0 引 言

智能家居安防產(chǎn)業(yè)經(jīng)過了 30 多年的發(fā)展歷程，由原來 的單一控制演變?yōu)楝F(xiàn)在的多控制方式，由原來的模擬監(jiān)控系 統(tǒng)發(fā)展成為現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化監(jiān)控系統(tǒng)。如今， 我國智能家居安防產(chǎn)業(yè)有了一定的發(fā)展，已經(jīng)開始研發(fā)并生產(chǎn) 擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。目前，通過物聯(lián)網(wǎng)智能家居技術(shù)。 嵌入式操作系統(tǒng)和無線傳感網(wǎng)技術(shù)，可以組建家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)， 搭建安防報警系統(tǒng)，若有人非法進(jìn)入室內(nèi)，發(fā)生燃?xì)庑孤?火災(zāi)等險情，系統(tǒng)將通過短信、彩信、電話方式在第一時間 發(fā)出報警信號。這種傳統(tǒng)的智能家居方式不能實時有效地實 施家用安防，以及不能以更多的人機交互方式實現(xiàn)有效的遠(yuǎn) 程監(jiān)控及安防報警 [1]。在本項目中準(zhǔn)備采用傳感層各節(jié)點聯(lián)動 方式進(jìn)行報警及報警后的預(yù)設(shè)方案進(jìn)行處理報警，同時，在 本項目中利用現(xiàn)用的主流 Android 系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn) Internet 網(wǎng)絡(luò) 遠(yuǎn)程訪問與監(jiān)控 App 的設(shè)計與實現(xiàn)，使用戶在任何地方都可 以了解當(dāng)前家中的安防信息。

1 總體架構(gòu)設(shè)計

智能家居安防系統(tǒng)依據(jù)全面感知、可靠傳遞、智能處理 的功能需求，可劃分為數(shù)據(jù)采集層、集成處理層、數(shù)據(jù)層和 終端應(yīng)用層四個層次 [2]，具體如圖 1 所示。

（1）感知層 ：數(shù)據(jù)層采集層用于完成信息的采集、轉(zhuǎn)換、 收集和整理。在數(shù)據(jù)采集層中主要包括兩個部分，其一是數(shù) 據(jù)采集模塊和終端控制的終端裝置，數(shù)據(jù)采集模塊如煙感、 火焰、燃?xì)獾韧瓿尚畔⒉杉K端裝置如蜂鳴、燈光等完成 最終控制。第二部分是短距離的無線傳輸，短距離傳輸是終 端裝置與網(wǎng)關(guān)的雙向傳遞。

（2）網(wǎng)關(guān)層 ：網(wǎng)絡(luò)層主要由一臺嵌入式網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，是整 個安防的中心，主要實現(xiàn) Internet 網(wǎng) ，GSM 網(wǎng)的接入、遠(yuǎn)程 控制以及實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換。通過它來實現(xiàn)連接家庭內(nèi)部異構(gòu)網(wǎng) 絡(luò)的功能。

（3）網(wǎng)絡(luò)層 ：網(wǎng)絡(luò)層主要由一臺 Web 服務(wù)器構(gòu)成，其主 要作用在于同網(wǎng)關(guān)層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，用戶再通過用戶層終端訪 問 Web 服務(wù)器獲取相應(yīng)的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)。

（4）應(yīng)用層 ：用戶應(yīng)用層包括各類搭載了 Web 瀏覽器的 終端設(shè)備，以及智能手持設(shè)備構(gòu)成，用戶可通過云端服務(wù)器獲 取安防的實時信息。

 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集層通訊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集層通訊層設(shè)計采用 TI 公司的 CC2530。CC2530 是 2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和 RF4CE 應(yīng)用的一個真正 的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總材料成本 建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 [3]。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的 RF 收發(fā)器的 優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型 8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存， 8 KB RAM 和許多其他強大的功能。CC2530 具有不同的運行 模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間 的轉(zhuǎn)換時間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗。CC2530F256 結(jié)合 了德州儀器業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元 ZigBee 協(xié)議棧（ Z-Stack ?）， 提供了一個強大和完整的 ZigBee 解決方案。因此在本系統(tǒng)中 選用 CC2530+ Z-Stack 作為無線通訊開發(fā)。

2.2 傳感控制模塊設(shè)計

ZigBee 節(jié)點搭載相應(yīng)的傳感器和繼電器構(gòu)成，在系統(tǒng)中 在線監(jiān)控氣體和火焰，并通過繼電器控制電器的運行等。煙 霧傳感器使用 MQ2。MQ2 的輸出通過兩種方式接入CC2530。 （1）P0.0 輸出模擬信號，信號值隨煙霧濃度變化而變化 ；（2） 輸出的模擬信號經(jīng)過 LM393 電壓比較器給出布爾量（可通過 與 LM393 相連的可調(diào)電阻調(diào)節(jié)閾值），供電部分可使用電池或 5 V 直流電源，經(jīng)過 LM1117 后給出 3.3 V 的接入電壓。MQ2 工作時功耗比較大，所以部署時一般不使用電池供電。燃?xì)鈧?感器 MQ4 與煙霧傳感器的工作原理及接入方式一樣，火焰?zhèn)?感器會給出報警的開關(guān)量，可以通過可調(diào)電阻靈敏調(diào)節(jié)。煙 霧傳感器模塊如圖 2 所示。

2.3 網(wǎng)關(guān)模塊設(shè)計

在 網(wǎng) 關(guān) 模 塊 設(shè) 計 中， 采 用 的 以 Samsung Cortex-A8 S5PV210 芯片為核心的 ARM 主 CPU，運行最大頻率可達(dá) 1 GHz，處理器內(nèi)部為 64/32 位總線結(jié)構(gòu)，32/32 KB 一級緩 存，512 KB 二級緩存 [4]。自帶 3D 圖形加速引擎（SGX540）， 2D 圖形加速，支持高清 HDMI TV 輸出。主要功能模塊包括： 微處理器模塊、USB 接口模塊、串口模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊、 GSM 模塊、無線收發(fā)模塊，最大的特點是利用移動通信網(wǎng)絡(luò)， 加入了 GPRS 通信模塊 [5]。該網(wǎng)關(guān)硬件平臺接口功能豐富，可 以滿足家居中安防系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的低成本、高性能、低功耗及功能 相對完善的要求。 圖 3 所示為網(wǎng)關(guān)硬件平臺結(jié)構(gòu)圖。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計

嵌入式網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)主要基于 Android 操作系統(tǒng)的實現(xiàn)。在 架構(gòu)中起中間件作用。為服務(wù)器提供實時的家居信息，提供 各智能控制節(jié)點的接口，通過串口實時與 ZigBee 協(xié)調(diào)器進(jìn) 行溝通，實時采集下位機報警節(jié)點的環(huán)境信息數(shù)據(jù)，對敏感 數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，如發(fā)生警報及時向服務(wù)器端報警，以 及通過 GSM 及時向用戶設(shè)定號碼進(jìn)行短信報警。在與云端 服務(wù)器數(shù)據(jù)進(jìn)行交互時，在軟件中部署客戶端調(diào)用服務(wù)端 WebService[6]。除此之外，網(wǎng)關(guān)服務(wù)實時監(jiān)控部分在后臺作為 獨立子線程工作，實時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該層是整個安防系統(tǒng) 架構(gòu)的核心，其貫穿了整個系統(tǒng)的中軸線 [7]。圖 4 所示為嵌 入式網(wǎng)關(guān)部署圖。

3.2 智能終端軟件設(shè)計

智能終端軟件平臺有兩種模式，第一種模式為 PC 客戶 端 [8]，第二種模式為 Android 客戶端。智能家居的系統(tǒng)平臺作 用主要是與用戶進(jìn)行直接對話，即實現(xiàn)對當(dāng)前家居環(huán)境的實 時監(jiān)控，同時對智能家居中的相應(yīng)模塊進(jìn)行可視化實時操作。 兩種模式包括系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、設(shè)備控制、閾值的設(shè)置、數(shù) 據(jù)查詢等，具體如圖 5 所示。

（1）環(huán)境實時監(jiān)控 ：可通過預(yù)設(shè)平面圖，對安防各節(jié)點 信息實時掌握，如遇報警信息可及時響應(yīng)。

（2）設(shè)備控制 ：用戶可對當(dāng)前環(huán)境中相應(yīng)控制節(jié)點參數(shù)， 閾值設(shè)置及運行狀態(tài)進(jìn)行更改及控制。

（3）數(shù)據(jù)分析 ：歷史環(huán)境信息進(jìn)行統(tǒng)計。

PC 端的實現(xiàn)是基于 Web 平臺的客戶端，主要服務(wù)器架設(shè) 在云端。手機終端的數(shù)據(jù)主要也是通過云端WebService來獲取。

3.3服務(wù)器端軟件設(shè)計

主服務(wù)器端的應(yīng)用程序是在 VisualStudio2010 環(huán)境下采用 ASP．NET C# 技術(shù)開發(fā)的。ASP.Net 框架提供統(tǒng)一的 Web 開發(fā)模型，它的思想是使用盡可能少的代碼生成企業(yè)級 Web 應(yīng)用程序。整個軟件的架構(gòu)分模塊進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)功能劃分 后，確定每個模塊的算法和代碼，形成方案，這樣系統(tǒng)可以 具有較好的可擴展性和維護(hù)性[9]。服務(wù)器端采用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計， 包括表現(xiàn)層 / 服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層。在表現(xiàn)層中 為客戶端的用戶提供交互操作界面，服務(wù)層主要負(fù)責(zé)關(guān)鍵業(yè)務(wù) 的處理和數(shù)據(jù)傳遞，數(shù)據(jù)層主要實現(xiàn)的是對數(shù)據(jù)庫操作的相 應(yīng)訪問。服務(wù)層主要是對中間件網(wǎng)關(guān)進(jìn)行響應(yīng)處理，為網(wǎng)關(guān)或 智能手持端協(xié)調(diào)提供 Web 服務(wù)。業(yè)務(wù)邏輯層實現(xiàn)調(diào)用部署在 Web 服務(wù)器上的 WebService 方法，向底層服務(wù)器發(fā)出請求進(jìn) 行管理和控制。該系統(tǒng)架設(shè)好后，用戶可在任意網(wǎng)絡(luò)位置對 智能家居的安防信息進(jìn)行全天候的監(jiān)控 [10]。

4 結(jié) 語

本文主要分析了目前智能家居的安防系統(tǒng)，根據(jù)需求， 結(jié)合當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)，對物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng) 整體的設(shè)計，整個安防系統(tǒng)可以實現(xiàn)對智能家居中主要安全 環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測和報警的功能，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，對智能家居 安防系統(tǒng)行業(yè)的開發(fā)與設(shè)計有一定的參考價值，后續(xù)的工作是 進(jìn)一步擴展該架構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域。