物联网智能家居电器安防系统的设计与实现探析

张吉沅山东省淄博市工业学校

物联网智能家居电器安防系统的设计与实现探析

张吉沅
山东省淄博市工业学校

随着物联网技术、计算机技术、无线传感器网络等现代网络信息技术的不断发展，智能家居以专业化、整体化、低成本等特点被广泛应用于人们的生活当中。但人们在享受智能家居生活之余，家居安全成为人们关注的重要话题，其中安防系统是智能家居的关键部分。本文就基于ZigBee无线通信技术设计了一套智能家居电器安防系统，并介绍了该系统的软、硬件的结构及实现方案，为新一代智能家居电器安防系统的设计与应用提供了重要的技术支持，对实际应用有着较好的指导意义。

物联网；智能家居；安防系统；无线通信技术

智能家居是互联网影响之下物联化的体现，是以住宅为平台，通过物联网技术将家居生活相关的各种设备集成到一体，构成高效的住宅设施与家庭日程事物的管理系统，实现了全方位的信息交互功能，提升了家居安全性、便利性和舒适性，甚至为各种能源费用节约了资金。传统的有线方式智能家居系统布线繁杂、成本高、维护困难、扩展性差，因此，低功耗、稳定、易于扩展组网的无线组网技术智能家居系统成为必然趋势。本文基于ZigBee无线通信技术介绍了物联网智能家居电器安防系统的总体设计及相关技术。

1.系统整体设计

智能家居电器安防系统整体结构主要按以下三个部分进行设计的：数据监控平台、无线数据节点与执行机构。其中无线数据节点又分为两种：负责数据采集的传感控制节点与负责组网的协调器节点。传感器节点的作用是采集现场数据，如温度、湿度、光强度及烟雾浓度等，协调器节点的作用则是将各传感控制节点上采集的数据发送给数据监控平台，数据监控平台则对相应的数据进行处理、显示或报警，执行机构的作用是启动安防设备，如检测到天然气泄漏后，通过无线传感网络发送指令到相应的执行机构，关闭天然气管道的电磁阀等，从而实现对各个传感控制节点的监测与控制，见图1。

图1 智能家居安防系统的整体架构图

2.系统硬件平台的搭建

本系统选用德仪公司的CC2530作为ZigBee无线通信技术的主、从节点的主芯片，并配合设计相关的开发板，主节点通过串口与PC机相连。

图2 CC2530的功能引脚

CC2530具有组网成本低、性能优异等优点，是用于IEEE802.15.4和ZigBee的真正的片上系统解决方案。安防系统中的无线数据节点都是通过CC2530和ZigBee进行组网的，特别适用于超低功耗要求的系统。CC2530的功能引脚如图2。

图2中的引脚，如24、27、28、29是模拟电源连接，引脚1、2、3、4是接地，引脚25、26是信号的输入和输出。

ZigBee节点作为系统硬件设计的核心部分，主要分布在需要监控的各个部位，主要负责采集和处理数据。其结构部分主要分为：（1）处理器：负责整个网络无线节点的数据处理；（2）传感器：负责采集数据并完成数据转换；（3）I/O接口电路；（4）射频模块：负责无线通信；（5）RS-232串口；（6）供电模块。

3.安防系统硬件设计

3.1 传感器节点设计

（1）天然气传感器节点。天然气在日常家居中必不可少，它的主要成分是甲烷，在使用过程中可能会造成燃气泄漏、中毒、爆炸及着火等危险事件，所以对家中是否存在燃气泄漏采用燃气传感器节点，如QM-N4气敏传感器对天然气进行探测。

（2）火灾探测传感器节点。火灾是现代居民生活中较为常见的一种安全隐患，智能家居安防系统中采用的火灾探测器主要对家居环境进行监控，并能立即发送报警信号。由于火灾的复杂性，采用单个传感器监测不能够准确、快速确认火灾的发生，因此，本次系统设计中采用烟雾传感器和温度传感器两种传感器进行火灾探测，如温度传感器采用DALLAS公司生产的DS148B20可编程总线数字温度计，烟雾探测器选用的是MQ-2光电感烟探测器。

（3）人体热释红外传感器。入户盗窃也现代居民生活的常见的一种安全隐患，本次安防系统中采用的红外传感器主要是通过探测环境中人体发出的红外线能量来检测是否有外来人员入侵。红外线传感器是将探测到的红外变化转化为电压信号，并传递给数据监控平台，做出数据分析判断后发送报警信号。此外，除了上述几种常见的传感器节点设计，玻璃破碎传感器、门磁检测模块等也是智能家居安防系统设计内容，在生活中非常实用。

3.2 数据监控平台的软件设计

在数据监控平台设计中主要包括了对模拟电器设备的基础控制、对传感器节点发送的数据制作成曲线图等具体功能，本次安防系统中采用Visual Studio2010上位软件开发。

（1）模拟电器设备的基础控制。通过获取来自ZigBee网络中的基础信息，可以控制执行机构，如电机按照设定的条件运行，控制指定的LED灯开与关、蜂鸣器的开与关等。

（2）监测各种传感器节点数据。对安防系统中的各个传感器节点数据进行分析，并绘制成曲线图，以达到对实时环境进行监测，此外所监测到的数据也可作为模拟设备的联动条件。

（3）联动控制。系统中的联动控制是预设传感器监测到的相关数据所满足的条件，根据所设定的条件来判断相关的模拟设备是否运转，如当出现火灾探测传感器反馈的监测数据达到设定值时，引起节点板上的蜂鸣器报警。

[1]戴建.基于嵌入式的智能家居网关系统设计[D].上海工程技术大学，2016

[2]原艳英.物联光网的建设及其在智能家居中的应用[D].内蒙古大学，2014

[3]刘远聪.物联网智能家居远程控制技术的研究[D].兰州交通大学，2015

[4]杨志国.智能家居系统平台协议及客户端设计与实现[D].上海师范大学，2015

[5]朱迪奇.物联网智能家居网关设计与实现[D].中国科学院大学（工程管理与信息技术学院），2015

张吉沅（1973-），高级教师，本科，主要从事：机电、物联网、焊接技术。