智能家居安全防护系统

王 颂 胡立夫

沈阳航空航天大学自动化学院

智能家居安全防护系统

王 颂 胡立夫

沈阳航空航天大学自动化学院

为解决家庭住宅存在的安全隐患，使人们的生命和财产安全得到更可靠的保障，现引入智能化的安全防护系统。系统基于ZigBee技术，通过多种传感器采集信息，用摄像头监测室内情况，当室内出现异常时及时发出报警信号并通过GSM/GPRS移动通信网络给用户手机发送信息，本系统具有防火、防盗、防燃气泄漏的功能。本系统采用的ZigBee技术实现了家庭内部星状拓扑的智能安全防护系统的设计方案，不单单克服了传统家庭网络采用有线的方式进行布线组网的困难，并具有安装简单，性能稳定可靠，维护方便的优点，对于保护家庭安全有很大的作用。

智能家居的概念很早就被提出了，但一直没有实际的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司将建筑设备信息化、整合化的概念应用于现实时，才出现了第一栋的“智能型建筑”，从此揭开了全世界建造智能家居的序幕。自从1984世界第一个智能家居系统问世以来，智能家居就在我们的生活中一直更新，进入21世纪后，智能家居更是在系统和功能上有了质的飞跃。

本课题通过采用传输范围适中、安全可靠、网络容量较大、低功耗低成本的ZigBee技术，配以温度、烟雾、煤气、火焰和红外传感器设计智能家居远程安全监控系统。该系统具有防火、防盗、防燃气泄漏的功能，可以对危险因素做出处理，并发出短信报警通知主人，主人还可以对家居环境进行实时的监控。

系统总体方案设计

本系统的整体设计方案如图1所示。主要有三个方面组成：无线智能家居安全防护传感器节点、ZigBee协调器节点和监控中心。

传感器节点主要是负责采集数据和对信息预处理，回应监控主机的指令发送数据。本系统采用的传感器有温度、烟雾、煤气、火焰和红外传感器，将这些传感器分散布置在家居环境内，对家居安防环境信息进行实时采集。然后各个传感器节点将自己所采集到的实时信息通过初步的数据处理和整合之后传送给用户。ZigBee协调器节点的功能是接收系统控制中心发送的指令做出相应地处理，还要将终端节点（RFD）接收到的数据发送给系统控制中心。监控中心的软件是利用图形化编辑语言LabVIEW编写的，监控中心可以实现整个无线传感器网络的监测，显示和存储协调器节点发送的数据。另外，监控中心还添加了短信报警和图像监测功能。短信报警采用的是GSM/GPRS网络，它用AT指令进行模块控制，通过串口进行控制命令的传送。本系统中使用USB摄像头对家庭关键部位进行监测。

系统硬件设计

Zig Bee网络硬件设计

ZigBee无线网络的硬件设备分为协调器、路由器和终端节点。协调器主要负责网络正常工作并且保持同网络其他设备的通信；路由器可以将消息发到其他设备；终端节点负责完成传感器数据的采集和发送，由于终端节点的存储器容量要求最少，所以可以满足ZigBee的低功耗要求。本系统中硬件电路的设计将以CC2530为核心，再加上外围电路及多种传感器模块来实现整个ZigBee的无线传感器网络的智能家居安防功能。

图1 家居智能安全防护系统的总体设计方案

图2 ZigBee终端节点硬件结构

图3 终端节点程序流程图

图4 有人进入手机报警

传感器节点设计

家居智能安全防护系统中包含多种传感器，如烟雾传感器、火焰传感器、人体红外传感器、温湿度传感器、煤气传感器等，这些传感器能够实时采集家居安防环境信息。与此同时这些传感器的工作原理不完全相同，所以它们与CC2530的信息交互方式也互不相同。例如人体红外传感器和火焰传感器模块输出是开关信号，因此可以直接给CC2530模块的I/O口，如果CC2530模块的I/O口的端口电平发生变化，那就意味着有人进入或有火焰产生，同时CC2530进行下一步动作；而其他几种传感器输出均为模拟量信号，因此，需要经过CC2530模块的ADC端口的处理。

GSM/GPRS模块

系统采用的GSM/GPRS模块为S900IMCom公司生产的SIM900A。SIM900A是一个2频的GSM/GPRS模块工作频段为EGSM 900MHz和DCS1800MHz，能实现对语音、数据和传真信息的传输。SIM900A接口众多，能够充分满足用户的各种设计需求，功耗低，在睡眠模式下最低耗流只有1.0mA，尺寸小，几乎可以满足所有用户应用中对空间尺寸的要求。SIM900A内嵌TCP/IP协议，扩展的TCP/IPAT命令让用户能够很容易使用，很方便进行数据传输。该模块功能强大、易于使用、安全可靠，支持1.8V和3.0VSIM卡，使用时只需在卡槽中插入SIM，正常电压值为2.0V或1.8V，通电后向模块发送AT指令便能控制其工作。

系统软件设计

终端节点的软件设计

环境参数的采集利用周期性的定时器，每隔10s采集一次，并将采集的信息通过ZigBee模块发送给协调器。在定时时间到后会继续采集当前的温湿度值并判断各传感器的采集状态，如温湿度是否超限、红外传感器输出的高低电平等。

终端节点开始时进行初始化，然后扫描网络信道，如果发现网络请求加入网络。协调器收到请求后的网络层向应用层发送确认，终端节点开始启动且已经加入网络。终端节点发送成功后会进入SLEEP状态，等待定时器唤醒；如果发送失败，将一直发送，直到发送成功为止。终端节点的程序流程如图3所示。

监控中心软件设计

本系统监控中心软件由图形化编程语言LabVIEW编写，LabVIEW产生的程序是流程图的形式，它的程序设计界面采用了与其他高级语言类似的图形化方式，集成了快速构建各种应用所需的所有工具，同时，在编写程序代码、实现程序功能方面也采用了图形化的操作方式。所以，LabVIEW具有其他高级编程语言无法比拟的高效性。

系统的实现与性能分析

当有人非法进入时，系统会通过GSM网络向用户手机报警，用户手机将出现“有人进入”字样。

结束语

本文设计完成一种基于ZigBee技术和GSM/GPRS无线网络的智能家居系统，该系统通过星型网络和无线网络使各种家居设备联系起来，能够对家居设备进行统一的管理，实现了家居的智能化。该系统将家庭内网通过串口连接GSM/GPRS网络，使用户能够通过手机实时监控家居环境和设备，实现了智能家居的远程控制。经过试验检测，该系统使用星型网络，安装方便、使用简单、容易扩展、安全可靠，用户可以根据自己的需要设置适合自己使用的终端节点，从而实现灵活、方便的家庭安全监控。