基于物联网的智能家居家庭安防系统设计与实现

◎潘晓贝

（三门峡职业技术学院 电气工程学院，河南 三门峡 472000）

随着国民经济的快速发展和科学技术的进步，人们的生活水平在不断进步，各式大型家电和以天然气为能量原料的家居设备已经进入千家万户，这些设备在给人们的生活带来便利的同时，也存在着一定的安全隐患，家庭安防系统就变得更加重要了。为了满足人们的需要，各种各样的家庭安防报警系统被不断开发和应用，传统家庭安防系统往往功能单一、误报率较高、不能实现实时远程报警。虽然近年来智能家居发展迅速，市场上也已经出现了智能家居产品，家庭安防系统作为智能家居系统的一个最重要的子系统也有很大改进，但是还存在以下问题：价格昂贵、系统扩展困难、系统稳定性不高、系统安全性不高等[1]。笔者结合物联网思想，将物联网技术和家庭安防系统联系起来，研究当前流行的ZigBee无线传感技术、Wi-Fi技术和GSM技术，通过ARM嵌入式系统，将三种网络技术综合运用，设计开发出一套实用的智能家居家庭安防系统。该系统通过ZigBee无线传感器网络检测是否有燃气泄漏、火灾事故、非法入室等意外事件，如果有意外事件发生，ZigBee无线传感器网络就会将采集到的信息发送到ARM主控中心，主控中心识别处理后就发出指令，蜂鸣器会发出报警信号[2]。同时，一方面利用GSM技术将事件信息通过移动通信网络发送到主人的手机；另一方面，利用Wi-Fi将事件信息通过互联网发送到物业的主机，以使物业能及时采取措施，保证业主的安全、减少业主的损失。与其他安防系统相比较，该系统具有成本低、结构灵活、扩展方便、容易实现、稳定性高等优点，并能实现实时远程报警，是实现智能家居家庭安防系统的很不错的方案。

1 物联网及其体系结构

物联网（Internet of Things）即物与物的互联，它采用计算机技术、无线传感器技术、RFID无线射频识别技术等新技术，以互联网为基础，实现人与物、物与物的“交流”。物联网技术的应用，将使人们的生活变得更加舒适、智能。

物联网的体系架构可以分为感知层、网络层（传输层）、应用层。感知层的作用是感知、采集物理世界的各类信息，并利用通信模块实现物理实体和网络的连接[3]。网络层的功能是完成信息的传递、路由和控制[4]。应用层主要由各种物联网应用、基础设施和中间件构成[5]。

2 家庭安防系统的总体设计

2.1 系统功能

本文设计的基于物联网智能家庭安防监测系统主要监测的参数对象有：燃气等有害气体泄漏、火灾烟雾及偷盗等非法侵入。本系统主要有以下三个方面的功能：一、监测燃气泄漏并报警，在厨房安放可检测燃气泄漏的气体烟雾传感器MQ-2，当监测到天然气浓度大于一定值时[6]，系统将自动报警，同时通知业主和物业，以便及时采取措施，确保业主生命安全；二、监测火灾烟雾并报警，在室内的每一个房间安装对烟雾也非常敏感的传感器MQ-2，传感器检测到火灾烟雾后会立即向主控中心发出信号，主控中心会立即发出指令通知业主和物业，从而有效减少火灾给人们带来的生命财产危害；三、检测非法入室并报警，将人体红外传感器安装在入户门口和每个窗户的隐蔽位置，当有不法分子试图入室行窃，人体红外传感器会立刻把信息发送到主控中心，主控中心会立即发出指令，在报警的同时通知业主和物业，从而有效地避免业主的财产损失，也能有效减少入室盗窃的发生。

2.2 系统结构

根据设计的基于物联网的智能家庭安防系统实现的功能，确定本系统的整体框架结构，如图1所示。整个系统分为五大模块，第一部分是主控模块，这是硬件系统的核心，整个系统的控制功能都是由主控模块实现的，主控模块的核心就是STM32单片机，即ARM芯片STM32F103RBT6。第二部分是电源模块，电源模块对整个系统进行供电，以保证系统正常工作。第三部分是ZigBee无线传感模块，本系统利用不同类型的传感器监测室内环境中的不同参数，利用ZigBee无线传输技术将各类传感器组成无线传感网络，保证将采集到的事件信息发送到主控中心。第四部分是Wi-Fi模块，此无线Wi-Fi传输模块与主控STM32单片机是通过串口连接，保证将传感器采集到的信息通过Wi-Fi发送给物业。第五部分是GSM模块，GSM模块和主控中心连接，实现将事件信息通过移动通信网络以短信形式发送到用户手机。

图1 系统整体结构框架

3 系统硬件设计

3.1 主控芯片选择

本文设计的智能家居家庭安防系统，要求能够实现家居中意外事件的监控、预警、报警。结合系统需求，本系统选意法半导体公司的STM32F103RBT6作为核心芯片，此芯片资源丰富，集成度高，功能强[7]。该核心芯片包含20K SRAM、128K FLASH以及不同功能的定时器、DMA控制器、12位ADC和12位DAC以及通用接口等其他资源。此款芯片不但资源丰富，还具有很好的实时性能和功耗控制，故将其作为本设计的智能家庭安防系统的核心控制芯片。

3.2 电源电路

系统主控芯片STM32F103RBT6要求3.3V供电，传感器模块需要5V供电，故本系统电源部分设计了3.3V电源电路和5V电源电路。3.3V电源电路由两个LM317三端集成稳压器及其外围电路将12V电压转换为3.3V电压输出，如图2所示；5V电源电路直接选用了直流/直流转换器2359芯片，将输入12V直流电压转换为5V直流电压输出。

图2 输出3.3V电源电路

3.3 Wi-Fi模块电路设计

现如今，Wi-Fi已经在城市中的绝大多数家庭普及，它可以把PC机等终端设备连接到网络。市面上的Wi-Fi模块有很多种类，本系统选择海凌科有限公司的第三代嵌入式Uart-Wi-Fi模块：HLKWIFI-M03。该模块内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户串口数据到无线网络之间的转换。在电路连接上，Wi-Fi模块HLK-WIFI-M03的第6引脚（RXD）与主控芯片STM32的第78引脚（PC10）相连，HLK-WIFI-M03的第7引脚（TXD）与主控芯片STM32的第79引脚（PC11）相连。

3.4 GSM模块电路设计

本系统选用深圳合方圆的GSM产品：GU900D GSM/GPRS模块，能够实现短信、语音、数据等业务。该模块具有标准AT指令和支持多种协议的AT指令以及合方圆增强AT指令。该模块具有高度稳定可靠、开发便捷高效等优点，有良好的用户体验。该模块的9引脚是串口通信数据发送引脚，10引脚是串口通信数据接收引脚，分别连接主控芯片STM32的RXD4和TXD4端，通过AT指令集通信。

3.5 ZigBee无线传感模块硬件设计

3.5.1 ZigBee模块的选型

本系统中，考虑采用CC2530作为基于ZigBee的无线传感器节点和数据汇聚节点的核心控制模块。CC2530是TI（德州仪器）新一代SOC，兼容IEEE802.15.4，是高集成度、高性价比的ZigBee解决方案。与上一代SOC射频芯片CC2430相比，CC2530在很多方面有非常大的提升，比如：功耗更低、抑制射频噪声能力更强、ESD防护能力更强、地址识别能力更强、强大的数据包处理引擎、更小的封装等方面[8]。

3.5.2 气体泄漏和烟雾检测传感器电路设计

家居生活中天然气等可燃气体为人类生活带来了很大的便利，但一旦发生泄漏可能会导致严重的危害。若这些可燃气体泄漏再遇到明火，就会发生爆炸、火灾等严重事故。本系统中选择气体、烟雾传感器MQ-2监测环境中的气体，当环境中存在可燃气体时，传感器的电导率会增大，利用这一特性[9]，使用简单的电路转换可将电导率的变化对应为气体浓度的输出信号。MQ-2传感器可检测包括天然气在内的多种可燃气体，具有灵敏度高、可靠稳定等特性。另外，此MQ-2传感器对烟雾异常敏感，用它还能实现火灾烟雾的检测。本系统中采用MQ-2传感器实现气体（如天然气）泄漏检测和火灾烟雾检测。MQ-2气体、烟雾传感器电路原理图如图3所示。

图3 MQ-2烟雾传感器电路原理

3.5.3 人体红外传感器模块

本系统选用HC-SR501人体红外传感器，该传感器利用红外线技术实现室内不法分子非法进入的检测，并能实现自动控制。该模块工作电压范围宽（直流4.5V-20V之间）；功耗很低很节能；触发方式灵活；有温度补偿功能可以解决温度升高引起的检测距离缩短的问题。最重要的是该模块能实现自动感应，有人非法进入时输出高电平信号，有人离开感应区间或感应区域内无人进入时输出低电平。HCSR501传感器外接端第1、3端分别接电源正极和负极，2端为输出 （高电平或低电平），H、L为触发方式选择（H为可重复触发，L为不可重复触发）。

3.6 串口电路设计

本系统中设计了串口电平转换电路，这是为了解决各模块设备输出电平不匹配的问题。本系统选用MAX3232来设计串口电平转换，选用的串行接口是9针的RS-232，设计电路如图4所示。Wi-Fi模块连接MAX3232的9引脚和10引脚；GSM模块连接MAX3232的11和12引脚。ZigBee无线传输模块与主控芯片STM32的正常通信也是基于此串口转换电路中串行接口的连接。

4 系统软件设计

本系统软件设计的重点是关于ZigBee无线模块的软件设计，其功能是ZigBee协调器和终端设备的迁移，基于Z-Stack协议栈实现。

图4 串口电平转换电路

ZigBee无线传感网络由一个协调器和多个路由器多个终端组成，其核心是协调器。协调器主要作用是选择一个相对空闲的信道以启动网络，所以网络的组建和数据的转发都是由协调器完成。协调器组好网后，再通过软件程序实现各终端设备和协调器的绑定。ZigBee无线传感网络组建详细流程如图5所示。

图5 ZigBee无线传感网络组建流程

5 系统测试

本项目设计的家庭安防系统中居室内环境参数的监测和数据传输采用ZigBee无线网络技术，因此，主要对ZigBee无线网络的性能进行测试。分别进行了有障碍和无障碍测试，具体测试结果见表1和表2。

表1 无障碍测试结果

表2 有障碍测试结果

从测试数据中可以看出，无障碍物时数据在居室内传输120m，丢包率为0%，在有障碍物时，穿越两堵墙，丢包率只有1.2%，说明该ZigBee无线传感网络基本能实现可靠通信。可见，本系统利用ZigBee无线传感网络来检测、传输事件信息，其与主控芯片的通讯通过串口实现，相对于其他家庭安防系统，本系统在通讯的稳定性上有明显优势。

6 结束语

本系统基于物联网思想，采用ZigBee无线传感技术、GSM网络技术和Wi-Fi无线通信技术，通过ARM嵌入式系统将三种网络技术综合运用，设计开发出了一套实用的智能家居家庭安防系统，并进行了系统测试。测试结果表明，系统通信基本稳定，无障碍时可稳定传输120m，有障碍时隔两堵墙也可基本实现稳定传输。本文设计的基于物联网的家庭安防系统，既克服了传统家庭安防系统功能单一、扩展困难、误报率高、不能实时远程报警等缺点，又在系统通讯的稳定性上较现有其他安防系统具有明显优势。本系统能够有效地起到意外事件的预防、报警作用，从而有效保障人民群众的生命安全和居家财产安全，有很好的市场应用前景。