基于物联网的家居安防系统设计与实现
2019-10-11雷文礼
高 瑞，雷文礼
(延安大学 物理与电子信息学院；陕西省能源大数据智能处理省市共建重点实验室，陕西 延安 716000)
智能化时代的到来，给人们的生活带来了巨大改变，随着“智能家居”这一概念的提出，人们已不陌生，也将成为未来智能化生活的一个方向。智能家居是通过物联网技术将物与物进行互联互通，实现智能交互[1]。传统的安防系统具有布线复杂、维修困难，本文基于物联网技术发展，结合安卓系统，设计了一种智能家居安防系统，实现智能交互，当室内环境异常或者有人通过门窗非法闯入时，系统自动启动报警程序，并给用户进行短信通知，从而实现真正的智能化，满足用户对家居的安全性、舒适性等需求，具有很好的发展前景。
1 系统总体设计
物联网是采用新技术实现物与物的互联。本文系统监测单元采用是传感器和无线通信模组、单片机组成网络节点，无数个网络节点再将数据汇总到一个节点，按照一定的协议要求转换为可上传的数据包，然后把这些数据包通过wifi上传至应用层，应用层对数据进行处理，对于环境异常或者有人通过门窗非法闯入时，系统自动启动报警程序，并通过短信通知用户。系统的整体框架结构如图1所示。
图1 系统整体框架结构图
2 硬件设计
2.1 主控制器
主控制器主要由产生wifi信号的高频RFID节点和上位机组成，产生wifi信号的高频RFID节点主要由CLRC632射频模块，无线收发模块以及电源模块等组成，上位机由安卓系统的移动终端组成。具体的硬件实物图如图2所示。
图2 硬件实物图
2.2 无线传感器
无线传感器是感知层的主要元件，用于采集数据[2]，系统选用的传感器有PM2.5传感器、烟雾传感器、人体检测传感器和玻璃破碎传感器。
(1)雾霾监测模块：用于检测空气中的颗粒浓度，实时判断PM2.5值是否在预设的范围内，提醒用户关窗，保持室内空气质量良好。为用户提供高效、便利、舒适和安全的居住环境。系统选用GP2Y1010AU0F型灰尘传感器，通过光敏原理来工作[3]。
(2)烟雾传感器：主要是对室内烟雾浓度进行检测，对于预防早期火灾具有一定意义。系统选用的是一种由气敏材料组成的N型半导体MQ-2型烟雾传感器，具体的工作原理是在200～300℃温度时，半导体材料通过吸附空气中的氧进而形成氧离子，使半导体中的电阻值增加，当检测到烟雾时，就会引起表面电导率变化，实现对烟雾浓度的检测[4]。
(3)人体检测传感器：用于检测活动的人体。系统选用HC-SR501人体感应模块进行探测，人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点[5]。具有灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式的优点。
(4)玻璃破碎传感器：用于探测是否有人员非法破窗入侵，是一种振动传感器，检测玻璃破碎时的振动输出相应的电信号[6]。系统选用PY-1A型玻璃破碎传感器，由一个压电陶瓷片和电阻并联组成，具有尺寸小，成本低的优点。
2.3 报警输入模块
智能家居中报警方式有很多，常见的有现场声光报警、电话远程报警和和手机短信报警[7]。现场报警在一定程度上可以影响到盗贼，但是比较适合家里有人的情形；电话报警方便快捷，但是如果电话线被切断，无法正常进行；短信报警可以及时提醒主人，然后采取防护措施。
2.4 wifi模块
系统中选用的WIFI模块是HLK-RM04，一种嵌入式转串口的传输模块，内置的协议栈有TCP/IP和IEEE802.11协议栈，具有强大的功能，可以完成串口、以太网、无线网3个接口的任意转换[8]。在该模块下，传统的串口设备可通过Internet网络直接进行数据的传输。
HLK-RM04模块的串口引脚与主控MCU的串口对应相接，通常工作在透传模式下，工作原理是主控MCU通过串口将控制指令发送到wifi模块中，APP与WiFi模块相连接之后，进行数据的传输，实现控制交互。wifi模块硬件实物图如图3所示。
图3 Wifi模块硬件实物图
3 软件设计
3.1 开发环境搭建
本系统是在window 7操作系统下，选择集成开发工具Eclipse和模拟器进行开发环境搭建的。而ADT(androiddevelopertools)是google提供的基于eclipse的Android开发插件[9]。因此我们选择Eclipse作为开发的开源集成环境IDE(Integrated Development Environment)。由于Android SDK和Eclipse都是用Java编写的，因此需要先在Windows上安装JDK(Java Development Kit)。
JDK安装完成之后，验证环境配置是否正确。在桌面选择“开始”/“运行”命令，然后输入“cmd”回车，运行输入“javac”命令，如果出现如下JDK编译器信息，其中包括修改命令的语法和参数选项等信息，说明JDK环境搭建成功。如图4所示。
图4 JDK环境验证界面图
3.2 数据通信模块
在采集节点到安卓终端的设计中采用了C/S架构，使用TCP/IP协议[10]。Wifi模块默认情况下工作模式为透传模式，本系统通过设置无线传输模块，使其工作与AP模式，安卓系统和模块进行通信，模块作为无线传输网络接入点，通过设置AP接入点名称、密码以及接入点IP地址、子网掩码、网关等参数，上电之后，通过安卓终端就可连接到名为“FRO_3A07”，密码是“12345678”的热点，从而构建嵌入式设备与上位机控制平台进行信息交互的无线网络，实现数据的传输和设备的智能控制。
3.3 防盗报警
控制报警模块主要实现对环境数据的处理，打开APP与硬件设备建立连接之后，即开始数据传输，wifi数据接收过程在wifi服务Amarino Service类中进行，Receive Thread线程接收数据并对数据进行判断，当Integer.value Of(msg).intValue()超过阈值时会触发报警服务start Service，开启线程进行报警并对执行模块进行相应的控制[11]。部分程序如下
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_main);
context = this;
bindView();// 绑定控件
initData();// 初始化数据
// 事件监听
initEvent();
//定时检查是否有人才发送短信
task = new TimerTask() {
@Override
public void run() {
// 发送短信
if (Const.BODY!=null && Const.BODY && Const.SMS ) {
SmsManager manager= SmsManager.getDefault();
String phone = phoneEt.getText().toString();
String context = contextEt.getText().toString();
if (isCanUseSim() && manager != null && phone != null && context != null) {
Log.i(Const.TAG,"发送短信:"+phone+"-"+context);
manager.sendTextMessage(phone,null,context,null,null);
Const.SMS = false;// 只发送一次，发送完置false
} else {
Log.i(Const.TAG,"发送短信失败！");
}}}
};
timer.schedule(task,2000,2000); //定时
}
4 系统测试
在完成系统的软硬件模块设计之后，要对硬件和软件APP进行测试，硬件测试主要是验证数据采集与传输功能，软件APP测试主要是测试其数据接收、显示功能、及预警功能。
4.1 硬件测试
系统启动后，环境感知装置每隔一段时间会读取一次数据，传感器只需单向通讯。单片机处理之后，通过UART异步通讯串口将数据转发给wifi射频模块，接收数据后通过通讯协议与监控系统APP通讯，进行数据传输。监控过程如图5所示。
4.2 软件测试
系统数据接收与显示功能是在系统手机软件端实现的，系统软件界面如图6所示，包括人体感应模块、烟雾浓度模块、雾霾监测模块和玻璃破碎传感器模块，手机号码和短信内容，wifi连接模块和状态信息栏模块，每个传感器模块内含有用于设置采集周期及传感器节点的IP地址和端口参数设置项和传感器的数值上限或者是下限值。
图5 硬件数据采集流程
图6 系统界面
打开手机APP系统进行工作，首先进行wifi连接，密码是12345678，连接成功后，进入对应模块的参数设置项，设置采集周期，以及传感器和控制器的IP地址和端口，以及对应传感器的数值上限或者是下限值，以及报警手机号码和短信内容，确认之后，完成软件端设置，进行数据的传输，并在上位机进行显示。文中以人体感应报警为例，报警界面图如图7所示。
5 结语
本文将物联网技术与Android系统相结合，设计一种基于物联网的家居安防系统，具有安防短信报警、空气浓度显示和烟雾浓度显示、报警阀值的设置等功能，最终实现了Android手机端对家居环境信息的采集监控以及安防报警，实验测试结果表明，该系统能够灵敏检测到异常信号，并及时报警，让家居人员有一个舒适的环境。
