基于物联网技术的智能家居防护系统设计

余楠 罗亚宾 张倩倩 何月顺

摘  要：针对家庭安全防护问题，文章设计了智能家居防护系统，该设计将智能家居安全防护系统主要分为三层，基于ZigBee网络的感知层、网络层和应用层。传感器节点将采集的信息通过ZigBee网络传输至网关，网关通过Wi-Fi（或有线）与服务器之间相互通信，将信息传输至服务器数据库中并保存，应用层控制端设备通过无线网络远程访问以实现远程监控的目的。

关键词：智能家居防护;物联网;无线传感器网络

中图分类号：TP391.44;TN929.5     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）21-0171-03

Design of Smart Home Protection System Based on Internet of Things Technology

YU Nan，LUO Yabin，ZHANG Qianqian，HE Yueshun

（School of Software，East China University of Technology，Nanchang  330013，China）

Abstract：Aiming at the problem of family safety protection，a smart home protection system is designed in this paper. The design divides the smart home security protection system into three layers：the sensing layer，the network layer and the application layer based on ZigBee network. The sensor node transmits the collected information to the gateway through ZigBee network. The gateway communicates with the server through Wi-Fi（or wired）and transmits the information to the server database and saves it. The application layer control terminal device is remotely accessed through the wireless network to achieve the purpose of remote monitoring.

Keywords：smart home protection;internet of things;wireless sensor network

0  引  言

隨着我国人民的生活越来越趋向于高水平，智能化式家庭的发展也越来越炙手可热，智能化及自动化是将来家居生活的发展目标，同时家庭的安全防护意识也日趋强烈，各种突发情况如火灾，防盗等问题的预警与处理，本文是基于校内的物联网技术应用研究项目进行研究得到的研究成果，通过分析安全问题，设计了家庭安全防护系统，阐述了如何处理突发家庭安全问题。

1  系统体系结构图

智能家居的安全防护系统体系结构主要可分为3层：感知层、网络层、应用层，如图1所示。

感知层、网络层、应用层的具体作用分别为：（1）感知层：感知层的主要作用是“感知”环境参数及各类参数的变化，传感器节点由（红外传感器，可燃气体传感器，温湿度传感器）等构成，这些都是物联网智能家居的最底层，它们不但具有接入传感器网络的功能，同时负责感知各类参数变化，并将变化的信息通过ZigBee网络传输至网关，网关与服务器之间通过TCP/IP连接，会实时将接收到的信息存入服务器中的数据库，以便将信息通过互联网与控制终端交互[1]。（2）网络层：网络层主要负责将感知层感知设备发送的信息接入互联网中。一方面是接受感知层的信息，同时又通过网络接口接入互联网，将信息发送给更高层的应用层以实现远程通信服务;另一方面是应用层发送指令经网络层来控制感知层，网络层包括传感器的自组织网，ZigBee网络等。（3）应用层：应用层主要包括台式电脑、便携电脑、智能手机等终端设备，通过浏览器或者手机APP为远程监控提供窗口，通过网络层远程实时调用服务器中数据库的信息总体设计就是感知层的传感器节点将采集的信息通过路由器的转发汇总至网关，网关再与服务器建立通信，将信息传输至服务器数据库中并保存，终端设备通过无线网络访问以实现远程监控的目的。

2  系统硬件设计

2.1  系统框架图

智能家居防护系统框架如图2所示。

硬件系统分为3个部分：分别是信息采集的传感器节点，用于存储信息的服务器，应用终端（如台式电脑，移动通信设备）。在ZigBee网络下，主要实现3个部分之间的信息传输与通信，即传感器监测节点，路由器，协调器之间的信息传输与通信，目的是实现家庭安全问题采集、存储以及网络内的数据传输。数据传输的过程为：协调器通过网关与服务器建立通信连接，将获取的数据传输给服务器;服务器实现数据的分析处理并对数据进行存储;应用终端访问服务器并根据需要来调取服务器中的数据。

2.1.1  传感器节点

在家庭防护监测系统中，传感器节点主要担任采集各类数据的任务，并将这些数据在ZigBee网络传输协议下传输至路由器中，或者接收来自路由器的数据采集命令并执行操作。

2.1.2  路由器

本设计为了加强ZigBee网络的稳定性，加入了路由器[1]。路由器的主要作用是负责完成网络层中数据的中转，其既要与传感器节点之间建立通信，接收来自传感器节点采集的各类数据，又要将数据汇总并与于网关通信，将数据传递给网关。

2.1.3  协调器

在ZigBee网络中，协调器主要职责是管理整个网络，其在与路由器建立通信后，需要收集并汇总所有传感器节点采集的数据，再将汇集的所有信息发送给网关及服务器进行存储。同时协调器还可以接收服务器下达的命令，并通过路由器转发到各个传感器节点。

2.2  传感器节点硬件

本设计选用TI公司的ZigBee芯片CC2530F256作为传感器节点的控制芯片，此芯片射频部分采用2.4 GHz频段。其也是TI公司专门设计的一款基于IEEE 802.15.4协议的芯片，并适合星型、树型或者网状网络的芯片[1]。

传感器节点硬件框架如图3所示。其中控制部分是由CC2530F256芯片实现。信号处理电路实现传感器与CC2530F256芯片通信的信号处理，电源模块为整个系统提供能量管理。

传感器采集各类安全信息通过信号电路放大，再由接口转发给CC2530F256芯片进行处理[1];CC2530F256芯片先把接收到的数据通过自带的A/D接口转换器进行处理，然后通过ZigBee网络发送给协调器;电源模块则为整个系统供电。

2.3  传感器电路模块设计

2.3.1  温湿度传感器电路模块

所采用的数字温湿度传感器是DHT21。该产品具备品质好、反应快、低成本、抗干扰能力极强等特点[1]。DHT21与外部MCU的连接如图4所示。

假如连接线长度在20 m以内时，其采用5 kΩ的上拉电阻;若在长度大于20 m时，则要根据实际情况采取适宜阻值的上拉电阻，应用时常常在电源引脚和地引脚之间加一个100 nF的滤波电容，起到稳压的作用。DHT21所需求的供电电压为3～5.5 V，但在本设计中采用供电电压为5 V的电源为其供电[1]。外部MCU通過DHT21读取数据的引脚是DATA，DATA采用的是一种单总线接口，其一次读取温湿度数据的操作大约花费是5 ms，读取速度快，能很好地达成本系统的要求[1]。

2.3.2  可燃气体传感器电路模块

可燃气体的种类很多，其中包含：天然气、甲烷、氢气、一氧化碳等。可以采用MQ-X型气敏元件用来检测这些可燃气体[1]。MQ-X型元件电路中DOUT采用的是TTL电平输出，当检测到这些可燃气体值超过预定值时，该引脚便输出低电平[1]。AOUT是模拟输出，通过将该引脚与外部微控制器的ADC引脚相连接，而后采用模数转换器采集目前的气体浓度。

2.3.3  人体红外传感器电路模块

人体红外传感器则是应用的是基于红外线技术的SS-101模块，该模块具有高灵敏度，强可靠性[1]，符合系统要求。工作原理是当其感应到有人进入其检测范围时，人体红外传感器会通过感应红外光谱的变化，然后将输出引脚的电位拉高，并持续到该感应区域还是否有红外光谱变化，负载会在延时开关的作用下主动封闭[1]。SS-101模块的供电电压为4.5～20 V之间，本设计中统一采用电源电压为5 V为传感器节点进行供电。人体红外传感器SS-101模块接入CC2530F256芯片的电路连接图如图5所示。

3  系统软件设计

整个系统软件包含感知层的传感器节点数据采集处理，网关的协议转换和终端应用层软件，其中感知层负责数据采集处理，网络层负责数据传输，网关负责数据及协议的转换，服务器负责数据存储及分析，终端应用层的软件系统控制界面负责数据显示，实现与用户的交互[2]。本系统的软件流程图设计如图6所示。

该系统数据处理的流程包括：（1）数据采集处理过程：主要包括CC2530F256芯片中控制A/D转换，数据处理，数据处理等过程。（2）数据传输过程：主要包括基于ZigBee网络中的传感器节点之间的通信，节点通过路由器的转发，路由器与协调器之间通信的过程;再者就是数据由协调器通过网关与外部服务器之间建立通信，终端对服务器数据的调用等[3]。（3）数据存储及分析：服务器将接收的数据进行分析并结构化存储在数据库中，以便以后查询。（4）数据显示：可通过在终端设备上制作一个上位机的交互软件，用户可以实时查看到有用的安全信息，连接数据变化情况[3]。

4  结  论

设计主要采用ZigBee和Wi-Fi无线通信技术，本系统为家庭安全防护系统的建设提供了一种便利的方案，系统从整体上考虑家庭的实用性，稳定性和成本，本设计采用的CC2 530F256及其他硬件，正符合上述实际需求，能长时间实时监测防护安全，避免了家庭突发的安全事故，具有良好的开发性和实用性。当然对于一套完善的智能家居防护系统，以上功能还存在不足，未来还可以在保证成本、稳定性等前提下针对消防安全、用电安全等安全隐患的预警等方面拓展系统功能。

参考文献：

[1] 许毅，陈立家，甘浪雄，等.无线传感器网络技术原理及应用 [M].北京：清华大学出版社，2015.

[2] 梅志坚，马娅婕，肖凡男.基于ZigBee和GPRS的大气污染监测系统设计 [J].武汉科技大学学报，2015，38（1）：63-66.

[3] 廖建尚.物联网平台开发及应用 [M]：北京：电子工业出版社，2016.

作者简介：余楠（1996—），男，汉族，江西上饶人，本科，主要研究方向：物联网技术、嵌入式系统;罗亚宾（1974—），男，汉族，江西南昌人，教师，硕士研究生，主要研究方向：物联网技术、网络安全、嵌入式系统;张倩倩（1997—），女，汉族，江西南昌人，本科，主要研究方向：物联网技术、嵌入式系统;何月顺（1971—），男，汉族，湖南永州人，中共党员，教授，博士，主要研究方向：无线传感网络与物联网技术、大数据分析与智能信息处理、软件工程与理论。