基于物联网的智能家居安全防护系统设计

赵静+麻名蕊+宋振

摘 要 针对现代家庭的各种不安全因素，将物联网技术应用到家居安全防护系统中，以物联网的感知层、网络层、应用层的三层体系结构为依据，感知层自动采集家居环境参数，利用嵌入式微处理器ARM Cortex-A9为核心的网关连接ZigBee协调器、GPRS模块以及Internet互联网，保证与应用层的信息传输。运行在嵌入式网关上的Qt交互操作界面以及移动终端管理系统可以方便用户查看接收家居安防数据并进行管理控制。通过智能门禁、智能门窗防盗、煤气监测、火灾监测、远程监控等功能，实现了不需要人为干预、自动检测异常并及时作出预警的智能家居安防系统。

【关键词】无线传感器网络 智能家居 嵌入式

家居生活中煤气管道、热水器以及其他大容量家用电器的使用，都明显地增加了发生火灾的可能性以及煤气中毒、爆炸的危险；另外，入室行凶、盗窃等违法犯罪活动时有发生，给社会带来不安定因素，人们对生命及财产的安全性越来越重视。传统的机械式（防盗网、防盗窗）安全措施不但影响楼房的整体美观，而且一旦住宅内发生火灾等突发事件，更是难以逃生。随着嵌入式技术、传感器技术的不断发展，物联网技术越来越多的应用在各个领域，在物联网三层体系结构指导下构建的智能家居安全防护系统，通过智能门禁、智能门窗防盗、煤气监测、火灾监测、远程监控等功能模块，实现更加安全可靠的安全防护功能。

1 整体设计方案

智能家居安全防护系统以物联网的感知层、网络层、应用层的三层体系结构为依据，感知层通过人体探测器、烟雾探测器、可燃气体探测器、门磁探测器、温度传感器等传感器实现安全防护信息的实时采集，采取ZigBee技术构成无线传感器网络；网络层通过嵌入式网关与感知层相连，通信网络包括宽带无线网络、光纤网络和蜂窝网络，本层实现数据交换与通信，将大量感知信息传输给应用层；应用层提供家居安全防护管理平台和运行平台，用户可以在PC机或手机端实时查看家居安全状况，在出现安全问题时，安防系统会及时报警，并通过无线通信网络通知用户，用户可以通过PC机或手机端对传感设备进行开关控制。将无线传感器网络布设在家居环境中，实现无需人为干预、自动检测数据并根据信息处理情况进行预/报警的智能家居安防系统。系统结构图如图1所示。

2 系统的设计

2.1 感知层

智能家居安全防护系统在感知层主要实现家居环境各类参数的有效采集，并保证与网络层的实时信息传输。各数据感测节点以无线传感器网络的形式自动组网，实现数据的有效采集与传输。无线传感器网络（WSN）是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域，从而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测控网络系统。

智能家居安全防护系统中传感器节点涉及烟雾感测、门磁感应、人体探测、温度传感等感测功能，通过协调器组建ZigBbee无线网络，并与ZigBee语音报警器节点无线通信，保证及时预警功能。在正常供电情况下，通过ZigBee无线网络自动将烟雾浓度信息、门磁距离、人体移动信息、室内温度等传感器采集的数据传输给网络协调器。网络协调器经过网关接入Internet、无线通信网络等外部网络。网关对接收的传感器节点数据进行分析处理，将处理后的信息存入嵌入式数据库，方便外部网络进行访问。

2.2 嵌入式网关

网关是连接两个或多个相互独立网络的协议转换器，通常网关每接收一种协议的数据包后，在转发之前将其转换为另一种协议的格式。鉴于本系统是主要实现家居智能安防系统的ZigBee网络与Internet和GPRS等外部网络的数据通信，系统应用环境以静态处理为主，传感节点基本无需移动检测，而且家居环境下设备应体积小、功耗低，本系统选择嵌入式微处理器ARM Cortex-A9为核心实现网关的硬件搭建，通过ARM处理器连接ZigBee协调器、GPRS模块以及Internet互联网，实现ZigBee网络与外部网络的有效互联，保证家居安防系统的实时信息传输。

ARM Cortex-A9处理器相较于ARM之前版本的处理器具有更高的性能表现和应用兼容性，在高性能、低功耗方面表现优异，并有效延长了电池使用寿命，以A9处理器作为网关处理器对提升智能家居安防系统整体效率具有重要作用。为了实现感知设备能够将数据实时传输给终端用户，本系统通过嵌入式网关与Internet互联网连接，通过TCP通信方式传输数据。对于紧急情况的报警通知，则通过ARM网关与GPRS模块相连，拨打预留手机号并发送短信及时提醒。嵌入式网关与各功能模块连接方式见图2。

本系统在嵌入式网关上移植嵌入式Linux操作系统，嵌入式Linux性能优异，方便移植，代码开放，应用产品开发周期短，實时性能稳定。为保证网络互联，还需要在网关上移植TCP/IP协议栈以及ZigBee协议栈，实现对ZigBee网络数据的正确收发与转换，并可以通过Internet互联网与用户远程连接。

2.3 网络层

智能家居安全防护系统能够保证无人值守的情况下自动测控，用户可以远程访问系统及时查看家中情况。网络层通过Wi-Fi以及光纤网络实现与PC机及其他终端设备的连接，用户只需在终端设备上安装客户端应用管理平台，即可随时查看各项家居环境参数；网关还与GPRS模块相连，出现异常则拨打设定手机号并发送预警短信；网关通过ZigBee协调器与语音报警器节点实现无线通信，一旦检测数据异常则及时作出预警。

2.4 应用层

智能家居安全防护系统的应用管理平台既可以在网关上通过交互界面进行管理操作，也可以在移动终端远程查看接收家居安防数据并进行管理控制。本系统不需要人为干预，能够自动检测家居环境参数并实时传输到应用管理平台，出现异常能及时作出预警，通过语音报警器发出报警信号，并通过GPRS模块与关联手机联系，及时提醒。

鉴于家居环境尽量减少空间占用的需求，PC端应用管理平台可直接在A9网关上实现，这样既能保证较小的空间占用，又能方便监测环境的有效部署。本系统在嵌入式网关也实现了可供用户使用的Qt交互操作界面，Qt具有非常优良的跨平台特性，一次编程即可通过交叉编译使程序运行在不同平台上，而且Qt支持目前主流的大部分操作系统，良好的人机交互界面为设计产品增添不少色彩。

安全防护功能可以根据系统使用情况选择不同的情景模式，并设置不同模式下联动工作的无线传感器网络中的传感器节点与其他功能模块，从而实现无人值守的智能防护系统自动检测与预警功能。PC端各情景模式下联动添加的界面如图3所示。

对于家中无人的情形，智能家居安防系统可以将无线传感器网络采集的家居环境参数实时传递给移动终端，移动终端设备上只需要安装客户端程序，通过网络连接智能安防系统，即可实时查看家居安防运行情况，并可以根据需要远程设置不同模式的传感节点与功能模块开关。

3 结语

现代家庭存在越来越多的安全隐患，人们对生命及财产的安全性越来越重视，迫切需要更加安全可靠的家居安全防护措施。本系统以物联网三层体系结构为依据，结合无线传感器网络技术，采用ARM Cortex-A9实现的嵌入式网关与Zigbee网络以及终端设备互联，能够提供智能门禁、智能门窗防盗、煤气监测、火灾监测、远程监控等功能，更有效的满足家庭安全防护、自动报警的需要，同时还提供远程监控的联网防范措施，使得家庭安全防护更加可靠。这种系统模型可以推广到现代家庭中使用，甚至在智能大楼、智能仓储等领域都可以进行推广和移植。

参考文献

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