基于无线传感器网络的智能家居安防系统

颜 正

中国地质博物馆 北京100037

引言

随着社会的不断进步,科学技术越来越为人们熟知,并逐步融入人们的日常生活中。而高新技术产品的应用,虽然使人们的生活更加方便,但便利的同时也给我们的家庭带来了许多安全隐患。由于电器线路短路造成的漏电、充电使用不当导致的电池自燃爆炸、煤气管道泄漏等等,这些无一不威胁着人们的生命。

一、研究背景

以往的智能家居系统多数是通过被动模式来实现防护功能,一般是借助有线连接来进行交互,除了要有专业的人员以及公司去安装和维护,还需要较高的施工成本。同时存在施工周期长、系统灵活性比较差以及缺乏充足的扩展功能等问题,无法有效的解决用户更新升级等很多问题。而通过无线传感器网络技术作为基础,凭借节点分布广泛,系统稳定性强,对安全数据采用多种响应机制和算法,单一的节点故障不会影响系统的整体性能,以此对家庭环境参数进行远程监控,可以有效提高运行效率,降低维护成本。将低功耗、低成本、自组织、短距离的传感器网络技术应用于智家居安防系统,可极大地提高其灵活性和扩展性,解决旧式家庭安防系统存在的诸多问题。因此,基于无线传感器网络的家居安防系统,已经成为未来家庭安全稳定可靠的关键因素,在充分满足人们对安全生活的需求这一前提下受到广泛关注。

家庭安防产品在国外普及率达到85%,是欧美家庭必需品,在国内也逐渐为人熟知。本文的研究背景正是基于无线传感网络,对整个家庭实行实时监测,采集与家庭环境的相关环境信息,监测窗户及门禁,通过网络发送给服务器进行数据分析与统计,并采取相应的措施,以达到保证家庭安防监控要求。

二、原理与设计

1.系统原理。通常来说,智能家居安防系统是综合运用网络技术、模块插入技术、传感器技术等多种信息技术的集合,而无线传感器网络和感测技术为其中的关键。要实现安防功能,首先要在控制中心进行网络节点布局工作,通过列出清晰的结点数目使感光元件、温度元件、湿度元件和热红外元件建立对应关系,再利用计算机、工作站、信息模块等设备在整个控制中心的指挥下,相互作用,通过一定的协议连接在一起,形成一套综合智能家居安防系统。

2.系统设计(1)基本功能

①门禁识别。可以分为两种情况:允许他人进入并通过红外线向门禁系统发出信号,系统将采集图像与库中存储的数据进行对比和协调,验证成功后才开门锁;或经信息比对后,系统发现没有匹配信息,于是通过多台摄像机获取人脸图像发给安全监控系统控制中心,经人工识别后决定是否遥控开锁。

②火灾警报。传感器节点设置不同的火灾探测数据指标。火情发生后触动传感器节点,探测到的火警数据超过传感器标定值时,会自动传送火警信息。

③系统相关数据分析与决策。通过对温湿度传感器、烟雾传感器数据的采集,对火灾的概率及时间进行统计并分析,并对用户作出相应提示。

(2)性能需求

硬件环境:1).采集节点:温湿度传感器、烟雾传感器、红外对射传感器、人体红外传感器等。2).受控节点:继电器、风扇、摄像头(DS-2204I W-DE3/W或以上)。3).网关:esp8266。4).服务器:PC机。5).Web终端:手机。

在无线通信芯片的具体选择上,首先考虑数据在传输过程中是否需要在曼彻斯特编码;其次是无线通信功耗是否满足要求;再次是无线通信芯片外围电路设计是否合理简单;最后是无线通信芯片的发射功率是否满足要求;最后是接收灵敏度为460db m。可采用单端鞭状天线或PCB环形天线作为无线信道天线。该NRF905由晶体振荡单元,电源管理单元,低噪声放大单元,功率放大单元,频率合成单元组成。所以n RF905只需要很少的外设就能完成无线信道外设的设计,NRF905在无线数据传输中能自动处理前缀和校验循环冗余码,而曼彻斯特芯片的硬件可以自动完成编码。其与n RF905的接口采用SPI串行型外部接口,单片机设置了单片机与n RF905 的通信速率。NRF905 对协议进行封装,并通过NRF905的内部硬件实现。该结构能够极大地提高数据无线传输的速率,减少无线信道的平均电流消耗。如果n RF905 以shockburstrx模式运行,则n RF905通过地址匹配信号(AM)通知MCU;如果n RF905处理的是有效包,则n RF905通过就绪信号(DR)通知MCU。以shockbursttx模式,n RF905将在数据发送之前自动添加CRC校验码和前导码,而n RF905 将通过一个Dr信号通知MCU数据传输完成。在n RF905切断电源后,无线信道停止工作,进一步降低了电流消耗,使电流消耗最小(小于2.5 MW),可极大延长了电池的使用寿命。

软件环境:

1).采集节点和受控节点:编程语言及工具:IAR 开发环境,使用C语言

2).网关:操作系统:Linux

编程语言及工具:C/C++语言,使用Qt开发平台

3).服务器:数据库系统:mysql

编程语言及工具:C语言,Linux下的vi m

4).Web终端:编程语言及工具:java语言,使用To mcat Drea mweaver开发环境

(3)运行程序

A.节点采集数据并发送给网关-＞网关将数据发送给服务器-＞

服务器对数据进行分析处理-＞通过网关向下实现现场处理

B.Web终端从网关获取到数据

三、结语

智能家居安防系统具有稳定性高、误报率低、安全便捷、操作简单等特性,能让用户在任何可以连接到网络的地方查看室内的可燃气体浓度、温湿度、光照强度等情况。异常情况推送及后台自动处理能为用户实时掌握室内情况提供帮助并进一步提供安全措施,用户可以远程调用视频数据实时查看导致异常出现的原因,进而为保护家庭成员的生命财产安全提供更多可靠依据。在现代智能家居安防系统设计中有重要的参考价值。