基于物联网家居安防系统的设计

0 引 言

智能家居安防产业经过了 30 多年的发展历程，由原来 的单一控制演变为现在的多控制方式，由原来的模拟监控系 统发展成为现在的网络化、数字化、智能化监控系统。如今， 我国智能家居安防产业有了一定的发展，已经开始研发并生产 拥有自主知识产权的产品。目前，通过物联网智能家居技术。 嵌入式操作系统和无线传感网技术，可以组建家庭网络系统， 搭建安防报警系统，若有人非法进入室内，发生燃气泄漏、 火灾等险情，系统将通过短信、彩信、电话方式在第一时间 发出报警信号。这种传统的智能家居方式不能实时有效地实 施家用安防，以及不能以更多的人机交互方式实现有效的远 程监控及安防报警 [1]。在本项目中准备采用传感层各节点联动 方式进行报警及报警后的预设方案进行处理报警，同时，在 本项目中利用现用的主流 Android 系统设计实现 Internet 网络 远程访问与监控 App 的设计与实现，使用户在任何地方都可 以了解当前家中的安防信息。

1 总体架构设计

智能家居安防系统依据全面感知、可靠传递、智能处理 的功能需求，可划分为数据采集层、集成处理层、数据层和 终端应用层四个层次 [2]，具体如图 1 所示。

（1）感知层 ：数据层采集层用于完成信息的采集、转换、 收集和整理。在数据采集层中主要包括两个部分，其一是数 据采集模块和终端控制的终端装置，数据采集模块如烟感、 火焰、燃气等完成信息采集，终端装置如蜂鸣、灯光等完成 最终控制。第二部分是短距离的无线传输，短距离传输是终 端装置与网关的双向传递。

（2）网关层 ：网络层主要由一台嵌入式网关构成，是整 个安防的中心，主要实现 Internet 网 ，GSM 网的接入、远程 控制以及实现协议转换。通过它来实现连接家庭内部异构网 络的功能。

（3）网络层 ：网络层主要由一台 Web 服务器构成，其主 要作用在于同网关层进行数据交换，用户再通过用户层终端访 问 Web 服务器获取相应的实时监控数据。

（4）应用层 ：用户应用层包括各类搭载了 Web 浏览器的 终端设备，以及智能手持设备构成，用户可通过云端服务器获 取安防的实时信息。

 2 系统硬件设计

2.1 数据采集层通讯设计

数据采集层通讯层设计采用 TI 公司的 CC2530。CC2530 是 2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和 RF4CE 应用的一个真正 的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总材料成本 建立强大的网络节点 [3]。CC2530 结合了领先的 RF 收发器的 优良性能，业界标准的增强型 8051 CPU，系统内可编程闪存， 8 KB RAM 和许多其他强大的功能。CC2530 具有不同的运行 模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间 的转换时间短，进一步确保了低能源消耗。CC2530F256 结合 了德州仪器业界领先的黄金单元 ZigBee 协议栈（ Z-Stack ™）， 提供了一个强大和完整的 ZigBee 解决方案。因此在本系统中 选用 CC2530+ Z-Stack 作为无线通讯开发。

2.2 传感控制模块设计

ZigBee 节点搭载相应的传感器和继电器构成，在系统中 在线监控气体和火焰，并通过继电器控制电器的运行等。烟 雾传感器使用 MQ2。MQ2 的输出通过两种方式接入CC2530。 （1）P0.0 输出模拟信号，信号值随烟雾浓度变化而变化 ；（2） 输出的模拟信号经过 LM393 电压比较器给出布尔量（可通过 与 LM393 相连的可调电阻调节阈值），供电部分可使用电池或 5 V 直流电源，经过 LM1117 后给出 3.3 V 的接入电压。MQ2 工作时功耗比较大，所以部署时一般不使用电池供电。燃气传 感器 MQ4 与烟雾传感器的工作原理及接入方式一样，火焰传 感器会给出报警的开关量，可以通过可调电阻灵敏调节。烟 雾传感器模块如图 2 所示。

2.3 网关模块设计

在 网 关 模 块 设 计 中， 采 用 的 以 Samsung Cortex-A8 S5PV210 芯片为核心的 ARM 主 CPU，运行最大频率可达 1 GHz，处理器内部为 64/32 位总线结构，32/32 KB 一级缓 存，512 KB 二级缓存 [4]。自带 3D 图形加速引擎（SGX540）， 2D 图形加速，支持高清 HDMI TV 输出。主要功能模块包括： 微处理器模块、USB 接口模块、串口模块、网络接口模块、 GSM 模块、无线收发模块，最大的特点是利用移动通信网络， 加入了 GPRS 通信模块 [5]。该网关硬件平台接口功能丰富，可 以满足家居中安防系统网关的低成本、高性能、低功耗及功能 相对完善的要求。 图 3 所示为网关硬件平台结构图。

3 系统软件设计

3.1 嵌入式网关的软件设计

嵌入式网关实现主要基于 Android 操作系统的实现。在 架构中起中间件作用。为服务器提供实时的家居信息，提供 各智能控制节点的接口，通过串口实时与 ZigBee 协调器进 行沟通，实时采集下位机报警节点的环境信息数据，对敏感 数据进行业务处理，如发生警报及时向服务器端报警，以 及通过 GSM 及时向用户设定号码进行短信报警。在与云端 服务器数据进行交互时，在软件中部署客户端调用服务端 WebService[6]。除此之外，网关服务实时监控部分在后台作为 独立子线程工作，实时进行数据采集。该层是整个安防系统 架构的核心，其贯穿了整个系统的中轴线 [7]。图 4 所示为嵌 入式网关部署图。

3.2 智能终端软件设计

智能终端软件平台有两种模式，第一种模式为 PC 客户 端 [8]，第二种模式为 Android 客户端。智能家居的系统平台作 用主要是与用户进行直接对话，即实现对当前家居环境的实 时监控，同时对智能家居中的相应模块进行可视化实时操作。 两种模式包括系统参数的设置、设备控制、阈值的设置、数 据查询等，具体如图 5 所示。

（1）环境实时监控 ：可通过预设平面图，对安防各节点 信息实时掌握，如遇报警信息可及时响应。

（2）设备控制 ：用户可对当前环境中相应控制节点参数， 阈值设置及运行状态进行更改及控制。

（3）数据分析 ：历史环境信息进行统计。

PC 端的实现是基于 Web 平台的客户端，主要服务器架设 在云端。手机终端的数据主要也是通过云端WebService来获取。

3.3服务器端软件设计

主服务器端的应用程序是在 VisualStudio2010 环境下采用 ASP．NET C# 技术开发的。ASP.Net 框架提供统一的 Web 开发模型，它的思想是使用尽可能少的代码生成企业级 Web 应用程序。整个软件的架构分模块进行设计，根据功能划分 后，确定每个模块的算法和代码，形成方案，这样系统可以 具有较好的可扩展性和维护性[9]。服务器端采用三层结构设计， 包括表现层 / 服务层、业务逻辑层、数据访问层。在表现层中 为客户端的用户提供交互操作界面，服务层主要负责关键业务 的处理和数据传递，数据层主要实现的是对数据库操作的相 应访问。服务层主要是对中间件网关进行响应处理，为网关或 智能手持端协调提供 Web 服务。业务逻辑层实现调用部署在 Web 服务器上的 WebService 方法，向底层服务器发出请求进 行管理和控制。该系统架设好后，用户可在任意网络位置对 智能家居的安防信息进行全天候的监控 [10]。

4 结 语

本文主要分析了目前智能家居的安防系统，根据需求， 结合当前物联网的相关技术，对物联网安防系统进行了系统 整体的设计，整个安防系统可以实现对智能家居中主要安全 环境进行监测和报警的功能，达到了预期目标，对智能家居 安防系统行业的开发与设计有一定的参考价值，后续的工作是 进一步扩展该架构的应用领域。