人們對(duì)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(bào)率較高、維護(hù)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(chǎng)及大眾對(duì)家居安防系統(tǒng)的要求。現(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(shí)保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、高可靠性、低誤報(bào)率、低功耗及低成本維護(hù)。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(diǎn)的WSN和智能手機(jī)Android平臺(tái)，利用家庭網(wǎng)關(guān)構(gòu)建能進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的采集、傳輸及網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)存儲(chǔ)的智能家居安防系統(tǒng)，同時(shí)該系統(tǒng)可利用Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的WSN部分采用ZigBee協(xié)議，由多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)協(xié)調(diào)器組成，各終端節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，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(jī)頂盒、手機(jī)客戶端通過Internet完成對(duì)智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控。家居內(nèi)各傳感器信息通過終端節(jié)點(diǎn)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(bào)至服務(wù)器。為了降低本安防系統(tǒng)的誤報(bào)率，確保其高可靠性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)采集可燃?xì)怏w濃度的傳感器特意選用高靈敏度的可燃?xì)怏w傳感器，并結(jié)合集成在終端節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧內(nèi)部的防誤報(bào)算法，確保信息的準(zhǔn)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(dòng)開發(fā)基于Linux系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)智能家居安防系統(tǒng)的智能化，按照冗余設(shè)計(jì)需求使該模塊的設(shè)備描述符會(huì)能識(shí)別USB接口變動(dòng)，并對(duì)可能變換的設(shè)備描述符進(jìn)行讀寫操作。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2、硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 家庭網(wǎng)關(guān)硬件總體設(shè)計(jì)

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(jī)頂盒和ZigBee協(xié)調(diào)器共同組成。WSN各終端節(jié)點(diǎn)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(jī)頂盒的數(shù)據(jù)通信，機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)前及歷史數(shù)據(jù)。同時(shí)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(jī)客戶端、機(jī)頂盒上的上位機(jī)對(duì)室內(nèi)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)頂盒。WSN節(jié)點(diǎn)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(jī)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(jì)

MT8389為機(jī)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(xiàng)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。MT8389與網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

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(shí)時(shí)傳輸。整個(gè)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(tái)的初始化，然后進(jìn)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(shí)體，開始查詢事件表，若沒有調(diào)度，則一直進(jìn)行輪詢式判斷，當(dāng)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(duì)應(yīng)的idx進(jìn)行處理，該調(diào)度函數(shù)會(huì)根據(jù)事件任務(wù)優(yōu)先級(jí)由高向低依次排列。協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)串口通信程序設(shè)計(jì)在Linux下開發(fā)，主要完成通過對(duì)USB設(shè)備進(jìn)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(jī)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(jī)客戶端程序設(shè)計(jì)流程

服務(wù)器和手機(jī)客戶端、機(jī)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(jiǎn)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(dòng)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(qǐng)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(jì)流程如圖8所示。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)客戶端及機(jī)頂盒上的應(yīng)用均使用Android平臺(tái)，采用Java編程，上位機(jī)程序設(shè)計(jì)界面如圖9所示。用戶能進(jìn)行當(dāng)前溫濕度、光照強(qiáng)度、可燃?xì)怏w濃度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，并可通過導(dǎo)航欄中的報(bào)警項(xiàng)查看過去某段時(shí)間內(nèi)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。當(dāng)有異常情況發(fā)生時(shí)，異常信息推送到顯示界面，用戶點(diǎn)擊有異常情況圖標(biāo)即可查看異常類型，同時(shí)用戶可以點(diǎn)擊異常情況圖標(biāo)下的視頻查看圖標(biāo)，通過3G網(wǎng)絡(luò)或者Internet網(wǎng)絡(luò)對(duì)室內(nèi)情況進(jìn)行遠(yuǎn)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(bào)率低、安全便捷、操作簡(jiǎn)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?xì)怏w濃度、溫濕度、光照強(qiáng)度等情況。異常情況推送及后臺(tái)自動(dòng)處理能為用戶實(shí)時(shí)掌握室內(nèi)情況提供幫助并進(jìn)一步提供安全措施，用戶可以遠(yuǎn)程調(diào)用視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看導(dǎo)致異常出現(xiàn)的原因，進(jìn)而為保護(hù)家庭成員的生命財(cái)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(jì)中有重要的參考價(jià)值。