實時查看到有用的安全信息，連接數據變化情況[3]。

4 ?結 ?論

設計主要采用ZigBee和Wi-Fi無線通信技術，本系統為家庭安全防護系統的建設提供了一種便利的方案，系統從整體上考慮家庭的實用性，穩定性和成本，本設計采用的CC2 530F256及其他硬件，正符合上述實際需求，能長時間實時監測防護安全，避免了家庭突發的安全事故，具有良好的開發性和實用性。當然對于一套完善的智能家居防護系統，以上功能還存在不足，未來還可以在保證成本、穩定性等前提下針對消防安全、用電安全等安全隱患的預警等方面拓展系統功能。

參考文獻：

[1] 許毅，陳立家，甘浪雄，等.無線傳感器網絡技術原理及應用 [M].北京：清華大學出版社，2015.

[2] 梅志堅，馬婭婕，肖凡男.基于ZigBee和GPRS的大氣污染監測系統設計 [J].武漢科技大學學報，2015，38（1）：63-66.

[3] 廖建尚.物聯網平臺開發及應用 [M]：北京：電子工業出版社，2016.

作者簡介：余楠（1996—），男，漢族，江西上饒人，本科，主要研究方向：物聯網技術、嵌入式系統;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：物聯網技術、網絡安全、嵌入式系統;張倩倩（1997—），女，漢族，江西南昌人，本科，主要研究方向：物聯網技術、嵌入式系統;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：無線傳感網絡與物聯網技術、大數據分析與智能信息處理、軟件工程與理論。