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1、、1 匐 化 基于物联网的智能家居安防监控系统设计与实现 Des i gn and i m pl em ent at i on f or i nt el l i gent s ecur i t y and def ens e s ys t em bas ed on i n t er net of t hi ngs 刘学会，田珍 L l U XB e h u i Tl AN Zh e n (郑州职业技术学院 软件工程系，郑州 4 5 0 1 2 1)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 的智能家居安防监控系统。设计了以A T m e g a l
2、 2 8 L 芯片为微控制器和O O1 O 0 0 为射频模块的终 端节点，以及以$3 0 2 4 1 0 为微控制器、O C l 0 0 0 为射频模块和以D M9 0 0 0 为以太网芯片的中心协 调器，并以Z S t a c k 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 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：T P 3 9 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 9-0 1 3 4(2 0 1 2)0 9(上)-0 0 3 8-0 3 Do i：1 0
3、3 9 6 9 i i s s n 1 0 0 9-0 1 3 4 2 0 1 2 9(I-)1 3 0 引言 家居安防系统 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。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(I n t e r n a t e o f T h i n g s)由 Ke v i n As h t o n 于 1 9 9 8年提出，通过射频
4、识别、红外感应及激光 扫描、二维码、G P S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。目前，已有一些研究。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 Z i g B e e l 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 S Q L S e r v e r 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
5、制。文献【5 提 出了一种基于多 C P U 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 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
6、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 圉圈圉圉网圈 匾 臣 匝匪 图1 物联 网应 用技术构架 收稿日期：2 0 1 2-0 6-2 6 作者简介：刘学会(1 9 7 0 一)，女，河南郑州人，讲师，研究方向为计算机网络和故障诊断。【3 8】第3 4 卷第9 期2 0 1 2 9(上)囡罔罔 务l 匐 化 可 以表示为图 l 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
7、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、Z i g B e e 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。互联 网 Z i g B e e I I 组织 网络 图2 智能家居安防系统框图 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
8、传感器 S HT 1 0，光敏传感器 HL 3 0 4 H P，烟雾传感器 mq 一 2，红外传 感器 T O 一 5。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 MC U采用 A T公 司的 A T me g a 1 2 8 L芯片，它具有 电压 低和体积小 的优 点，方便 集成在 P C B上，具有最高为 8 MH Z 的工 作 主频，1 2 8 K B 的 闪存 和 4 KB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
9、；具有多种 标准 I O接 口和数模 A D转换接 口，A T me g a 1 2 8 L芯片的电路原理图如图 3 所示：图3 A T me g a 1 2 8 L 芯 片电路 图 传感器节点和控制节点的 Z i g Be e无线收发模 块采用 低功耗的 C CI O 0 0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 3 1 5、4 3 3、8 6 6和 9 1 5 MHz。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。中心协调器控制器采用 A R M9系列的微处理器$3 C 2
10、 4 1 0为核心，采用嵌入式系统作为控制 中心，节点设计集成了 3 2位的$3 C 2 4 1 0处理器，1 6 M 的 闪存和 6 4 M 的数据存储器，并支持 J T AG I C E程序 调 试接 口，L C D显示频、电源管理电路、US B接 口电路以及其它接 口电路等，其结构图如图4 所示：图4 中心协调 器控制器结构 图 第3 4 卷第9 期2 0 1 2 9(上)I 3 9 1 务l 匐 化 中心协调器的 Z i g B e e收发模块采用低功耗的 C C1 0 0 0无线收发芯片。以太 网芯 片 D M9 0 0 0集成 了 以太 网 MAC控 制器，采用 3 3 V-5 V
11、宽电压，具有超低功耗模式、功率降低模式和电源故障模式。中心协调器控制器可以通过键盘 电路外接键 盘 和 L C D 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 T I 公司的 Z S t a c k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 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：OS A L任务主循环接收到应 用层 事件的 出发，调 用 应 用
12、 层 事 件 处 理 函 数 A P P P r o c e s s E v e n t 0，当 判断其为 AP P v b r k i n gE v t 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 C o l 1 e c t P r 0 c e s s()采集光照、温度和湿度等信息，并 将其通过 Z i g B e e 无线收发模块发送给中心协调器；如 果不是 A P P Wo r k i n g E v t 事件，则判 断是否为 AF I n c o mi n g Ms g C md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
13、，其可 以表示 为 图 5所示。应用层事件轮询函数 A p p _ P r o c e s s E v e n t()三=否 盘 I 一 Cmd 事 否、苎 皇 全 一 兰 启动控制节点对设备 l 进行控制 l 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!4 0 1 第3 4 卷第9 期2 0 1 2 9(上)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 OS A L操作 系统抽象层 进行资源管理，其定时进行 OS AL任务轮询主循 环，判断是否有事件发生，当
14、发生事件时，按优 先级对其进行处理。轮OS询A主L 循环卜 否I 件 茹 省 优 先 级 高 -调用事件 I 是 人否 是 l 协议栈 l 初始化 二 扫描 可用 信道 并建立网络 立 网络 成功 I是 接受节点 入 网请 求 有终端节点 日 加入网络，图6 中心协调器软件流程设计 否 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 VS 2 0 1 0，We b应用服务器采用微软的 I I S，数据库服务器采用 S Q L S e r v e r 2 0 1 0，其监控界面如 图 7 所示，当 0 7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
15、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。智髓家詹安防系统 点 潮赫 瓣蔫 鳓 确鞴 蠢 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【下转第5 6 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 q n (fl u x d e n s n o r m I T1 H n e 啦 xt i g ri s lO ，7 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
16、 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。参考文献：【1】宿国栋，靳伟 3 0 k W双转子永磁发电机磁场有限元研究 f J 1 电机 与控制应用，2 0 0 9，3 6(6)：1 4 1 6 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 ca动化，2 0 0 3，2 5(9)：4 6 3 郑甲
17、红，杜翠 Mw级 风力发电机轮毂 有限元分析【J】制 造 业 自动化，2 0 0 9，3 2(9)：5 5 5 6 【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，2 0 1 1，3 3(5 1：1 3 9 1 41 意 毒 品 出 霸毒霸 蠡 出 毒赢 蠡 蠡 鱼 矗 缸 【上接第4 0 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。参考文献：【1
18、】Ca r i e s Go me z，J o s e p P a r a d e l l s W i r e l e s s h o me a u t o ma t i o n ne t wor ks：a s ur ve y of a r c hi t e c t ur es a nd t e ch nol ogi es Co n s u me r c o mmu n i c a t i o n s a n d n e t wo r k i n g，2 0 1 0(6)：9 2 1 01 【2】J e r e my El s o n，Le wi s Gi r o d，De b o r a h
19、 Es t r i n F i ne gr a i n e d Ne t wo r k Ti me Syn c hr on i z a t i on Us i ng Re f e r e nc e 1 5 6 1 第3 4 卷第9 期2 0 1 2 9(上)Bo r a d c a s t s C】F i f t h S y mp o s i u m Op e r a t i n g S y s t e ms De s i gn a n d I mpl e me nt a t i on，Bos t o n，M a s s a e h us e t t s，US A，2 00l：1-2 3 俞文
20、俊，凌志浩 一种物联网智能家居系统的研 究 J J 自 动化仪表，2 0 1 1，3 2(8)：5 6 5 9 f 4 1严萍，张兴敢，柏业超，杜仲林 基于物联网技术的智能安 居系统f J】南京大学学报(自然科学)，2 0 1 2，4 8(1)：2 6 3 2 【5 刘三军，向丽萍，徐建，李晓艳 基于多C P U的智能机房物 联网系统【J】微电子学与计算机，2 0 1 1，2 8(9)：1 8 3 1 8 5，【6 L e e J i n S h y a n，Hu a n g Ya n g Ch i h I T RI Z Bn o d e：A Z i g Be e I E E E 8 0 2 1 5 4 P l a t f o r l T l f o r Wi r e l e s s S e n s o r N e t w o r k s C Pr o c of 2 00 6I EEE I n t e rna t i o na l Con f e r e nc e o n S ys t e ms，M a n a nd Cy be r n e tics Tai p e i，Ta i wa n，Ch i n a：I EEE Pr e s s，2 0o 6