蔣春利，李政林，羅文廣，寧健飛，羅植升

（廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西 柳州 545006）

智能家居監(jiān)控及安防系統(tǒng)設計

蔣春利，李政林，羅文廣，寧健飛，羅植升

（廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西 柳州 545006）

針對傳統(tǒng)的智能家居監(jiān)控及安防系統(tǒng)成本高、效率低、傳輸距離受限等特點，采用ZigBee模塊組建無線節(jié)點，通過以太網模塊HLK_RM04進行網絡連接，構建物聯(lián)網的遠程數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，實現(xiàn)對智能家居的遠程監(jiān)控。考慮到系統(tǒng)的抗干擾性和對數(shù)據(jù)的響應速度，使用移動終端通過云端連接技術進行數(shù)據(jù)的遠程傳輸，實現(xiàn)真正實時、實用、高效的智能家居監(jiān)控及安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)由監(jiān)控終端主機、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測從機、車庫安防監(jiān)控從機和云服務四部分組成。測試結果表明，系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟包率較低、性能穩(wěn)定、系統(tǒng)功耗小、操作簡單，具有較高的實用價值。

物聯(lián)網；智能家居；監(jiān)控；安防；云端；終端；丟包率

0 引言

隨著科技的迅速發(fā)展，社會逐漸步入了智能信息化的時代。傳統(tǒng)的智能家居監(jiān)控及安防系統(tǒng)通常采用以下兩種監(jiān)控模式：一種是以全球移動通信系統(tǒng)（global system for mobile communication，GSM）為核心，實現(xiàn)異地信息報警的監(jiān)控系統(tǒng)［1-4］，但其缺點是短信收發(fā)效率低、成本高，且不能進行實時監(jiān)控；另一種則是以局域網為核心的監(jiān)控系統(tǒng)，但是數(shù)據(jù)傳輸距離受限，并不能進行真正的遠程監(jiān)控。以上兩種監(jiān)控模式都很難滿足人們的需求。

為了解決這一難題，本文以物聯(lián)網技術為核心，在打破傳統(tǒng)的傳輸效率低下、距離受限等缺點的前提下，結合以太網/GPRS進行無線和有線間的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了真正意義上的遠程監(jiān)控。在此設計系統(tǒng)中，HLK_RM04以太網模塊使用的是單獨CPU，這樣做的好處是：不僅增強了系統(tǒng)的抗干擾性，還提高了系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的響應速度。當用戶終端通過GPRS或WiFi連接云服務器，Ping通網絡，即可進行實時數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)真正遠程的智能化家居監(jiān)控及安防的目的。同時，系統(tǒng)也能達到智能監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展所需數(shù)字化、網絡化、智能化的安全管理目標［5-8］。

1 系統(tǒng)方案的總體設計

系統(tǒng)主要由監(jiān)控終端主機、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測從機、車庫安防監(jiān)控從機和云服務四大部分組成。監(jiān)控終端主機部分主要負責室內環(huán)境參數(shù)采集、通過ZigBee與從機進行無線通信、控制家居內的家電、通過網絡模塊與用戶終端通信等。環(huán)境參數(shù)監(jiān)測從機部分則主要負責家居室外的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，例如：溫濕度、PM2.5、光照強度等，把所采集到的數(shù)據(jù)通過路由節(jié)點發(fā)送給監(jiān)控終端主機。車庫安防監(jiān)控從機部分主要負責對車庫環(huán)境進行安防監(jiān)控，把安防預警信息發(fā)送給監(jiān)控終端主機。云服務則由HLK_RM04網絡模塊的供應商提供。系統(tǒng)的遠程終端設備可以是計算機或手機，用戶終端軟件通過有線連接（寬帶）或無線連接（WiFi或GPRS）匹配上云服務器秘鑰后，即可通過遠程網絡進行數(shù)據(jù)收發(fā)，從而對家居進行實時監(jiān)控，保證家居環(huán)境的安全、可靠［9-11］。

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Overall block diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)監(jiān)控終端主機的方案設計

監(jiān)控終端主機框圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)控終端主機框圖Fig.2 Block diagram of the host of monitoring terminal

系統(tǒng)監(jiān)控終端的主機由STM32F103ZE處理器、ZigBee無線傳輸模塊、溫濕度和可燃氣體傳感模塊、MP3及語音播放模塊、SD卡數(shù)據(jù)儲存模塊及TFT顯示模塊等組成。

監(jiān)控終端主機主要執(zhí)行以下任務。

①采集家居室內環(huán)境參數(shù)（例如：廚房內的溫濕度、可燃氣體濃度等）；

②使用GUI編寫觸摸界面，用于家居設備控制、安防監(jiān)控設備以及系統(tǒng)設置等功能的選擇；

③通過ZigBee無線協(xié)調節(jié)點和各路由器節(jié)點進行數(shù)據(jù)收發(fā)；

④處理用戶終端（手機或計算機）通過遠程網絡發(fā)送過來的指令；

⑤通過SD卡存儲預警信息，并通過網絡模塊將信息發(fā)送到用戶終端。

2.2 環(huán)境監(jiān)測從機的方案設計

環(huán)境監(jiān)測從機使用STM32F103C8T6作為處理器，以光照強度傳感器、氣壓計傳感器、人體紅外感應傳感器、PM2.5傳感器等作為信息獲取單元，把采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線路由節(jié)點發(fā)送給監(jiān)控終端主機。環(huán)境監(jiān)測從機框圖如圖3所示。

圖3 環(huán)境監(jiān)測從機框圖Fig.3 Block diagram of the environment monitoring slave

2.3 車庫安全監(jiān)控從機的方案設計

車庫的安防主要借助人體紅外感應模塊與超聲波模塊來實現(xiàn)。人體紅外感應模塊采用的是HC_SR501，用來監(jiān)測是否有人撬門而進；超聲波模塊采用的是HC_SR04，用來監(jiān)測車輛位置，以確保車輛是否安全。從機處理器引腳PB6、PB7分別連接HC_SR的 Ttig、Echo 引 腳 （PA1、PA2連 接 的 是 另 一 模 塊HC_SR04），通過定時器中斷方式來獲取數(shù)據(jù)，而處理器引腳PA7連接HC_SR501的引腳，通過判斷高低電平進行監(jiān)測。

車庫安防電路圖如圖4所示。

圖4 安防電路圖Fig.4 The circuitry of security system

假如當前有人偷車，負責安防監(jiān)測的傳感設備就會把經處理器處理后的預警數(shù)據(jù)，通過ZigBee無線路由節(jié)點發(fā)送到監(jiān)控終端主節(jié)點的協(xié)調器，從而傳送給終端主機。終端處理器接收完數(shù)據(jù)后會執(zhí)行一個判斷操作，確認無誤后，將執(zhí)行語音報警、信息存儲功能，并通過網絡模塊把預警信息發(fā)送給用戶終端進行提示。

車庫安全監(jiān)控從機框圖如圖5所示。

圖5 安全監(jiān)控從機框圖Fig.5 Block diagram of the security monitoring slave

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)監(jiān)控終端主機的程序設計

系統(tǒng)監(jiān)控終端主機的軟件設計部分主要包括使用GUI編寫TFT觸摸屏界面，采集處理溫濕度和可燃氣體濃度等數(shù)據(jù)，通過串口控制ZigBee無線協(xié)調器接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。假如室內意外事件觸發(fā)了系統(tǒng)安防或環(huán)境預警功能，處理器根據(jù)接收到的信息（數(shù)據(jù)）進行判斷確認后，通過網絡模塊HLK_RM04將預警信息（數(shù)據(jù)）發(fā)送給用戶終端（手機或PC機）進行提示；通過SD卡存儲有效數(shù)據(jù)，并執(zhí)行語音預警播報功能。

監(jiān)控終端主機程序流程圖如圖6所示。

圖6 主機程序流程圖Fig.6 Flowchart of the program of host

3.2 環(huán)境監(jiān)測從機的軟件設計

3.2.1 室外環(huán)境參數(shù)軟件設計

環(huán)境監(jiān)測從機通過STM32F103C8T6處理器采集家居室外環(huán)境的溫濕度、光照強度、PM2.5濃度及大氣壓值等數(shù)據(jù)，對家居環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測。數(shù)據(jù)采集中涉及單總線、IIC、SPI等數(shù)據(jù)通信協(xié)議和A/D采樣等采集方式以及滑動濾波、補償濾波等復雜算法［5］。室外環(huán)境參數(shù)采集處理程序流程圖如圖7所示。

圖7 參數(shù)采集處理程序流程圖Fig.7 Flowchart of the parameter collection and processing program

3.2.2 門禁及大門安防監(jiān)控軟件設計

門禁及大門安防監(jiān)控設計程序流程圖如圖8所示。單片機通過控制NG955舵機實現(xiàn)門禁功能，而大門安防部分主要是通過使用人體紅外感應模塊對人體進行紅外感應監(jiān)測，判斷是否有人靠近大門，從而選擇是否開啟系統(tǒng)安防預警提示功能，從而達到監(jiān)測大門環(huán)境是否安全的目的。

圖8 安防監(jiān)控設計程序流程圖Fig.8 Flowchart of the security monitoring program

3.3 車庫安防監(jiān)測從機的軟件設計

車庫安防監(jiān)控系統(tǒng)主要負責車庫安防監(jiān)控功能，STM32F103CBT6處理器實時讀取人體紅外感應模塊及超聲波模塊數(shù)據(jù)。假如有人靠近車庫大門時，紅外感應傳感器將輸出高電平信號給單片機，而超聲波模塊負責檢測車輛位置。假如HC_SR04模塊測量到與車輛的距離超出預定值，CPU進行再次確認之后，便通過Zig－Bee路由節(jié)點將預警信息發(fā)送到監(jiān)控終端主機的協(xié)調節(jié)點，終端處理器再把信息發(fā)送到用戶終端設備進行提示，從而實現(xiàn)家居的安防監(jiān)控預警功能。

車庫安防監(jiān)控從機的軟件程序設計流程圖如圖9所示。

圖9 監(jiān)控從機程序流程圖Fig.9 Flowchart of the monitoring slave

4 系統(tǒng)測試與結果分析

當系統(tǒng)終端主機進入到環(huán)境監(jiān)測界面后，按下接收按鍵，主機便可通過ZigBee無線傳輸獲取環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并通過觸摸屏進行顯示，然后把子節(jié)點逐漸遠離主節(jié)點。主節(jié)點通過RS-232連接計算機串口，由上位機收發(fā)數(shù)據(jù)，根據(jù)配置CC2530模塊不同的波特率、無線信道等進行測試。但由于系統(tǒng)的波特率為115 200 Kbit/s，無線信道為11.240 5 MHz，故只需在該模式下進行不同環(huán)境及距離長短測試即可。

表1為室內外空曠條件下的ZigBee無線傳輸數(shù)據(jù)測試結果。

表1 測試結果Tab.1 The test results

由表1的測試結果可知：ZigBee無線傳輸模塊在空曠的環(huán)境下，通信距離長達350 m，在100 m距離內丟包率非常低，且數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性也比較高，性能比較穩(wěn)定。

5 結束語

本文提出了基于物聯(lián)網的智能家居監(jiān)控及安防系統(tǒng)。系統(tǒng)以ARM處理器為控制核心，結合物聯(lián)網技術、互聯(lián)網和GPRS網絡搭建遠程數(shù)據(jù)傳輸平臺，實現(xiàn)對智能家居的遠程監(jiān)控。所采用傳感單元設備采集數(shù)據(jù)經濾波處理后，準確度相對提高。針對無線傳輸過程中會受到外界干擾的現(xiàn)象，本文在不同環(huán)境下進行了丟包率測試，ZigBee無線傳輸距離和丟包率結果均在預期范圍內。根據(jù)人體紅外感應模塊及超聲波模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行判斷，一旦發(fā)現(xiàn)異常，就會進行語音播報和短信提示。本設計可以廣泛應用在室內環(huán)境監(jiān)測領域，包括住宅室內、教室、辦公室等場合。

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Design of the Smart Home Monitoring and Security System

JIANG Chunli，LI Zhenglin，LUO Wenguang，NING Jianfei，LUO Zhisheng
（School of Electrical and Information Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China）

In order to overcome the shortcomings of the traditional smart home monitoring and security systems，such as high cost，low efficiency and limited transmission distance，ZigBee module is used to set up the wireless node，and Ethernet module HLK_RM04 is used for network connection，and remote data communication system of IOT is constructed to realize remote monitoring of smart home.Considering the anti-interference capability of the system and the response speed of the data，the mobile terminals are used for remote data transmission through cloud connection technology，thus realize the real-time，practical and efficient smart home monitoring and security system.The system consists of four parts:monitoring terminal host，environment parameter monitoring slave，garage security monitoring slave and cloud service.The test results show that the system features low data packet loss rate，stable performance，low system power consumption，simple operation and high practical value.

Internet of thing（IoT）；Smart home；Monitoring；Security；Cloud；Terminal；Packet loss rate

TH-39；TP277

A

10.16086／j.cnki.issn1000-0380.201711004

修改稿收到日期：2017-06-13

國家自然科學基金資助項目（61464001）、廣西科技大學研究生教育創(chuàng)新計劃基金資助項目（GKYC201622）、廣西科技大學博士基金項目（Z1009）

蔣春利（1992—），女，在讀碩士研究生，主要研究方向為智能算法與模式識別。E-mail：276134606@qq.com。李政林（通信作者），男，博士，教授，主要從事智能控制及智能自動化、智能檢測技術、汽車電子控制技術等方向的研究。E-mail：59545980@qq.com。