李丹

（遼寧郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 遼寧省沈陽(yáng)市 110179）

異常入室、燃?xì)夤收稀⒓揖釉O(shè)備是幾種常見(jiàn)的家居安全問(wèn)題，為了滿足人們時(shí)刻關(guān)注家居狀況的需求，必須要升級(jí)傳統(tǒng)家居安防措施，構(gòu)建出智能家居系統(tǒng)。當(dāng)前現(xiàn)代家居系統(tǒng)安全管控的焦點(diǎn)在于，利用信息處理、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，確保使用者能夠接收到家居安全信息，有效監(jiān)控和發(fā)現(xiàn)家居安全隱患問(wèn)題，全面提高智能家居監(jiān)控安全程度。

1 面向物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下，依托2.4G 及ZigBee 構(gòu)建出智能家居系統(tǒng)，通過(guò)全新的智能家居控制手段，使功耗和成本得到有效降低，智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖1。ZigBee 傳感網(wǎng)絡(luò)、2.4G 遠(yuǎn)程遙控節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和云服務(wù)器是構(gòu)成面向物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的主要部分，其中不同子節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器共同組成了ZigBee 傳感網(wǎng)絡(luò)，借助Z-Stack 協(xié)議棧對(duì)星型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建立，從而發(fā)揮無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔?；云服?wù)器、遠(yuǎn)程遙控、ZigBee 傳感網(wǎng)絡(luò)彼此間數(shù)據(jù)的共享和交互由網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)；家居環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控主要由溫濕度傳感器、煙霧傳感器來(lái)負(fù)責(zé)；家庭安全防護(hù)檢測(cè)依靠的是紅外熱釋電傳感器；在遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制家庭普通設(shè)施的過(guò)程中，繼電器模塊發(fā)揮著重要作用。借助系統(tǒng)中的紅外熱釋電傳感器、太陽(yáng)能電池板，燈光控制節(jié)點(diǎn)可以對(duì)智能燈光進(jìn)行調(diào)控[1]。

2 智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

面向物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面，主體主要運(yùn)用的是工控 PC 主板、單片機(jī)，還包括RS232、硬盤(pán)錄像機(jī)、四路視頻采集卡等部分。其中RS232 主要由報(bào)警采集模塊、電話模塊以及家電控制模塊三大結(jié)構(gòu)組成。將嵌入式Windows XP 安設(shè)在C7 主板中即構(gòu)成了工控PC 主板，而系統(tǒng)單片機(jī)則運(yùn)用的是STC89C51 系列單片機(jī)。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方面，單片機(jī)、無(wú)線接收、無(wú)線轉(zhuǎn)紅外協(xié)議轉(zhuǎn)換器、無(wú)線發(fā)射、X10 電力載波等是構(gòu)成電話模塊、家電控制模塊及報(bào)警采集模塊的幾個(gè)重要元件，采用工控PC主板同單片機(jī)RS232 串口連接的方式，能夠發(fā)揮不同模塊的功能。

2.1 視頻采集錄像設(shè)計(jì)

利用將硬盤(pán)錄像機(jī)、4 路視頻采集卡連接在系統(tǒng)工控PC 主板的方式，使智能家居系統(tǒng)能夠發(fā)揮視頻錄像、視頻采集的功能。本研究中的智能家居系統(tǒng)運(yùn)用的是713X 芯片組視頻采集卡驅(qū)動(dòng)，在XVID 的MPEG4 編碼支持下能夠有效的要視頻軟件，開(kāi)展對(duì)家居環(huán)境和設(shè)備的遠(yuǎn)程錄像機(jī)傳輸操作[2]。

2.2 報(bào)警采集模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線、有效采集是系統(tǒng)探測(cè)器的兩大報(bào)警信號(hào)采集形式。對(duì)于有線采集形式來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)量能夠輸入有線報(bào)警信號(hào)，智能家居系統(tǒng)對(duì)16 路有線報(bào)警輸入進(jìn)行了設(shè)計(jì)，運(yùn)用方式為并聯(lián)接入、串聯(lián)輸出，有線報(bào)警信號(hào)可以被單片機(jī)所采集，在這個(gè)過(guò)程中兼顧了系統(tǒng)的電話控制、鍵盤(pán)等多種功能性。通常多會(huì)借助 PT2262 芯片來(lái)發(fā)送無(wú)線報(bào)警信號(hào)，在PT2272 的作用下接收端可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼。編碼發(fā)送端PT2262 可以對(duì)數(shù)據(jù)碼（4 位）、地址碼（8 位）進(jìn)行提供，若運(yùn)用的為8 位地址碼，則PT2272 僅能夠?qū)? 為數(shù)據(jù)進(jìn)行提供，由0 至F。所以，對(duì)于單個(gè)2272 芯片而言，接收?qǐng)?bào)警探頭輸入的數(shù)量為16 個(gè)，無(wú)法迎合使用者對(duì)大于32 路無(wú)線輸入的需要。同時(shí)，對(duì)于1527 格式編碼，PT2272 不能進(jìn)行解碼。單片機(jī)運(yùn)行速度加快，能夠有效對(duì)1527、2262 兩種不同格式的編碼進(jìn)行識(shí)別，借助單片機(jī)進(jìn)行解碼的操作具有較強(qiáng)的靈活性，便于操作，識(shí)別編碼類型較多，也支持對(duì)地址碼進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)置。智能家居系統(tǒng)未借助PT2272 芯片開(kāi)展解碼操作，采用單片機(jī)解碼的方式，在完成數(shù)據(jù)解碼操作之后，借助RS232 口向上位機(jī)進(jìn)行傳輸。

圖1：智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖2：無(wú)線紅外協(xié)議轉(zhuǎn)換器模型圖

圖3：智能家電控制模塊模型圖

圖4：智能家居系統(tǒng)防盜監(jiān)控流程圖

圖5：智能家居系統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警流程圖

2.3 電話模塊設(shè)計(jì)

撥打使用者變化就可完成報(bào)警操作。鑒于智能家居系統(tǒng)運(yùn)用了單片機(jī)，所以單片機(jī)控制繼電器能夠開(kāi)展電話摘掛機(jī)處理。音頻變壓器是電話模塊的核心，發(fā)揮著在功放電路中耦合語(yǔ)音交流信號(hào)的作用，也能夠在電話線路中耦合語(yǔ)音提示、撥號(hào)兩大信號(hào)。主板聲卡可以同變壓器線圈進(jìn)行連接，所以可以在電話線中對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行耦合處理，也能夠在聲卡線路輸入端耦合電話聲音。

2.4 家電控制模塊設(shè)計(jì)

多數(shù)家居設(shè)備僅需進(jìn)行卡關(guān)控制即可，借助對(duì)智能開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方式，就能夠?qū)崿F(xiàn)有效管控。也有部分家居設(shè)備需要設(shè)置控制量，例如：電視頻道、空調(diào)溫度等，這就需要發(fā)揮紅外遙控器的功能。所以在家電控制模塊中要對(duì)無(wú)線轉(zhuǎn)紅外協(xié)議轉(zhuǎn)換器進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要由紅外發(fā)射管、單片機(jī)、紅外接收頭以及無(wú)線接收模塊幾部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制指令到電氣紅外遙控指令的轉(zhuǎn)化。家電控制模塊中無(wú)線紅外協(xié)議轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖2。

電力載波X10 協(xié)議模塊、單片機(jī)、315 M 射頻無(wú)線模塊的集成體即為家電控制模塊，該模塊借助無(wú)線遙控、電力載波，能夠?qū)χ悄芗揖釉O(shè)備開(kāi)關(guān)進(jìn)行管控。智能家電控制模塊模型圖詳見(jiàn)圖3。

3 智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 防盜報(bào)警監(jiān)控

將USB 攝像頭、感應(yīng)器安設(shè)在陽(yáng)臺(tái)、窗臺(tái)或大門(mén)位置，能夠監(jiān)測(cè)是否存在非法闖入的現(xiàn)象，如發(fā)現(xiàn)異常傳感器會(huì)對(duì)闖入者的紅外線信號(hào)進(jìn)行感應(yīng)，進(jìn)而進(jìn)行防盜報(bào)警，具體監(jiān)控流程詳見(jiàn)圖4。防盜報(bào)警監(jiān)控在啟動(dòng)后，異常情況下會(huì)開(kāi)啟USB 攝像頭，能夠?qū)崟r(shí)性和全面化的拍攝家居環(huán)境[4]。對(duì)于非法入侵人員，入侵檢測(cè)信號(hào)能夠借助電信號(hào)的形式進(jìn)行輸出，并自主啟動(dòng)警鈴，向使用者終端傳送入侵信息，發(fā)揮防盜監(jiān)控報(bào)警作用。

3.2 火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警

在出現(xiàn)火災(zāi)危險(xiǎn)時(shí)，通常都會(huì)伴有升溫現(xiàn)象，存在很多煙霧、有害氣體，此時(shí)通過(guò)溫度監(jiān)測(cè)功能，能夠提高報(bào)警準(zhǔn)確性。智能家居系統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警流程詳見(jiàn)圖5。

在智能家居系統(tǒng)內(nèi)對(duì)正常情況下的家居環(huán)境參數(shù)進(jìn)行輸入，就能夠在出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，通過(guò)對(duì)室內(nèi)煙霧濃度、溫度變化、有害氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的途徑，準(zhǔn)確判斷火災(zāi)狀況。若家居環(huán)境參數(shù)達(dá)到超出閾值標(biāo)注，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主機(jī)就能夠有效分析、提取火災(zāi)信息，對(duì)聲光報(bào)警器進(jìn)行開(kāi)啟，將現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行輸出，發(fā)揮火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警作用。

4 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)對(duì)智能家居系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)，用戶在遠(yuǎn)程客戶端就能夠進(jìn)入到系統(tǒng)內(nèi)，開(kāi)展觀看視頻、控制家居設(shè)備等操作。在測(cè)試系統(tǒng)報(bào)警功能時(shí)，可以對(duì)門(mén)磁進(jìn)行觸發(fā)，系統(tǒng)主機(jī)就可以發(fā)出警報(bào)，自主撥打系統(tǒng)設(shè)置電話，了解報(bào)警位置及時(shí)間等信息。用戶在J2ME 平臺(tái)下開(kāi)發(fā)的手機(jī)客戶端中就能夠觀看到家居環(huán)境，便利化的開(kāi)展控制操作。設(shè)置不同的網(wǎng)絡(luò)帶寬，測(cè)試客戶端接收數(shù)據(jù)狀況，結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1：不同網(wǎng)絡(luò)帶寬下客戶端接收數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

面向物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的硬件平臺(tái)為單片機(jī)、PC 主板，包括家電控制模塊、報(bào)警信號(hào)采集模塊、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控模塊等多個(gè)模塊，借助無(wú)線及有線網(wǎng)絡(luò)有效連接不同家電設(shè)施，將遠(yuǎn)程監(jiān)控家電設(shè)備變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)。網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化的智能家居環(huán)境已經(jīng)成為未來(lái)主要的發(fā)展趨勢(shì)，具有廣闊運(yùn)用前景，但是還需要不斷開(kāi)展探索和研究工作。