基于物联网的家庭安防系统设计与实现

白永祥,阴国富

(1.渭南职业技术学院 陕西 渭南714000；2.渭南师范学院 陕西 渭南714000)

基于物联网的家庭安防系统设计与实现

白永祥1,阴国富2

(1.渭南职业技术学院 陕西 渭南714000；2.渭南师范学院 陕西 渭南714000)

针对物联网技术在智能家居中的应用,设计了一种家庭智能安防系统。从家庭安防系统的基本功能、总体架构、主要功能模块及软件编程等方面进行了详细的研究与分析,与同类系统相比较,该系统具有智能安防及远程监控能力,结构灵活、成本低和易于实现等特点,为现代智能家居安防系统设计提供了一种很好的方案。

智能家居；无线传感器；物联网；家庭安防系统

居家安全是人们安居乐业的基础,也是共建和谐社会的重要环节,随着生活水平的日益提高,人们对于居住环境的安全性与可管理性有了更高的要求。传统的安防系统通信多数是采用有线连接方式,这种连接方式线路复杂、容易腐蚀和不方便维护等［1］。近年来,物联网技术在家庭安防系统中得到了广泛的应用,但大多数应用系统只是初步,还没有达到智能监测和远程控制。本文设计了一种智能家居安防系统,融合了无线传感器网络技术、GPRS及Web技术,既可以使用PC机进行远程控制访问,也可以通过手机访问。当用户在室内时可以直接通过PC机控制整个系统的运行,出门在外时可以通过网络实时监控系统,而且当室内环境异常时,该系统可以自动执行短信报警程序,并将报警短信息发送到用户手机上,从而实现真正的智能化,满足用户对家居的安全性、舒适性等需求,具有很好的发展前景。

1 研究现状

家庭安防系统主要目的是保护家居环境安全,目前的安防系统主要是在室内安装红外探测器、烟感探测器和天燃气探测器等实时设备,监测室内环境的各种变化。红外探测器可以探测有无外人闯入,烟感和天燃气探测器主要是探测室内有无起火或燃气泄漏,当不安全事故发生时安防系统能够自动报警,并控制相应的设备实施抢救。还有可以结合门禁系统和可视对讲系统实现防火、防盗,实现真正的安全防范。

1984年,美国出现了世界上最早的智能建筑，后来欧洲、澳大利亚、加拿大和东南亚等经济发达国家也先后提出了各种智能家居安防解决方案,智能家居安防系统得到了广泛的应用。1980年，智能家居的概念被引入到我国,智能家居安防行业得到快速发展,后来,智能家居在中国迅速普及,相应产品也非常成熟，普通居民已经接受智能家居概念和产品。2008年中国闪联标准正式成为全球3C协同领域的第一个国际标准［2］，为中国的智能家居发展奠定了良好的基础［1］,2013年全国大中城市中75﹪住宅实现智能化安全防范。当然，国内还有其它一些优秀的智能家居产品，比如智能家电、智能灯光控制、自动窗帘，兼有多媒体娱乐，在可视对讲、安防报警、环境检测、远程监护和故障反馈等方面做出了比较突出的成绩。

2 系统总体结构

2.1 系统基本功能

1）身份识别功能:通过专用设备采集面部数据、语音特征、指纹信息等多种生物特征，并与数据库中的预存信息进行精确比对,具有安全、灵活、人性化等特点［3］。

2）实时定位功能:通过全球定位系统 （Global Position System，GPS）定位，配合地理信息系统（Geographic Information System，GIS），实现对重要财物,比如:车辆、家庭成员的实时定位跟踪等，从而保证了财产安全和人身安全。

3）移动物体监测功能:实现对室内重点区域的红外线监控，如果发现有移动的物体,则可以认为非法闯入,立即自动完成报警功能。

4）远程视频监控功能:通过流媒体技术，可以在Internet任意节点,比如办公室电脑、手机上查看家中摄像头的监控场景。

5）在线查看安全监测数据功能:把安装的各种监测传感器,组建成一个智能的无线局域网，同时搭建Web服务器,供用户远程查看监控数据。如果超过安全指标时自动向主人短信报警并通知小区物业保安，比如:天然气漏气、火灾引起的烟雾、温度变化过高等。甚至还可以自动打开窗户,启动消防设备,发出报警声等等。

6）房屋外设遭到破坏时自动报警功能:如果门、窗户、玻璃被打破时,可以自动向小区保安中心和向主人报警，发出声光报警,自动启动室内视频监视系统。

设计方案将系统划分为5个子系统:门禁系统、GPS定位系统、移动物体监测系统、流媒体远程监控系统。

2.2 系统的组成

2.2.1 系统的硬件模块

系统由3个模块构成,分别为无线传感器模块、控制器模块和报警输出模块,系统组成如图1所示［4］。

图1 系统组成框图Fig.1 Block diagram of system composition

1）无线传感器模块:由各种监测无线传感器组成,用来对家庭中的各个安全区域进行监测。

2）控制模块:用来控制系统的操作与运行。

3）报警输出模块:当出现安全情况时,报警输出模块发出报警信息。

2.2.2 系统工作流程

整个系统工作流程是这样的:系统启动后,使用遥控设置布防和撤防,如果进行布控,则系统进入安防状态,如果发生险情,则进行报警处理。详细工作流程如图2所示［5］。

3 系统设计

3.1 硬件系统设计

3.1.1 无线传感器选择

无线传感器是家庭安防系统的基础,它的主要功能是采集监测数据,常用的有无线门磁传感器、无线烟雾传感器、红外无线热释传感器和无线遥控器等。

图2 安防系统工作流程Fig.2 Security system workflow

1）门磁传感器:主要监控门窗的开关状态,假如门窗出现移动,那么磁传感器就会发出射特定的无线信号,并向主机报警。由于无线信号包含地址编码和自身识别码,接收板通过识别这个地址码来确定出现危情的传感器种类,再根据自身识别码确定位置。这种无线报警信号最远能传输200 m左右,实际应用时和周围的环境密切相关,由于家居环境的复杂,一般能传输20 m［6］。

2）红外线传感器:用来探测活动的人体。人体都有恒定的体温,一般在37℃左右,发出一定波长的红外线,当有人进入报警区的监视范围内,红外线探测传感器便能探测到周围有人体辐射出的红外线信号,相应电路经检测处理后就能产生报警信号。

3）烟雾传感器:用于对各类早期火灾发出的烟雾及时做出报警。工作状态下,一旦探测到防范空间的烟雾浓度和持续时间达到报警值时,立即蜂鸣器鸣响报警。由于光电式烟雾传感器的报警器工作稳定可靠,性能远优于气敏电阻类的火灾报警器,所以在选购时尽量选择光电式传感器。

4）无线遥控器:用来实现破防与撒防的操作和其它参数的设定。

3.1.2 报警输入模块

报警信号的输出可以采用多种形式,比如:本地声光报警、电话线远程报警和手机发送短信报警等。本地报警虽然可以惊动盗贼,但家中无人时还不能达到报警目的。电话报警虽然方便,但如果入侵者前期切断电话线,报警就无法进行；采用短信方式报警是一种较好的办法,目前比较流行。

3.1.3 控制器

控制器用来控制系统的操作与运行,是整个系统的核心,这里选用LM3S1138核心模块。微控制器LM3S1138是基于ARM CortexTM-M3的32位高性能处理器,能够以传统的8位和16位器件的价位来享受32位的性能,而且所有型号体积很小,能够方便的运用多种ARM的开发工具和SoC的底层IP应用方案,且兼容Thumb2指令集来减少存储容量的需求［7］。

LM3S1138微控制器还具有一个电池备用的休眠模块,从而有效的使LM3S1138芯片在未被激活的时候进入低功耗状态,因此,LM3S1138微控制器极其适合使用电池的应用,且该微控制器成本低、代码兼容性强、灵活性高,能够适应各种精确的需求。

3.1.4 接口设计

智能安防系统主要由各种报警传感器（人体红外、烟感、可燃气体等）及其检测、处理模块组成。入侵检测报警电路及其他火灾、燃煤气泄漏报警电路类似,其中入侵检测报警框图及电路如图3所示，红外线探测报警电路如图4所示［8］。

图3 入侵检测防盗系统Fig.3 Intrusion detection alarm system

图4 红外线探测报警电路Fig.4 Infrared alarm circuit

3.2 系统部分软件设计

3.2.1 主程序

主程序的控制流程如图5所示。

图5 主程序流程图Fig.5 The flow chart main program

部分主程序如下:

3.2.2 布撤防控制程序

如果按下布撤防按钮时,产生中断,系统GPIO-F口中断相应的被打开和关闭,同时使用LED灯的亮与灭或蜂器声音的不同来表示布撤防的成功与否。详细过程如下:

程序主要部分:

3.2.3 传感器中断服务程序

传感器产生中断时,引发中断。进行中断服务后,要确定引发中断的传感器编号,然后再发出相应的报警短信。中断服务程序工作流程如图6所示。

图6 传感器中断服务程序Fig.6 Interrupt service program of the sensor

3.2.4 报警短信发送程序

通过UART接口报警,向GSM模块发送AT命令来实现。短信发送过程是一个AT命令执行的过程,这里将短信的格式设为PUD模式,报警短信部分程序如下:

3.2.5 防盗报警及远程控制软件

系统开机初始化,首先进入开机界面,然后进行参数设置。若直接选择确定则默认原设置,也可对默认设置进行重设。设置完成后,各传感器开始采集、处理参数,在液晶上显示各参数并通过GPRS将数据发送至用户手机,流程图如图7所示,数据短信收发流程如图所示［8］。

图7 远程控制流程图Fig.7 Flow chart of remote control

3.2.6 路由算法的改进

无线传感器网络中的路由算法选择非常重要,它关系到无线传感器网络的整体性能。目前,Zigbee已成为无线传感器网络的基本通信技术,其采用的路由技术成为目前的研究热点问题。AODVjr路由和层次路由是Zigbee最常用的两种路由算法,虽然AODVjr路由算法是首选,但是这种算法时延较长,层次路由算法虽然功耗大,但时延短,所以对于家庭安防这种实时性要求很高的系统来说,选择后者系统的实用性更好。

层次路由的本质是一个树形结构,如果目的节点不是源节点的子节点时,就要先转发给父节点,再由父节点转发,这个过程最差的情况是转发到协调节点（根节点）。改进的方法是为每个节点建立邻节点地址表信息,如果目的地址不是自己的子节点时,就转发给邻节点,以此类推,这样就减少数据包转跳数［9］。算法过程描述如下:

Design and implementation of home security system based on internet of things

BAI Yong-xiang1，YIN Guo-fu2

（1.Weinan Vocational&Technology College,Weinan 714000,China；2.Weinan Normal University,Weinan 714000,China）

Based on the technology of Internet of things in the application of smart home，a home intelligent security system is designed.Research and analysis has carried on the detailed from the basic function of family security system，overall architecture，main function modules and the software programming and so on，Compared with similar systems，the design is intelligent security and remote monitoring ability，flexible structure，low cost and easy to implement，etc.Provides a good scheme for the modern intelligent home security system.

smart home；wireless sensor；internet of things；home security system

TN915.5

：A

：1674-6236（2015）18-0020-04

2014-12-31稿件编号：201412315

陕西省教育厅专项科研计划项目资助(2013JK1085)；渭南市科技创新扶持资金资助(2013JCYJ-6)；渭南职业技术学院青年科研基金项目资助(WZYY201324，WZYY201336，WZZYJY201303)

白永祥（1970—）,男,陕西渭南人,硕士,副教授。研究方向:网络与信息安全。