家居多防系统的研究与构建

胡曙敏 李德明 王焕磊 浙江商业职业技术学院应用工程学院

智能家居控制系统不仅可以实现家居内电气设备之间的互联互通，还可以将整个家居系统连接至互联网，实现家居与互联网之间的信息共享，从而实现安全舒适且环保节能的居住环境[1]。从智能家居的应用层面来分析，目前主要存在三个方面的问题，限制了智能家居控制系统的普及与应用。第一，标准不统一。目前没有统一的行业技术标准，智能家居产品多样化，导致了多个企业标准和通用协议公存的形式。第二，价格昂贵。智能家居系统在设计初就以高大上进行规划，也导致了产品的价格虚高，老百姓难以接受，推广受到一定的阻碍。第三，功能单调。市场上的智能家居产品几乎均为灯光照明、窗帘、家电、视频、音乐等家居监控，但普通百姓急需的用水用气等安全系列产品还很少，特别是对已居住家庭的产品更是难求一得。

一、基于物联网的三防系统架构

系统依托传感器、执行器、物联网等自主产品及专利技术，运用端口配置及软件应用技术，实现用电、水管家、燃气安保等安全防范与智能化监控管理。与此对应，基于物联网的家居三防系统架构如图1 所示。

根据本产品的使用要求，整个系统分成四层，包括用户监控层、云服务器、现场控制层、传感执行层。本系统既有和现场监测装置相关的实时数据采集系统，又有后台客户终端基于动态网页的数据浏览和管理系统，前者强调实时性、可靠性，后者强调可扩展性、易用性、功能性。所以本系统采用两者既分离独立、又联系统一的设计原则。

(一)传感执行层

传感执行层主要实现了家居系统三防工作状态检测和现场设备的驱动控制，包括门磁接近传感器、水流及压力的检测、煤气浓度检测，以及水阀、煤气阀、照明开关、报警、指示控制等。

(二)现场控制层

现场控制层采用基于ARM 架构的高速处理器，实现各种传感器状态的实时检测，处理并控制阀门/开关的开合控制，与云服务器采用WiFi、GPRS 双通道互联，也可根据用户需求选配，根据网络环境自动切换WiFi/GPRS 模式，WiFi 模式优先，即时上报各参数状态变化信息。通过对监控数据的分析，得出系统的安全状况，及时以声音、短信、手机APP 方式报警。响应远程监控的数据请求及数据设置，存储各类状态、参数信息。

(三)云服务层

应用业务服务软件内部采用视图和逻辑模型分离的方式，以保证架构的灵活性、模块的独立性和系统的可扩展性。采用独立的应用、数据、连接服务器，便于扩展和管理，云服务器向上与远程监控终端/WEB 浏览器保持连接，接收用户请求，向用户推送各类状态变更、报警信息、广告信息，向下与现场控制主机/网关保持一对多常连接，接收主机上传的状态信息，报警信息；远程设置主机参数。云服务器可实现用户习惯的数据收集、分析，定向推送相关需求信息。

(四)远程监控层

远程监控层可通过手机APP、短信、PC 客户端、WEB 方式进行系统的实时参数查看、设定，管理配置等。手机APP支持iOS 和Android 平台，软件基于C/S架构，手机APP 通过标准XML 格式化/JSON 格式化文本与数据服务层进行通信，实现用户鉴权、设备监控、情景设定；支持模块地址的远程配置，包括电力载波模块、Zigbee 模块、红外模块等。手机可通过2G/3G/4G/WiFi 等多种方式实现与云服务器的互联，PC 客户端基于C/S 架构，主要供系统管理者实现远程系统管理，支持WEB 方式进行远程监控，基于B/S 架构。采用JSP 构建动态页面，支撑用户浏览器端的各种操作。所构建的页面具有自适应功能，能够适应PC 终端、Android 终端、iOS 终端。

二、系统实现

(一)传感执行层模块

Zigbee 技术是一种基于IEEE802.15.4标准的短距离、低功耗、自组织的无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备[2]。本文中的节点主要采用Zigbee 方式，并配备了扩展模块接口，Zigbee 采用CC2530 主芯片，结合STM32CPU，适应低功耗的要求，单节点配置了DI/DO、AI 输入输出接口，可进行漏水、门锁、煤气、阀位等相关信号的检测，以及照明开关、水阀、防爆气阀、门锁等的输出信号的驱动控制。传感执行层工作原理如图2 所示。

(二)网关

网关也是系统的控制主机，在整个三防系统中起着承上启下的重要作用，是连接服务器与各现场分控设备的桥梁。主机与上层网络信息服务，主要是通过WiFi网络端口与GPRS 网络端口进行的，主要考虑网络系统有覆盖性及用户的服务性，防止出现“信息孤岛”现象，增强网络与数据传输的可靠性和应用的灵活性。

WiFi 网络端口主要以进行服务器与主机间的大数据通信与传输。WiFi 是现有通信系统的一种主要通信手段。GPRS网络端口主要实现主机与手机和服务器之间数据的实时上报、执行、处理等。作为WiFi 网络的一种补充，GPRS 网络可以实现手机用户端及服务综合平台终端双重数据交互，保证了数据及信号执行的准确性，同时，也满足了不同地区不同客户的使用需求。系统均采用ARM 内核的STM32F103 作为处理器，同时外接一片CC2530 作为Zigbee 无线通信芯片，以及一片ESP8266 模块作为Wifi 无线通信芯片。采用Wifi 和GPRS 三防网关工作原理如图3 所示。

(三)云服务及终端

图2 传感执行层工作原理方框图

图3 网关工作原理方框图

图4 手机APP 操作界面示图

传感器采集的数据传输到主机；主机负责采集数据、处理和存储数据、将数据通过GPRS/Wifi 通信网络发送到服务器。应用服务器主要将信息数据存储至数据服务器中，连接服务器主要负责网关信号的对接及信号报送，实施远程控制设备的运行状态传送。为此以Windows Server 为平台，以Delphi 为工具，使用TOMCAT/MySQL 数据库，基于标准XML 格式化文本开发了一个家居三防应用系统。

三、系统应用

项目实施过程中已获得多项应用专利，依托自主知识产权的传感器和专利技术，具有非常高的性价比，产品已进行了多地场合的试用和推广。DIY 自助安装是我们的设计理念，无须布线，产品基于zigbee 无线技术，几乎不会产生装修费用。交直流供电，即插即用，免更换电池，即使在断电的情况下，能维持系统的正常运行，方便用户的使用，只要有一定动手能力的人们都能很快学会产品的安装与调试。

图4 为手机APP 操作切换界面。通过手机、平板电脑进行登录，连接服务器平台，可远程操作与控制有关智能家居设备的工作，同时，有关事件的发生和状态的变化，可实时反馈APP 平台，随时随地掌握和监控家中信息。

四、结语

本文设计了基于移动终端的家居三防系统，详细介绍了系统的架构方式，以及硬件配置和服务器的实现方法，其功能在实际中得到了验证。本系统重点解决家庭最急需的安全防护及生活管理，以模块延伸的拓展方式，使智慧水务、用水健康、家电智能控制、家庭消防四个阶层DIY叠加起来组成一个完整的无线家居系统。目前本系统可以实现即时报警、情景控制等功能，用户可以灵活定制和远程操控，但不能进行第三方设备的连接与控制，但通过网关中增设标准COM 口，就可以与COM 接口的设备双向通信，以构建一个较完整的智能家居系统。