智能家居和楼宇的实时监控系统设计

戴宇培，张钰，刘云飞

(南京林业大学 信息科学技术学院，南京 210037)

智能家居和楼宇的实时监控系统设计

戴宇培，张钰，刘云飞

(南京林业大学 信息科学技术学院，南京 210037)

为了实现对家庭安全的实时监控，设计了智能家居和楼宇监控系统。其中，智能家居系统采用ZigBee技术，实现了对家电的远程控制。楼宇监控系统采用WiFi和路由技术，实现了对家庭情况的实时监测。本文重点介绍了系统的结构以及硬件、软件的设计，所设计的系统模型可以应用到实际生活中，极大地方便了我们的生活。

ZjgBee；CC2530；智能家居；树莓派；楼宇监控

引 言

物联网是通过信息传感设备，如射频识别、红外感应器、GPS定位系统等，按某种协议把任何物体与互联网连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的网络[1]。本文探讨的智能家居和楼宇监控系统是一种小型的监控管理物联网[2]。

ZigBee是IEEE 802.15.4协议的代名词，是一种低功耗的近距离无线组网通信技术[3]，成本较低，可以嵌入各种设备，主要适用于自动控制和远程控制等领域。本文通过ZigBee组网构建模型，模拟实际的家庭情况，在家里或者外面，通过无线网络即能实现对家用电器的控制，以及对家里情况的监测。

楼宇监控系统中， CC2530已不能满足视频对讲的功能，故采用树莓派3B以实现远程楼宇视频对讲和遥控开门的功能，楼上可以控制楼下的大门，视频对讲后开门关门。如果有人来访、按动对讲门铃，则可通过手机和来访人视频对讲,并选择是否开门[4]。

1 处理器介绍

智能家居系统采用CC2530芯片，支持IEEE 802.15.4标准的应用。CC2530由一个8051单片机和一个RF收发器组成，同时拥有强大的支持功能和外设[5]。

楼宇监控系统处理器采用树莓派3B，它是一款基于ARM的微型电脑主板，以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有1/2/4个USB接口和一个10/100M以太网接口，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口，具备所有PC的基本功能[6]。

2 系统结构

2.1 智能家居系统

ZigBee管理系统模型由控制端、协调器、终端以及传感器或控制电路组成。其中，协调器节点作为采集节点，传感器节点作为终端节点。协调器与终端之间无线传输，距离为10～75 m。协调器负责启动整个网络，终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒。

本设计的组网采用星状网络拓扑结构，只存在协调器与终端设备的通信。终端设备间的通信，需要通过协调器的转发才能够实现，每个协调器可以连接240个应用终端。

每个设备对应一个CC2530，有相应的射频端，并具有唯一的64位IEEE 地址和16位网络地址。各设备的输入输出端连接CC2530的I/O口，通过单片机进行数据采集和控制，在协议栈中不同的设备有相应的配置文件[7-8]。

2.2 楼宇监控系统

图1 模拟连接图(省去电源)

利用树莓派进行视频对讲，如图1所示，硬件包括树莓派主板、电源、显示器、摄像头、麦克风、喇叭、SD卡等各一对。电源采用Mini B型USB插头，输入5 V，输出2 A。显示器为树莓派官方7寸显示器，DSI接口，800×480分辨率。摄像头采用树莓派官方摄像头2代，DSI接口，800万像素。麦克风为CM108芯片麦克风，USB接口。喇叭为普通小喇叭，接口为3.5 mm耳机接口。

3 硬件组成及配置

3.1 智能家居系统

本网关由一个ZigBee 节点和一个WiFi模块组成，ZigBee 和WiFi 之间基于串口通信，WiFi 模块内置TCP/IP 协议栈，使得手机或者其他的通信设备可以直接连接到WiFi 上，相当于直接连接到了ZigBee上，即 “ZigBee↔WiFi 模块↔路由器↔手机”的通信流程[9-10]。

配置为WiFi-STA 模式，STA 即无线站点，它是一个WiFi无线网络的终端，可以连接到WiFi路由器上。手机通过这个无线路由器，可以访问到这个WiFi网关。无线路由器连接公网，会产生一个IP地址。网关将手机终端自建的局域网连接到ZigBee网络。

人在外面，手机通过公网IP找到家里路由，路由给WiFi模块映射服务器通信。

如图2所示，本地端口为20000。WiFi 路由器名称为zhangyu，密码为12345678。所以网络名称为zhangyu，密码为12345678。同时配置WiFi 网关的IP，静态IP为192.168.1.99。

图2 手机验证

3.2 楼宇监控系统配置

系统选择官方的Raspbian系统，对显示器和摄像头支持友好。在官网下载Raspbian镜像(带桌面版)，下载后将镜像写入到SD卡，若主机为Linux系统，使用dd命令写入镜像， sdd为SD卡设备名，按需改变，dd bs=4M if=*-raspbian-jessie.img of=/dev/sdd。若主机为Windows系统，下载软件Win32DiskImager， 打开软件安装后，选择SD卡相应镜像，点击写入。SD卡写好系统后，插入树莓派，接电源即可看到启动信息。

摄像头配置操作为:进入系统后打开终端，输入sudo raspi-config 打开配置选项，选择Enable Camera，开启摄像头。每次使用麦克风前，加载驱动sudo modprobe snd_bcm283，即完成麦克风配置。

4 软件设计

4.1 智能家居系统

本设计使用的软件工具是IAR 7.51A，先由协调器建立局域网，再将终端设备接入局域网，完成 ZigBee组网，移动端使用Eclipse(Android)[11-12]。

终端与协调器协议格式如下：包头(SD)二字节，以“$@”开头，十六进制为0x24,0x40；终端地址(ADDR)二字节； 功能码(FC)一字节，命令码；数据长度(LEN)一字节，后面带数据字节数，没有数据长度为0；数据内容(DATA)N字节；检验码(XOR )一字节，从终端地址开始，到数据内容的异或和；包尾(ED)二字节，以‘ ’结尾，十六进制为0x0d,0x0a。

协调器发起对终端的查询、控制，以及终端的数据响应均使用此协议。软件流程图如图3所示。

图3 智能家居系统流程图

4.2 楼宇监控软件配置

树莓视频对讲使用了一些工具：Netcat传输视频与音频流，raspivid和mplayer采集以及播放视频流，arecord和aplay采集以及播放音频流。

Netcat是计算机网络公用程式，用来对网络连线TCP或者UDP进行读写,能简单地监听一个端口或者向一个端口传输数据，配合管道及重定向，使用非常方便。基于Linux系统shell，命令nc-l-p 80 > hello(#listen 80 port and write some data to file hello(default by TCP))；echo 'hello world' | nc localhost-p 80(#send some data to local port 80)。

raspivid是树莓派官方发行系统Raspbian自带的程序，它能简单地调用树莓派上的摄像头进行录像或通过管道传输。Raspbian系统shell，采用命令raspivid-o-(#just show video)。mplayer是一款强大的视频播放器，提供视频播放的shell接口，可以解码并播放多数格式视频。安装mplayer，命令sudo apt-get install mplayer；安装mplayer后，命令mplayer I_am_avideo.mp4(#player a vedio)。arecord和aplay是录制和播放声音的命令行接口，用来配合netcat传输音频信号。安装命令sudo apt-get install alsa-utils；安装后命令arecord-D plughw:1,0 > I_am_a_audio(#record audio)，aplay I_am_a_audio(#play audio)。

首先安装mplayer、arecord和aplay，而后在系统设置内开启摄像头。音视频对接分两部分，start.sh和stop.sh。start.sh需要双方同时运行进行视频对接，stop.sh杀死nc进程，关闭连接。音视频对接流程图见图4。

图4 音视频对接流程图

软件系统流程图见图5。

图5 楼宇监控设计系统流程图

5 硬件电路设计与实现

5.1 智能家居系统

如图6所示，WiFi网关模块插在ZigBee协调器上，天线增加了传输距离，为10 m左右。终端1连接DS18B20温度传感器和加热片，模拟热水器加热反馈，继电器电路作为加热片的开关电路，当传感器检测到温度已达到预设温度，单片机输出信号使继电器断开，加热片不再加热，检测到温度低于预设温度时继电器闭合，加热片继续加热。

图6 智能家居模型实物图

终端1同时连接气体检测模块，检测甲烷(天然气)的浓度，模拟家里的煤气报警器。将采集到的模拟量输入接到单片机的I/O口，CC2530自带A/D转换，转化为数字量后显示出来，当甲烷浓度超标时，单片机输出高电平给蜂鸣器，蜂鸣器报警。

终端2连接LED灯开关电路，模拟家里吊灯、台灯等的墙壁开关，可通过手机客户端进行开关灯，同时协调器每隔一段时间发送指令检测灯接入端的高低电平状态，手机可观察到灯的状态，在没有执行好指令时自动重发。同时连接温湿度传感器模块，检测实时的室内温湿度，采集信息并在手机应用端显示。

另外，连接人体感应传感器，模拟家里的防盗装置，当传感器检测到有人时，蜂鸣器报警，手机客户端有信息推送并振动(APP实现)。如果家里装有摄像头，将摄像头模块接入终端2，当蜂鸣器报警时，让单片机控制摄像头拍照，将照片压缩，通过单片机传到协调器，再传到手机，可以看到摄像头截获的图像信息。另外，连接红外传感器，模拟家里的火灾报警器，当检测到险情时，蜂鸣器报警(响)，手机客户端有信息推送。

终端3连接步进电机(4个端口，连接CC2530的I/O口)，步进电机正反转、加减速模拟空调工作模式，可通过手机客户端控制电机转动。

通过太阳能电池板给蓄电池供电，再通过降压模块，给终端及协调器供电。实际家庭情况中，可以通过电压转换电路将220 V交流电压转成直流电压，类似USB线供电。WiFi 模块设置了STA模式，配合路由器，可以实现移动网对终端的检测控制。

本系统可以实现网络遥控家电的功能，同时检测到环境参数不正常时产生报警，家居模型较真实的模拟了日常的情况[13-14]。

5.2 楼宇监控系统

在此基础上拓展，将视频对讲加入，家里树莓派接入路由器，有人在门外时，可通过路由器传输，在手机上进行视频对讲，将门禁系统接入树莓派，控制门的开关。

如图7所示，按钮包括门铃、视频接通、开门和关门，指示灯包括请求提示和开门提示，并且当有请求提示时，蜂鸣器响，模拟家里的门铃。硬件电路板连接树莓派的GPIO口。

图7 楼宇监控系统实物图

人在家里，楼下门铃按下，楼上指示灯、蜂鸣器响起；按下接受，开启视频对话；对话结束，按下开门，开门指示灯开启，楼下客人进门后关门。人在外面，手机通过公网IP找到家里路由，树莓派将图片传送到手机，可实现手机视频对讲，并通过手机控制家里树莓派进行开关门。

结 语

[1] 钱志鸿,王义君. 物联网技术与应用研究[J]. 电子学报,2012(5):1023-1029.

[2] 童晓渝, 房秉毅, 张云勇. 物联网智能家居发展分析[J]. 移动通信, 2010, 34(9):16-20.

[3] 俞文俊,凌志浩. 一种物联网智能家居系统的研究[J]. 自动化仪表,2011(8):56-59.

[4] 袁开鸿. 基于物联网的智能楼宇监控系统设计[J]. 电子设计工程,2014(7):135-136,139.

[5] 柳兰,何娜,陆明艳. 基于MSP430F2618和CC2520无线楼宇设备监控系统设计[J]. 南华大学学报:自然科学版,2009(4):37-40,48.

[6] 盛建强,吴方,赖育晋,等. 基于ZigBee和ARM处理器的实验楼宇监控系统[J]. 计算机与现代化,2009(12):137-139，142.

[7] 钱志鸿,王义君. 面向物联网的无线传感器网络综述[J]. 电子与信息学报,2013(1):215-227.

[8] 蒋承延,吴思远,陈伟. 基于无线传感器网络的智能

Monitoring System Design of Smart Home and Building

Dai Yupei,Zhang Yu,Liu Yunfei

(College of Information Science and Technology,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China)

In order to realize the real-time monitoring of home security,the smart home and building monitoring system is designed.The smart home system is based on ZigBee technology,which introduces a variety of sensors to realize the remote control of household appliances.The building monitoring system uses WiFi and routing technology to realize the real-time monitoring of home security.The structure,hardware and software design are introduced in the paper.The system model can be applied in the real life,which makes our life better.

ZigBee;CC2530;smart home;Raspberry Pi;building monitoring

TP273.5

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