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时间:2015-10-2310 | 发布者:admin | 点击:

摘  要
        进入21世纪,物联网正在以超越“爆炸”的速度发展,其对世界的影响也是越来越明显。智能家居是现代家居生活的一种趋势,以至于在第三届中国国际物联网(传感器网络)博览会上,家居作为“智能十二五”规划中工信部主推应用领域之一,家居系统产品或网络家居得以展示,物联网技术在智能家居方面的应用已经初见成效。
随着物联网技术在智能家居系统中的应用不断成熟,考虑到智能家居系统中存在的一些安全问题,例如“如何对住宅环境进行实时监测”,以及现有家居安全系统存在的局限性,一种基于物联网的高度网络化智能家居安防系统被设计出来。该智能家居安防系统是针对对非授权访问进行检测、拦截和报警进行设计。本设计涉及到两个节点(CC2530芯片为主控芯片的开发板),一个用作协调器节点,一个用作终端设备;协调器负责组建网络,并维护网络,与PC电脑相连,终端设备负责控制各个功能模块的正常工作,并把数据传递给协调器节点。另外功能模块主要有温湿度采集模块、烟雾检测模块、继电器模块和人体红外传感模块。
本文主要从理论和原理方面对家居物联网的安全系统进行研究,另外也从硬件方面做了很简易的家居环境安全监测系统。
        【关键词】智能家居系统  物联网技术  家居安防 传感器网络

前  言
        智能家居是以住宅为平台,利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成,构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理化系统,提高家居安全性、便利性、舒适性、艺术性,并保证环保节能的居住环境。
        智能家居又称智能住宅,通俗地说,它是融合了自动化控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术于一体的网络化智能化的家居控制系统。智能家居将让用户有更方便的手段来管理家庭设备,比如,通过家触摸屏、无线遥控器、电话、互联网或者语音识别控制家用设备,更可以执行场景操作,使多个设备形成联动;另一方面,智能家居内的各种设备相互间可以通讯,不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行,从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与安全。
智能家居系统集综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术和音、视频技术与一体的将家居生活有关的设备集成的一个综合性系统。由于智能家居采用的技术标准与协议的不同,大多数智能家居系统都采用综合布线方式,但少数系统可能并不采用综合布线技术,如电力载波,不论哪一种情况,都一定有对应的网络通信技术来完成所需的信号传输任务,因此网络通信技术是智能家居集成中关键的技术之一。安全防范技术是智能家居系统中必不可少的技术,在小区及户内可视对讲、家庭监控、家庭防盗报警、与家庭有关的小区一卡通等领域都有广泛应用。自动控制技术是智能家居系统中必不可少的技术,广泛应用在智能家居控制中心、家居设备自动控制模块中,对于家庭能源的科学管理、家庭设备的日程管理都有十分重要的作用。音视频技术是实现家庭环境舒适性、艺术性的重要技术,体现在音视频集中分配、背景音乐、家庭影院等方面。

第一章  智能家居

第一节 智能家居的概述
        智能家居是在互联网的影响下物联化的体现。智能家居通过物联网技术将家中的各种设备(如音视频设备、照明系统、窗帘控制设备、安防系统、数字影院系统、网络家电以及三表抄送等)连接到一起,给家居生活提供家电控制、照明控制、窗帘控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监控、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多功能和手段。与传统家居相比较,智能家居不仅具有普通家居的居住功能,还兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化,集系统、结构、服务、管理为一体的高效、便利、舒适、安全、环保的居住环境,提供全方位的信息交互功能。帮助家庭与外部保持信息交流畅通,优化人们的生活方式,帮助人们有效安排时间,增强家居生活的安全性,甚至还为各种能源费用节约资金。
智慧家居概念的起源很早,但一直未有具体的建筑案例出现,直到1984年美国联合科技公司(United Technologies Building System)将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州(conneticut)哈特佛市(Hartford)的CityPlaceBuilding时,才出现了首栋的“智能型建筑”,从此就解开了全世界各国相争建造智能家居的序幕。

第二节 国内外智能家居的发展状况

一、国内智能家居的现状
        智能家居作为一个新生产业,处于一个导入期和成长期的临界点,市场消费观念还未形成,但随着智能家居市场推广普及的进一步落实,培育起消费者的使用兴趣,智能家居市场的消费潜力必然是巨大的,产业前景是光明的。正因为如此,国内相关企业越来越重视对智能家居行业市场的研究。智能家居至今在我国已经经历了近12年的发展,从人们最初的梦想,到今天真实的走进我们的生活,经历了一个艰难的过程。
智能家居在我国的发展经历大致可以分为四个阶段:萌芽期、开创期、徘徊期和融合演变期。萌芽期是智能家居在我国的第一个发展阶段,整个行业还处于一个熟悉概念和认识产品的阶段;开创期期间我国成立了多家智能家居研发生产企业。智能家居的市场营销、技术培训体系逐渐完善起来;徘徊期由于在开创期期间智能家居企业的野蛮成长和恶性竞争,给智能家居行业带来了极大的负面影响。同时,国外智能家居品牌局部进入中国市场;融合演变期市场明显出现增长的势头,在2011年以后,智能家居一方面进入一个相对快速的发展阶段,另一反面协议与技术标准开始主动互通和融合,使智能家居行业的发展更加快速。

二、国内的相关政策
        截止2013年,全球范围内信息技术创新不断加快,信息领域的新产品、新服务和新业态大量涌现,不断激发新的消费需求,成为日益活跃的消费热点。我国的市场规模非常的庞大,也正处于居民消费升级和信息化、工业化、城镇化、农业现代化加快融合发展的阶段,信息消费具有良好的发展基础和巨大的发展潜力。我国政府为了推动信息化、智能化城市发展在2013年8月14日发表了关于促进信息消费扩大内需的若干意见,大力普及宽带、宽带提速,加快推动信息消费持续增长,这都为智能家居、物联网行业的发展打下了坚实的基础。
        鼓励智能终端产品创新发展。面向移动互联网、云计算、大数据的热点,加快实施智能终端产业化工程,支持研发智能手机、智能电视等终端产品,促进终端与服务一体化发展。支持数字家庭智能终端研发及产业化,大力推动数字家庭示范应用和数字家庭产业基地建设。鼓励整机企业与芯片、器件、软件企业协作,研发各类新型信息消费电子产品。支持电信、广电运营单位和制造企业通过定制、集中采购等方式开展合作,带动智能终端产品竞争力提升,夯实信息消费的产业基础。

三、国外智能家居的现状
        自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现以后,美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚的经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。智能家居在美国、德国、新加坡、日本等经济发达国家都有广泛的应用。
1998年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上,通过在场内模拟“未来之家”,推出了新加坡模式的家庭智能化系统。它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和软件配置等。
        比尔盖茨的家是国外第一个使用智能家居的家庭,至今已经快有30年的历史了,智能家居控制系统也逐渐进入人们的视野中,也让更多的人了解和尝试这么一个新鲜的事物。


第三节 智能家居中的安全问题

        随着人们居住环境的升级,人们越来越重视自己的个人安全和财产安全,对人、家庭以及住宅的小区的安全方面提出了更高的要求;同时,经济的飞速发展伴随着城市流动人口的急剧增加,给城市的社会治安增加了新的难题,要保障小区的安全,防止偷抢事件的发生,就必须有自己的安全防范系统,人防的保安方式难以适应我们的要求,智能安防已成为当前的发展趋势。
智能家居系统中的安全防范措施一般包括视频监控、设置门禁系统和防盗报警。视频监控是对主要的出入口通道以及家中比较重要的地方进行监控,该方式有效地对家居环境进行监控。设置门禁系统,可以有效地阻止“非授权入侵”。防盗报警是在门禁系统中的一个扩展功能,当有陌生人妄想以强硬的手段进入到房屋内时,我们的防盗报警系统可以在他触动门禁系统的同时,警报响起,当然更加完善的系统还可以给房子主人发送短信,提醒他家中有陌生人闯入,同时给小区保安室也发一条短信,告知他小区有安全隐患发生。
        智能安防系统也是一个不小的系统,在进行具体的设计的时候需要考虑到很多实实在在的问题,例如系统集成化问题。从当前的发展现状来看,各类智能家居的安全防范措施的发展还处于起步阶段,各有利弊,这就需要我们对这些进行总结,探索一种安全系数高、价格较低的安防系统,从而为人们提供一个安全、舒适的生活环境。

第四节 本章小结
         本章主要对智能家居作一个大概的介绍,这包括智能家居系统的功能以及智能家居在国内外的发展现状,并对智能家居的发展前景是非常看好的。智能家居系统是一个庞大的系统,在这个系统中,综合应用了很多的技术手段,包括综合布线技术、计算机网络技术、网络通信技术以及无线传感器网络技术等。
         智能家居行业在国内发展的时间也还不是很长,但是取得的成就是无可非议的,但是,智能家居各方面的功能也还不是很完善,智能家居安防系统就是一例,所以才有本文对家居物联网安全系统的研究这么一个课题。

第二章  基于物联网的智能家居系统

第一节 物联网技术
        物联网(Internet of Things)是由Kevin Ashton在1998年提出来的,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。
        物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体,让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化,自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。
        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,主要负责数据的监控和分析等。物联网的应用技术架构可以表示为图所示。

                                    

第二节 IEEE 802.5.4/ZigBee无线通信标准

一、IEEE 802.15.4标准简介
        IEEE 802.15.4是一种结构、低成本、低功耗的无线通信网络协议标准。它具备如下特征:(1)实现20kb/s、40kb/s、100kb/s、250kb/s四种不同的传输速率。(2)支持星型和点到点两种拓扑结构。(3)在网络中采取两种地址方式:16位地址和64位地址。其中16位地址是有协调器分配的,64位地址是全球唯一的扩展地址。(4)采用可选的时槽保障(GTS)机制。(5)采用带冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA-CA)的信道访问机制。(6)支持ACK机制以保证可靠传输。(7)低功耗机制。(8)链路能量检测(ED,Energy Detection)。(9)链路质量指示。(10)工作在ISM频段上,其中在2.4GHz波段上有16个信道,在915MHz波段上有30个信道,在868MHz上有3个信道。(11)数据安全策略。
        在IEEE 802.15.4中定义了两种设备:全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)。在无线传感器网络中,全功能设备可以担任协调器、路由器和终端节点的角色,在担任协调器时主要负责组建网络;精简功能设备担任只能担任路由器节点和终端节点的角色,主要进行数据采集、实时监控的工作。

                       

        IEEE 802.15.4标准定义了物理层和MAC子层,符合开放系统互连模型(OSI)。物理层包括射频收发器和底层控制模块,MAC子层为高层提供访问物理信道的服务接口。图2表明了协议层次之间的关系。

                                   

        在MAC子层之上的高层包括网络层和应用层,对于不同高层协议,也可以通过逻辑链路控制子层(LLC,Logical Link Control)以及特定服务聚合子层(SSCS)来访问MAC子层。

二、ZigBee标准简介
        ZigBee是一种标准,该标准定义了短距离、低数据传输速率无线通信所需要的一系列通信协议[1]。基于ZigBee的无线网络所使用的工作频段为868MHz、915MHz和2.4GHz,最大数据传输速率为250kbps。

1、ZigBee网络层功能实现
        ZigBee标准确定了ZigBee网络中的三种设备:ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备。每一个网络都必须包括一台ZigBee协调器,它负责建立并启动一个网络,其中包括选择适合的射频信道、唯一的网络标识符等一系列操作。ZigBee路由器作为远程设备之间的中继器来进行通信,能够用来拓展网络的范围,负责搜寻网络路径在任意两个设备之间建立端到端的传输。ZigBee终端设备作为网络中的终端节点,负责数据采集。

2、ZigBee组网
        组建一个完整的ZigBee网状网络包括两个步骤:网络初始化、节点加入网络,其中节点加入网络又包括了两个步骤:通过与协调器连接入网和通过已有的父节点入网。
ZigBee网络的建立是由网络协调器发起的,任何一个ZigBee节点要组建一个网络必须要满足两个条件:(1)节点是全功能设备(FFD);具备ZigBee协调器的能力;(2)节点还没有与其他网络连接,当节点已经与其他网络连接时,此节点只能作为该该网络的子节点,因为一个ZigBee网络中有且只有一个协调器。
ZigBee组网的流程如图所示:

                                

3、ZigBee的特点
        总得来说ZigBee技术具有如下特点:(1)高可靠性。ZigBee联盟在制定ZigBee规范时已经考虑到数据在传输过程中的内在的不确定性,采取了一系列措施来提高数据传输的可靠性,主要包括:物理层兼容搞可靠的短距离无线通信协议IEEE 802.15.4同时使用OQPSK和DSSS技术;使用CSMA-CA技术来解决数据冲突问题;使用16-bits CRC来确保数据的正确性;使用带应答的数据传输方式来确保数据正确的传输目的地址;采用星型网络尽量保证数据可以沿着不同的传输路径从源地址到达目的地址。(2)低成本、低功耗。低功耗只是针对终端节点而言的,因为只有终端节点才可以定时休眠,而协调器和路由器节点必须一直供电;ZigBee模块成本低,大量布点比较经济,一个路由节点可以管理高达255个节点。(3)高安全性。(4)低数据速率。

第三节 家居物联网安全系统的研究

一、家居物联网系统
        随着物联网技术的不断成熟,物联网在智能家居中的应用方案也不断被人们所接受。物联网技术的应用克服了传统家居布线困难、维护难度大和停电易造成系统瘫痪等问题。物联网的发展也为智能家居引入了新的概念和发展空。
        物联网技术是由许多个功能相同或者是不同的无线传感器节点通过自组方式形成的无线网络,具有检测精度高、低功耗、低成本、实时性好、高容量和覆盖面积大等显著的优点。基于物联网技术的智能家居系统,充分利用计算机技术、无线通信技术、无线传感器网络技术、电力自动化、信息集成、智能传感和电力电子技术等技术的优点[8],将所有不同的设备应用和综合功能互连于一体,以无线数据传输的方式,连接智能传感器,设计“物—物”和“人—物”相联的网络系统,能够把家居电气信息、家居防盗信息、家居电器信息和家居环境等信息整合与共享,能够实现人们对物的远程监控,建立智能化高效率的现代化家居生活环境。
        利用物联网技术设计智能家居电器控制系统总体框图如图所示:

                         

二、系统安全问题的研究
       智能家居系统的功能非常的强大,而系统的安全问题也是必须优先考虑的一点。安防监控系统是智能家居系统中保证家居生活安全的一个系统,其包括个人安全和财产安全。传统的人防的保安方式已经难以适应我们对家居安全的要求,所以智能安防成为了当前发展的趋势。
        智能安防系统主要包括视频监控系统、防盗报警系统和电器安全控制和检测系统三个子系统。视频监控系统的智能化具有以下优点:1、安全:安防系统可以对陌生人入侵、煤气泄漏、火灾等情况提前及时发现并通知主人。2、简单:操作非常简单,可 以通过远程遥控器或者门口控制器进行布防或者撒放。3、实用:视频监控系统可以依靠安装在室外的摄像机可以有效地防止小偷进一步行动,并且可以在事后取证给警方提供有利的证据。
        实现智能安防的技术很多,但都各有利弊,并且技术不是很成熟,本文研究的基于物联网技术的安防系统,是当前最为流行的一种技术方式,因为物联网技术运用在智能家居安全系统中可以避免大面积的布线,又可以大量布点,并且可以降低成本。

第四节 本章小结

        本章介绍物联网的起源和发展、它所具备的核心技术和重要特点。也正因为物联网具有那些特点,使物联网的发展非常迅猛,技术更是不断成熟,被广泛应用于各个行业。
物联网技术上的一些优点,克服了传统家居中存在的一下困难。物联网技术应用在智能家居系统中,给智能家居引入了很多新的概念,并给智能家居的发展留下了新的空间,同时智能家居系统功能会更加强大,更加完善,使人们的家居生活更加舒适,更加人性化。基于物联网技术的智能家居系统设计会把智能家居行业带到一个崭新的舞台,这也会是行业发展的一种趋势和热点。
最后介绍基于物联网智能家居的安全系统,安全问题应该是智能家居系统最重要、最优先考虑的一个问题,因为所有的家居生活要顺利开展,必须的保证家居生活的安全。只有不存在安全隐患的情况下,所有的功能才有实现的意义,所以本设计重点研究智能家居系统的安全性能。

第三章  硬件描述

第一节 设计总框图
        本设计通过组建一个ZigBee无线网络,实现对家居环境进行实时监测。该ZigBee无线网络包括一个协调器节点和一个终端设备,这两个节点都是用TI公司的CC2530芯片搭建的开发板构成的,这两个开发板是一样的,只是在使用的时候,通过烧录不同的程序代码,使它们实现不同的功能
        本文采用的ZigBee技术有个优点是低功耗,这里只需要两节5号电池就可以支持长达6个月到2年左右的使用时间[9]。所以不需要设计专门的电源模块供电,那样在使用过程中也是十分的不方便,除了用电池供电外,还有一种方法,就是用太阳能电池对节点供电,在这里就不介绍太阳能电池供电的情况了。

                                     

第二节 CC2530芯片及最其小系统介绍

一、CC2530芯片简介
        CC2530是用于2.4GHz的IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案。它能够以非常低的总得材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能,业界标准的增强型8051CPU,系统内可编程闪存,8KB RAM和许多其他强大的功能。CC2530有四种不同的闪存版本:CC2530F32/64/128/256,分别具有32/64/128/256KB的闪存。CC2530具有不同的运行模式,使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低功耗能源消耗。
        CC2530内在集成的模块大致可以分为三种类型:CPU和内存相关的模块;外设、时钟和电源管理相关的模块;无线电相关的模块。
        CC2530采用6mm*6mm的QFN40封装,CC2530功能引脚图如图:

                                 

        CC2530共有4个定时器。定时器1是一个独立的16为定时器,支持典型定时/计数功能,定时器有五个独立的捕获/比较通道,每个通道定时器使用一个I/O引脚。定时器用于范围广泛的控制和测量应用。定时器2是一个24位的睡眠定时器,运行在一个32KHz的时钟频率上,定时器在复位之后立即启动,如果没有中断就继续运行。定时器的当前值可以从SFR寄存器ST2:ST1:ST0中读取。定时器3和4是两个8位的定时器,每个定时器有两个独立的比较通道,每个通道上使用一个I/O引脚,定时器3/4的特性有:(1)两个捕获/比较通道;(2)设置、清除或切换输出比较;(3)时钟分频器,可以被1、2、4、8、16、32、64、128整除;(4)在每次捕获/比较和最终计数事件发生时产生中断请求;(5)DMA触发功能。

二、CC2530最小系统组成
        CC2530最小系统的构建是保证CC2530能够实现其所有功能的前提条件,该芯片只需要少许的外部器件就能够完成其最小系统的搭建。CC2530最小系统电路图如图:

                   

1、晶振电路
CC2530需要两个晶振电路,一个32MHz的和一个32.768MHz的,晶振电路的接口如图:

                     

2、天线电路
        在基于ZigBee协议的无线传感器网络构建过程中,天线电路的设计较为重要,因为这涉及射频通路指标是否优良,对通信距离、系统功耗都有较大的影响。本文的天线电路设计如图

   

第三节 功能模块介绍
        本设计主要涉及到温湿度检测模块、毒烟检测传感器模块、人体红外探测模块、光敏传感器模块、液晶显示模块和继电器。

一、温湿度检测模块
        本设计温湿度检测采用的是DHT11温湿度传感器,这是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器[10]。它应用专门的数字模块采集技术和温湿度传感器技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿器元件和一个NTC测湿元件,[11]并与一个高性能8位单片机相连接。因为该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
1、传感器性能说明
传感器性能说明如表
参数    条件    Min    Typ    Max    单位
湿度
分辨率        1    1    1    %RH
            8        Bit
重复性            ±1        %RH
精度    25℃        ±4        %RH
    0-50℃            ±5    %RH
互换性    可完全互换
量程范围    0℃    30        90    %RH
    25℃    20        90    %RH
    50℃    20        80    %RH
响应时间    1/e(63%)25℃,1m/s 空气    6    10    15    S
迟滞            ±1        %RH
长期稳定性    典型值        ±1        %RH/yr
温度
分辨率
        1    1    1    ℃
        8    8    8    Bit
重复性            ±1        ℃
精度        ±1        ±2    ℃
量程范围        0        50    ℃
响应时间    1/e(63%)    6        30    S

2、温湿度检测模块原理图
温湿度检测模块原理图如图:

                                        

二、烟雾检测模块
        本设计烟雾检测采用的是MQ-2烟雾传感器。MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时,传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高,对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体,是一款适合多种应用的低成本传感器。MQ-2的主要特征如下:
工作温度:-10℃~+50℃
报警浓度:0.65~15.5%FT
工作湿度:10~90%
工作电源:12VDC/9VDC
信号输出:常开/常闭
安装方式:吸顶
外壳:阻燃树脂
产品尺寸:直径105mm 厚度32mm
MQ-2气敏元件的结构和外形如图

                      

        根据MQ-2的工作原理(其电导率随着气体浓度的增大而增大,其电阻是电导率的倒数,所以随着烟雾浓度的增大其电阻是减小的)并且参考图MQ-2Datasheet上的测试电路,在根据图3.7的电路图,可以得到烟雾传感器的输出电压如式

                                                   

三、人体红外探测模块
        本设计采用HC-SR501人体感应模块进行人体探测,HC-SR501是基于红外线技术的自动控制模块,采用德国原装进口的LHI778探头设计,灵敏度高,可靠性强,超低电压工作模式,广泛应用于各类自动感应电器设备,尤其是干电池供电的自动控制产品。
        HC-SR501人体感应模块的电气参数如表:
产品型号    HC-SR501人体感应模块
工作电压范围    直流电压4.5-20V
静态电流    <50uA
电平输出    高3.3V/低0V
触发时间    L不可重复触发/H课重复触发
延时时间    0.5-200S(可调)可制作范围零点几秒-几十分钟
封锁时间    2.5-200S(可调)可制作范围零点几秒-几十秒
电路板外形设计尺寸    32mm*24mm
感应角    <100度锥角
工作温度    -15-+70度
感应透镜尺寸    直径23mm(默认)
        HC-SR501人体感应模块的功能特点如下:
全自动感应:人进入其感应范围则输出高电平,人离开感应范围则自动延时关闭高电平,输出低电平。
光敏控制(可选择,出产是未设置)可设置光敏控制,白天或光线强时不感应。
两种触发方式:一种是不可重复触发方式,即感应输出高电平后,延时时间段一结束,输出将自动从高电平编程低电平;另一种是可重复触发方式,即感应输出高电平后,在延时时间段内,如果有人体在其感应范围内,其输出将一直保持高电平,直到人离开后才延时将高电平变为低电平。
具有感应封锁时间(默认设置2.5S的封锁时间):感应模块在每一次感应输出后(高电平变成低电平),可以紧跟着设置一个封锁时间段,在此时间段内感应器不接受任何感应信号。此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作,可应用于间隔探测产品,同时此功能可有效的抑制负载切换过程中产生的各种干扰。(此时间可设置在零点几秒至几十秒)。
微功耗:静态电流<50微安,特别适合干电池供电的自动控制产品。
输出高电平信号:可方便与各类电路实现对接。
HC-SR501人体感应模块的电路如图

                                 

四、光敏传感器模块
        光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器,它的敏感波长在可见波长附近,包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测,它还可以作为探测元件组成的其他传感器,对许多非电量进行检测,只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。
         光敏传感器中最简单的电子器件是光敏电阻,它能感应光线的明暗变化,输出微弱的电信号,通过简单电子线路的放大处理,可以控制LED灯具的自动开关。因此自动控制、家用电器中得到广泛的应用。
光敏传感器模块电路图如图

                                         

五、显示模块
        本设计显示模块采用的是OLED,即有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode),又称为有机激光显示。OLED由于同时具备自发光,不需要光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲线面板、使用温度范围广、构造及制程比较简单等优点。被认为是下一代的平面器新兴应用技术。
        LCD都需要背光,而OLED不需要,因为它是自发光的。这样同样的显示,OLED效果要来得好一些。以目前的技术,OLED的尺寸还难以大型化,但是分辨率却可以做到很高。在本次设计中,使用的是ALINETEK的OLED显示模块,该模块有一下的特点:
模块有单色和双色两种可选,单色为纯蓝色,双色是黄蓝两色。
尺寸小,显示尺寸为0.96寸,而模块的尺寸仅为27mm*26mm大小。
高分辨率,该模块的分辨率为128*64。
多种接口方式,该模块提供了总共5种接口包括:6800、8080两种并行接口方式、3线或4线的串行SPI接口方式、IIC接口方式(只需要两根线就可以控制OLED了)。
不需要高电压,直接接3.3V就可以工作了。
5种模式通过模块的BSO~2设置,BSO~2的设置与模块接口模式的关系如表3.3所示
表3.3 设置5种模式与模块接口的关系
模块跳线口    IIC接口    6800并行接口    808并行接口    4线串行接口    3线串行接口
BS0    0    0    0    0    1
BS1    1    0    1    0    0
BS2    0    1    1    0    0
显示模块的原理图如图

                      

         该模块采用8*2的2.54排针与外部连接,总共有16个管脚,在16条线中,我们只用了15条,有一个是悬空的。15条线中,电源和地线占了2条,还剩下13条信号线。在不同模式下,我们需要的信号线数量是不同的,在8080模式下,需要全部13条,而在IIC模式下,仅需要2条线就够了!这其中有一条是共同的,那就是复位线RST(RES),RST上的低电平,将导致OLED复位,在每次初始化之前,都应该复位一下OLED模块。
模块的8080并行接口的发明者是INTEL,该总线也被广泛应用于各类液晶显示器,ALIENTEK OLED模块也提供了这种接口,使得MCU可以快速的访问OLED。ALIENTEK OLED模块的8080接口方式需要如下一些信号线:
CS:OLED片选信号。
WR:向OLED写入数据。
RD:从OLED读取数据。
D[7:0]:8位双向数据线。
RST(RES):硬复位OLED。
DC:命令/数据标志(0,读写命令;1,读写数据)。

六、继电器模块
        继电器是具有隔离功能的自动开关元件,广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中,是最重要的控制元件之一。继电器一般都有能反映一定输入变量(如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等)的感应机构(输入部分);在继电器的输入部分和输出部分之间,还有对输入量进行耦合隔离,功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构(驱动部分)。
        由于家电电器工作电压是220V,而单片机工作电压是5V,因而监控家电时需要引入继电器。继电器是一种控制器件。它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中,它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。当收到特定的短信要把家电打开时,MCU通过打开继电器给插座上电,即可打开家电,当需要关闭家电时,也是通过继电器关闭家电。
        CC2530是一个弱电器件,一般情况下它们大都工作在电压为5V甚至更低、驱动电流在mA级以下,而要把它的输出用于一些大功率场合,比如控制步进电机,很显然是不可行的。因此,就要设计一个环节来衔接,这个衔接环节就是“功率驱动”。一个典型简单的功率驱动环节就是继电器的驱动。此处,继电器驱动含有两层意思:一是通过GPIO口对继电器本身进行驱动,因为继电器对于CC2530来说是一个功率器件;另一个就是继电器去驱动其它负载,比如继电器可以驱动中间继电器,也可以直接驱动接触器,因此继电器驱动就是CC2530与其塔大功率负载的接口。CC2530的I/O口输出电压高电平为3.3V,直接接上继电器后电平被拉低,无法控制继电器的闭合。三极管具有良好的信号放大功能,信号经过三极管的放大后,再接入继电器,可以实现对继电器的控制,最终实现对交流电路的控制。
继电器的原理图如图

                                              

继电器模块的电路图如图

                                    

第四节 本章小结
         本章通过对基于物联网的智能家居的分析,确定了系统总体架构设计,然后针对其方案进行软硬件选型。首先是确定以CC2530为主控芯片的开发板作为网络中的节点,一个为协调器,主要负责组建网络;一个为终端节点,主要负责控制各个功能模块进行功能实现,并向协调器发送信息。然后确定了该方案所涉及到的功能模块(主要包括温湿度检测模块、烟雾检测模块、人体感应模块、光电传感模块、显示模块和继电器模块),对各个功能模块进行分析,最后确定各个功能模块的设计。

第四章  课题的软件描述

第一节 总体流程
         现代家居理念倡导低碳环保,要求在低能耗的条件下完成家居生活的智能化革命。本系统的传感器单元采集、传输数据设计为周期工作,系统各传感元件状态可分为工作状态和休眠状态。整个无线传感器网络分为三种类型:底层普通节点、簇中心节点和网络协调器。一般的传感器节点和控制节点作为底层普通节点,传输的数据通过簇中心节点进行收集转发和协调,再经过网络协调器到达监控中心服务器。设计总的流程图如图:

                                       

第二节 无线网络节点软件设计

一、无线传感器和控制节点软件设计
         无线传感器和无线控制节点都是无线传感器网络的底层的普通节点,承担了智能家居环境参数的采集和执行器件的控制任务。作为底层普通节点的无线通信模块,当节点初始化后,它会依据ZigBee协议搜寻网络,并请求加入节点。请求得到确定后,节点会 将自身的地址发送给协调器,并自动与协调器建立绑定。在接收到数据传送请求之后,无线传感器节点就会将采集的环境数据值按时传给协调器,无线控制节点则接收协调器的控制命令对执行器件进行相应的控制输出。该节点的软件流程如图:

                          

二、网络协调器节点软件设计
         网络协调器负责接收由簇网络的簇中心节点发来的数据并及时传送给键控中心服务器,同时接收监控中心服务器的控制命令,通过簇节点发送给无线控制节点。网络协调器在完成初始化后,则新建无线网络,如果新建网络成功,允许网络协调器设定为绑定。此时,网络协调器检测是否有节点要求加入网络,如果接受到节点的加入请求,网络协调器会记录下节点的地址,并建立绑定,同时向各节点发出传送数据。网络协调器的软件流程图如图:

                                      

第三节 功能模块的软件设计

一、烟雾检测模块
         MQ-2气体传感器可检测多种可燃性气体,当传感器所处环境中存在可燃性气体时,传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出电压信号。根据传感器输出的电压大小判断环境中可燃性气体浓度的大小。
         MQ-2气体传感器输出的是电压信号,处理器要把相应的电压值转换成对应的数值,CC2530自带了A/D转换的功能,A/D转换芯片在嵌入式系统中对应的设备文件中,首先系统调用函数打开嵌入式设备中的A/D转换设备,打开设备失败返回-1,以后的系统函数就可以对设备进行操作。
         如图所示,MQ-2其他传感器有6只针状管引脚,其中4个用于信号输出,2个用于提供加热电流。设传感器表面电阻是Rs,它是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号输出获得的,参考MQ-2datasheet 可得二者之间的关系如式所示:

                                                                         
                                           
         根据式4.1以及MQ-2的工作原理(其电导率随着气体浓度的增大而增大,其电阻式电导率的倒数,所以电阻是减小的,其特性相当于一个滑动变阻器),可以得到式:

                                                                               
                             
         Vc为回路电压即电源电压,其加在MQ-2传感器的1脚、3脚之间,Vout是传感器4脚、6脚输出电压,R3为传感器的体电阻。若气体浓度上升,必将导致R3下降。而R3的下降则会导致MQ-2的4脚、6脚对地输出的电压增大,所以气体浓度增大,其输出电压 也会增大。
         CC2530开发板的A/D转换器会把输入的模拟电压信号转换成0-1023之间的数字,转换成的数字越大,说明电压越大即烟雾浓度越大。假设程序中经过A/D转换后的数字是C,在程序中可以设两个值C1、C2,假设C1=400,C2 =800,若C>C1,系统把室内的抽风机打开,把有害气体排出室外,若C>C2,系统把蜂鸣器开起,进行报警。
         此烟雾报警模块的程序流程图如图所示:

                                       

二、红外人体感应模块
        红外人体感应模块在智能家居系统中广泛应用,可以应用在家门外,检测是否有陌生人靠近房屋,也可以使用在保险柜处,检测是否有人在保险柜附近活动,还可以使用在窗户边,有效的防止小孩在窗户边玩耍时,不小心从窗户掉到楼下去。本设计以预防小孩坠楼为例说明红外人体感应模块的用处。
        我们通过在窗户附近安装人体红外传感器,检测到小孩靠近窗户时将关闭窗户,小孩离开窗户后将把窗户打开,最大限度保护小孩的安全。在模型中我们只用了一个人体红外传感器,还不能准备判断是大人还是小孩靠近窗户,但在实际项目中可在不同高度安装人体红外传感器通过高度准确是大人还是小孩靠近窗户。
红外传感器正常工作时,人在进入传感器的检测范围内,输出高电平。当安装在窗户边的传感器检测到有小孩时,系统决定将窗户关闭。红外人体感应模块的程序流程图如图所示:

                                         

三、温湿度检测模块
        温湿度检测模块是对家居环境的温度和湿度进行实时检测,当温度过高或过低时可以通过空调控制室内的温度,使室内温度保持在一个适当的温度值;同样,当室内湿度过高或过低时,可以通过抽湿器或加湿器对室内湿度进行调节。温室度检测模块的程序流程图如图所示:

                                     

第四节 本章小结
        本章介绍系统主要环节的软件实现过程,首先介绍系统总体框架设计,然后介绍无线传感器网络节点的程序实现流程图(包括网络协调器节点和网络终端节点),最后介绍主要模块的实现流程图,这包括红外人体感应模块、烟雾检测模块和温湿度检测模块。

第五章  系统测试

第一节 网络测试
        本文的无线网络中包括两个节点,一个协调器,一个终端设备。无线网络是由协调器发起的,当给协调器节点上电以后,LED3灯常亮组建网络成功,如图所示所示:

       

        协调器成功组建网络以后,给终端节点上电,刚开始led1闪亮,当成功加入网络以后,led3常亮,同时在显示屏上显示“EndDevice:A9e3  Parent:0”,如图5所示,表示终端设备的地址为:A9E3,父节点(也就是协调器)地址为:0。

       

        当协调器突然断电,也就网络消失,这时终端设备led1和led3都闪亮,一直扫描周围环境的网络存在情况。显示屏上显示“Assoc cnf fail”,表示加入网络失败。

第二节 烟雾检测模块测试
        烟雾报警模块在室内空气质量良好时功能模块上的led灯是处在关闭状态的,当烟雾浓雾偏高时,功能模块中的led灯打开,同时系统把抽风那机打开把室内有害气体排出室外;当烟雾浓度过高时,功能模块中的led灯打开,同时启动蜂鸣器进行烟雾报警。
        在进行系统测试时,用打火机给烟雾传感器加烟雾,测试烟雾传感器检测打火机有害气体的情况进行测试,经过测试,此功能模块正常工作。
        当室内空气质量良好时,功能模块状态如图所示:

        

        当室内空气中烟雾浓雾偏高时,功能模块状态如图所示:

       

第三节 ZigBee管理系统界面
        ZigBee管理系统时一款对无线传感器网络系统进行管理和监控的软件,针对不同的开发项目,可以设定不同的模型,本设计所用到的ZigBee管理系统涉及到的功能有:环境温湿度的检测以及温度/湿度的趋势曲线;烟雾检测功能和灯控功能。ZigBee管理系统界面如图5.5所示:
        ZigBee管理系统就是一个上位机,能够对家居环境和家庭中的家电进行控制,这很方便我们对家居环境有一个很清晰的了解,更有利于我们对家中的家用电器进行远程控制,实现家居安防功能。
图是刚打开管理系统时的界面显示,当无线传感器网络建立起,各功能模块都正常工作,在进行数据采集时,显示的界面如图所示
        我们先打开管理系统,找到串口,并打开,然后点击“自动更新”按钮,最后按下终端设备上的S1键,进行数据上传,这时管理系统的界面上就会显示功能模块采集到的数据。另外,当我们按下管理系统上“关闭所有灯”的按钮时,就会对我们家居中的台灯进行关闭。

                       

                       

第四节 本章小结
        本章主要是对系统实现功能进行测试,主要测试烟雾传感器对空气中烟雾浓度检测和温湿度传感器对家居生活中温度和湿度的检测。另外就是测试ZigBee管理系统对无线传感器网络中功能模块的监控。最终测试表明,各功能模块和管理系统都能正常工作。

第六章  总结
        本文题目叫“家居物联网安全系统的研究”,主要研究智能家居安防系统,但是由于条件和能力方面的限制,只做了智能家居系统中涉及到的很少的一部分,虽然硬件做的很简单,但是通过这次设计,我对智能家居有了很深入的了解。
在设计智能家居安防系统之前我们需对智能家居整个系统有很深入的了解。因为智能家居系统是一个庞大的系统,这个系统是由很多子系统集成在一起,一起工作、统筹管理,最终才实现智能家居系统的功能。其中涉及到的很多知识与我的专业知识相距甚远,如建筑、计算机、通信等,更加涉及到很多人文的内容。所以在作品的实现及论文的撰写过程中,都遇到了比较大的困难。这也从一个侧面反映了智能家居安防系统在设计和部署过程中的难度,也就可以理解为什么智能家居系统没有能被广泛应用。
本文的硬件设计涉及到很少的功能模块,其中包括温湿度检测、烟雾检测以及灯的控制;而且主要是实现环境安全,所以本文有很大的改进空间,在条件允许的情况下,本文待改进的地方有:
①再增加几个终端设备,实现智能家居系统更多的功能;
②增加更多的功能模块,例如GSM通信模块,实现远程遥控功能;
③把门禁系统增加进去,如果将门禁系统增加进去的话,就需要再考虑可视通话、指纹识别、和防盗报警等功能模块了;
④再设计一个视频监控系统,实现对家居环境的实时监控。


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