基于物联网的智能家居安防监控系统设计与实现_刘学会

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图2 智能家居安防系统框图
参考文献：
[1] Carles Gomez, Josep Paradells. Wireless home automation networks: a survey of architectures and technologies. Consumer communications and networking, 2010(6):92101.
的智能家居安防监控系统。设计了以ATmega128L芯片为微控制器和CC1000为射频模块的终
端节点，以及以S3C2410为微控制器、CC1000为射频模块和以DM9000为以太网芯片的中心协
调器，并以Z-Stack为核心对终端节点和中心协调器的软件流程进行了设计。实验结果证明文
中系统可以正确、实时地采集家庭室内数据，实现有效的监控，并能在数据超过正常范围时发
控制节点组要包含窗帘控制节点、照明灯控 制节点，电视机控制节点和空调控制节点等。为 了减少开发成本，通过改造遥控的方式实现对家 用设备的控制。
传 感 器 节 点 和 控 制 节 点 的 MCU 采 用 AT 公 司的 ATmega128L 芯片，它具有电压低和体积小 的优点，方便集成在 PCB 上，具有最高为 8MHZ
[4] 琚莉, 彭云, 袁振伟, 王三保, 周惠兴. 一种新型永磁直 线同步电机绕组的有限元分析[J]. 制造业自动化, 2011, 33(5): 139-141.
【上接第40页】
协调器组成，对其硬件进行了描述，同时对系统 的软件流程进行了详细设计。最后，通过运行系 统进行测试，结果表明系统能实现对家居安防的 实时数据采集和监控，并具有建设维护费用低廉、 不受环境约束、以及软件升级容易等优点。
目前，已有一些研究 [3-5] 通过物联网的相关技 术实现对室内环境进行数据采集和监控。文献 [3] 提出一种通过 ZigBee[6] 无线网络实现对家居设备进 行信息采集和控制的家居安防系统，通过家庭网关 与 SQL Server 数据库连接，终端用户通过 B/S 方 式访问数据库以实现对家居的远程监控。文献 [4] 提出了一种结合物联网和多种无线通信技术的家 居功能系统，远程用户可以通过短信实现对家居 感知节点的控制。文献 [5] 提出了一种基于多 CPU 的智能机房物联网系统，不仅能实现对机房的远 程监控，而且能实现视频、音频和图像等信息的
中心协调器控制器采用 ARM9 系列的微处理器 S3C2410 为核心，采用嵌入式系统作为控制中心， 节点设计集成了 32 位的 S3C2410 处理器，16M 的 闪存和 64M 的数据存储器，并支持 JTAG-ICE 程序 调试接口，LCD 显示频、电源管理电路、USB 接 口电路以及其它接口电路等，其结构图如图 4 所示：
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图6 中心协调器软件流程设计
5 系统测试
上位机应用程序客采用 B/S 结构，使用的开发 工具采用 VS2010，Web 应用服务器采用微软的 IIS， 数据库服务器采用 SQL Server 2010，其监控界面如 图 7 所示，当 07 住户登录后，对室内各传感器的值 进行浏览，发现烟雾传感器采集的值偏离了正常范 围，其对应记录并呈现蓝色高亮显示，并在右下角 跳出警告框提示用户进行相应控制或采取补救措施。
传统的采用有线方式来实现家居安防的方式 既 有 传 输 距 离、 布 线 复 杂 以 及 维 护 困 难 等 缺 点， 远远不能满足社会和市场对于家居安防的要求。
物 联 网 (Internate of Things)[2] 由 Kevin Ashton 于 1998 年提出，通过射频识别、红外感应及激光 扫描、二维码、GPS 等技术将任何物品连接成网 络，实现实时数据采集、处理和通信，从而实现 对监测区域的智能化识别和监控。
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图1 物联网应用技术构架
收稿日期：2012-06-26 作者简介：刘学会（1970－），女，河南郑州人，讲师，研究方向为计算机网络和故障诊断。
基于物联网的智能家居安防监控系统设计与实现
Design and implementation for intelligent security and defense system
based on internet of things 刘学会，田 珍
LIU Xue-hui, TIAN Zhen
（郑州职业技术学院 软件工程系，郑州 450121） 摘 要： 为了解决传统家居安防系统存在的布线困难和维护费用高的缺点，提出了一种基于物联网技术
出警报。
关键词： 物联网；家居安防；控制器；射频模块
中图分类号：TP391
文献标识码：A
文章编号：1009-0134(2012)09(上)-0038-03
Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2012.9(上).13
0 引言
家居安防系统 [1] 即利用计算机技术、无线通 信技术和电子电力技术等先进的通信和控制技术， 通过网络化的综合管理，实现对家居生活以及家 庭安防的紧密结合的系统，它使得家庭工作和生 活更轻松和安全。
参考文献：
[1] 宿国栋, 靳伟. 30 kW双转子永磁发电机磁场有限元研究 [J]. 电机与控制应用, 2009, 36(6): 14-16.
[2] 谢峰, 沈维蕾, 周必成. 风力发电机机舱的静、动态特性 有限元分析[J]. 制造业自动化, 2003, 25(9): 4-6.
[3] 郑甲红, 杜翠. MW级风力发电机轮毂有限元分析[J]. 制 造业自动化, 2009, 32(9): 55-56.
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图5 终端节点软件流程图
4.2 中心协调器软件设计 中心协调器主要负责组网，接收传感器节点
采集的数据，并将其通过以太网接口传输到上位
【40】 第34卷 第9期 2012-9(上)
图7 上位机软件监控界面
6 结束语
文中提出了一种基于物联网技术的家智能家 居安防设计方案，系统的硬件由终端节点和中心
中心协调器控制器可以通过键盘电路外接键 盘和 LCD 接口外接显示屏构成人机交互界面，进 行信息的查询和控制指令的发布。
4 系统软件设计
系统软件设计以 TI 公司的 Z-Stack 协议栈为 核心，由于其底层协议栈已实现，故对于具体的 应用开发，只需要对应用层进行定制即可。
4.1 终端节点软件设计 终端节点主要功能是采集数据以及接受控制
的 工 作 主 频，128KB 的 闪 存 和 4KB 的 可 编 程 空 间，并支持多种睡眠模式，可以最大程度降低功 耗；具有多种标准 IO 接口和数模 A/D 转换接口， ATmega128L 芯片的电路原理图如图 3 所示：
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图3 ATmega128L芯片电路图
传感器节点和控制节点的 ZigBee 无线收发模 块采用低功耗的 CC1000 无线收发芯片，其具有 电压低、功耗低、高灵敏度等优点，工作频带为 315、433、866 和 915MHz。 3.2 中心协调器硬件设计
中心协调器的主要功能为接收传感器节点采 集的数据，并解析由上位机发送过来的控制命令， 对控制节点进行控制。
3 系统硬件设计
3.1 终端节点硬件设计 终 端 节 点 主 要 包 含 传 感 器 节 点 和 控 制 节 点，
感知节点采集数据并将数据发送给协调器，控制 节点接受中心协调器的控制指令，实现对各种家 用设备的控制。
传感器节点主要包含温湿度传感器 SHT10， 光敏传感器 HL304HP，烟雾传感器 mq-2，红外传 感器 T0-5。
传递。 上述工作均利用物联网实现对室内环境的数
据采集和监控，具有重要的意义，但具有成本高 的缺点。为了克服其缺点，文中设计了一种基于 物联网技术的家居安防监控系统，其不仅能正确 实时地采集数据实现对感知区域的监控，同时具 有架设安全、可靠性高和成本低廉的优点。
1 物联网技术
物联网根据全面感知、可靠传递以及智能处 理的三大功能需求，可以将其实现过程分为三层 结构：第一层为感知延伸系统，主要功能为采集 信息和控制设备；第二层为异构融合的泛在通信 网络，主要负责异构网络的互联互通以及存储处 理功能；第三层为应用和服务层，主要负责进行 数据监控、数据分析等。物联网的应用技术构架
机，同时，接收上位机发送的控制命令，以实现 对家用设备的控制，采用 OSAL 操作系统抽象层 进行资源管理，其定时进行 OSAL 任务轮询主循 环，判断是否有事件发生，当发生事件时，按优 先级对其进行处理。
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【下转第56页】
挑 选， 以 显 示 相 邻 定 子 和 转 子 磁 极 之 间 的 闭 环。 一些流线在发电机的边缘被绘制，这可以表示在
图6 直驱发电机旋转产生的磁通量密度的切面图和流线图
区域有电磁场存在。
4 结论
本文利用有限元分析法建立了旋转机械发电 机的二维和三维有限元模型，分析由于具有永久 磁铁的转子的圆周旋转运动在具有相同磁性材料 的 定 子 绕 组 中 产 生 感 应 电 动 势。 仿 真 结 果 表 明， 该有限元模型可以用来优化设计旋转机械发电机， 通过改变材料参数，旋转速度，绕组的匝数来年 研究对发电机产生感应电压的影响。
指令对设备进行控制，传感器节点采集数据和控 制 节 点 控 制 设 备 进 行 运 转 的 软 件 流 程 过 程 如 下： OSAL 任务主循环接收到应用层事件的出发，调 用 应 用 层 事 件 处 理 函 数 APP_ProcessEvent()， 当 判断其为 APP_Working_Evt 事件后，判断是否为 传感器采集数据命令，如果是则传感器开始调用 CollectProcess() 采集光照、温度和湿度等信息，并 将其通过 ZigBee 无线收发模块发送给中心协调器； 如果不是 APP_Working_Evt 事件，则判断是否为 AF_Incoming_Msg_Cmd 事件，如果是，则判断是 否为控制设备命令，如果是则启动控制节点进行 设备控制，其可以表示为图 5 所示。
【38】 第34卷 第9期 2012-9(上)
可以表示为图 1 所示：
2 系统总体设计
智能安居安防系统可以表示为图 2 所示，感 知层由若干感知节点和控制节点组成，感知节点 用于对家居环境进行数据感知和采集；控制节点 用于对家居环境进行控制。网络层由中心协调器、 ZigBee 无线通信网络和以太网组成，负责数据和 控制指令的处理和转发；应用层则由智能家居系 统上位机、社会物业服务器、互联网客户终端和 手机客户终端组成，负责对数据进行收集、分析 以及发出控制命令。
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图4 中心协调器控制器结构图 第34卷 第9期 2012-9(上) 【39】
中心协调器的 ZigBee 收发模块采用低功耗的 CC1000 无线收发芯片。
以太网芯片 DM9000 集成了以太网 MAC 控 制器，采用 3.3V-5V 宽电压，具有超低功耗模式、 功率降低模式和电源故障模式。
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