無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計方案

人們對生活品質(zhì)的追求越來越高，更加向往安全、智能和健康的家居環(huán)境。傳統(tǒng)智能家居安防系統(tǒng)功能單一、效率低下、誤報率較高、維護成本大、不能很好地與快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合，已經(jīng)難以滿足市場及大眾對家居安防系統(tǒng)的要求?，F(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（WSN）和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得網(wǎng)絡(luò)化的智能家居安防系統(tǒng)具備了安全、智能、便捷、環(huán)保的特性，同時保證系統(tǒng)的實時性、高可靠性、低誤報率、低功耗及低成本維護。為此，本文提出基于具有低功耗、自組網(wǎng)、低速率、低成本和雙向通信特性等特點的WSN和智能手機Android平臺，利用家庭網(wǎng)關(guān)構(gòu)建能進行視頻數(shù)據(jù)的采集、傳輸及網(wǎng)絡(luò)后臺存儲的智能家居安防系統(tǒng)，同時該系統(tǒng)可利用Internet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

1、系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)的WSN部分采用ZigBee協(xié)議，由多個終端節(jié)點和一個協(xié)調(diào)器組成，各終端節(jié)點可自組織網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)最終匯聚到協(xié)調(diào)器節(jié)點，然后通過家庭網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)。用戶能夠在PC端、機頂盒、手機客戶端通過Internet完成對智能家居的遠程監(jiān)控。家居內(nèi)各傳感器信息通過終端節(jié)點上的GPIO口采集經(jīng)WSN網(wǎng)絡(luò)無線發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過USB-TTL模塊與家庭網(wǎng)關(guān)完成數(shù)據(jù)通信，家庭網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上報至服務(wù)器。為了降低本安防系統(tǒng)的誤報率，確保其高可靠性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中負責采集可燃氣體濃度的傳感器特意選用高靈敏度的可燃氣體傳感器，并結(jié)合集成在終端節(jié)點協(xié)議棧內(nèi)部的防誤報算法，確保信息的準確性及可靠性。

WSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與家庭網(wǎng)關(guān)的通信需要在USB-TTL模塊的轉(zhuǎn)換下完成，USB-TTL模塊驅(qū)動開發(fā)基于Linux系統(tǒng)，為了實現(xiàn)智能家居安防系統(tǒng)的智能化，按照冗余設(shè)計需求使該模塊的設(shè)備描述符會能識別USB接口變動，并對可能變換的設(shè)備描述符進行讀寫操作。系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖1所示。

2、硬件電路設(shè)計

2.1 家庭網(wǎng)關(guān)硬件總體設(shè)計

基于WSN的智能家居安防系統(tǒng)的主控制器由家庭網(wǎng)關(guān)的機頂盒和ZigBee協(xié)調(diào)器共同組成。WSN各終端節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)無線發(fā)送至協(xié)調(diào)器匯聚后，通過串口轉(zhuǎn)USB通信模塊完成其與機頂盒的數(shù)據(jù)通信，機頂盒上的智能家居安防應(yīng)用系統(tǒng)將獲取的數(shù)據(jù)按照標準的TCP/IP協(xié)議上傳至服務(wù)器，以便用戶通過網(wǎng)絡(luò)訪問查看當前及歷史數(shù)據(jù)。同時家居安防視頻數(shù)據(jù)采集端通過Internet網(wǎng)絡(luò)向用戶推送監(jiān)控畫面，用戶可通過PC、手機客戶端、機頂盒上的上位機對室內(nèi)情況進行實時監(jiān)控。整體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 協(xié)調(diào)器與MT8389接口電路

選用主控芯片為MT8389的家庭網(wǎng)關(guān)機頂盒。WSN節(jié)點采集傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，然后通過USB-TTL模塊完成其與機頂盒的數(shù)據(jù)通信，ZigBee協(xié)調(diào)器與USB-TTL模塊接口電路如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器與USB-TTL模塊接口電路

2.3 MT8389與互聯(lián)網(wǎng)接口設(shè)計

MT8389為機頂盒主板主控制芯片，它收集并綜合處理來自無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、視頻采集端和Internet端的數(shù)據(jù)，然后通過DM9000單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器模塊將獲取的各項數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。MT8389與網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計如圖5所示。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 WSN協(xié)議棧及協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點通信程序設(shè)計

本系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧采用TI公司的Z-StackTM協(xié)議棧，該協(xié)議棧完善、開源、穩(wěn)定性好，能保證數(shù)據(jù)實時傳輸。整個Z-Stack協(xié)議棧構(gòu)架如圖6所示。Z-Stack協(xié)議棧自main開始執(zhí)行，執(zhí)行系統(tǒng)硬件平臺的初始化，然后進行操作系統(tǒng)的初始化，這部分由osal_init_system函數(shù)完成，并由osal_start_system（）執(zhí)行操作系統(tǒng)實體，開始查詢事件表，若沒有調(diào)度，則一直進行輪詢式判斷，當有事件產(chǎn)生便由相應(yīng)的任務(wù)層調(diào)用任務(wù)處理函數(shù)tasksEvents［idx］中與事件相對應(yīng)的idx進行處理，該調(diào)度函數(shù)會根據(jù)事件任務(wù)優(yōu)先級由高向低依次排列。協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點串口通信程序設(shè)計在Linux下開發(fā)，主要完成通過對USB設(shè)備進行讀寫操作來協(xié)助完成。該Linux下的USB設(shè)備讀寫程序已整合燒錄至機頂盒操作系統(tǒng)中，通過本程序協(xié)調(diào)器和MT8389主控制器可以借助USB-TTL模塊完成兩者的雙向通信，具體流程如流程如圖7所示。

3.2 服務(wù)器與手機客戶端程序設(shè)計流程

服務(wù)器和手機客戶端、機頂盒的交互通過Internet網(wǎng)絡(luò)完成，通信方式為數(shù)據(jù)丟失率低、使用簡單且易于移植的socket通信，socket通信首先建立兩方的連接，連接建立完成后便開始傳輸數(shù)據(jù)，并且在連接狀態(tài)能完成主動推送信息的操作，不必每次均由客戶端向服務(wù)器發(fā)送請求。socket在程序內(nèi)部提供了與外界通信的端口，為通信雙方的數(shù)據(jù)傳遞提供通道。其程序設(shè)計流程如圖8所示。

3.3 上位機軟件設(shè)計

手機客戶端及機頂盒上的應(yīng)用均使用Android平臺，采用Java編程，上位機程序設(shè)計界面如圖9所示。用戶能進行當前溫濕度、光照強度、可燃氣體濃度等數(shù)據(jù)的實時顯示，并可通過導(dǎo)航欄中的報警項查看過去某段時間內(nèi)各項數(shù)據(jù)的變化趨勢。當有異常情況發(fā)生時，異常信息推送到顯示界面，用戶點擊有異常情況圖標即可查看異常類型，同時用戶可以點擊異常情況圖標下的視頻查看圖標，通過3G網(wǎng)絡(luò)或者Internet網(wǎng)絡(luò)對室內(nèi)情況進行遠程監(jiān)視。

結(jié) 語

本智能家居安防系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、誤報率低、安全便捷、操作簡單等特性，能讓用戶在任何可以連接到網(wǎng)絡(luò)的地方查看室內(nèi)的可燃氣體濃度、溫濕度、光照強度等情況。異常情況推送及后臺自動處理能為用戶實時掌握室內(nèi)情況提供幫助并進一步提供安全措施，用戶可以遠程調(diào)用視頻數(shù)據(jù)實時查看導(dǎo)致異常出現(xiàn)的原因，進而為保護家庭成員的生命財產(chǎn)安全提供更多可靠依據(jù)。在現(xiàn)代智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計中有重要的參考價值。