北大版-付蔚編著-家居物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)及實踐ch04

1、智能家居系統(tǒng)概智能家居系統(tǒng)概述述4.1 家居安防體系概述 4.2 家居安防的典型設(shè)備4.3 家居安防的應用測試4.1家居安防體系概述隨著人們生活水平的提高和科技水平的不斷進步，人們對于家居的要求不僅僅只是一個居住的設(shè)施，而是一個溫馨、舒適、安全、健康的生活環(huán)境。智能家居就應運而生了，智能家居的發(fā)展直接推動了家居安防智能化的發(fā)展，另外建設(shè)部就智能家居發(fā)展提出的全國住宅小區(qū)智能化技術(shù)示范工程建設(shè)大綱將智能家居劃分為幾個等級標準，將家居安防智能化技術(shù)納入智能家居必備的功能中。智能家居安防系統(tǒng)拓撲圖智能家居安防實際上是將家庭控制設(shè)備連接到報警設(shè)施上，實現(xiàn)對非法闖入的盜竊、搶劫行為和突發(fā)事件進行及時報警

2、，搶救和保護的功能。家居安防報警包括了防盜報警、火災報警和煤氣泄露報警等。家庭中所有的安全探測裝置，如消防類(煙感、煤氣泄漏報警器等)、防盜類(門磁、窗磁、各種監(jiān)測器、防盜幕簾、緊急求救按鈕等)，都連接到家庭智能終端，對其狀態(tài)進行監(jiān)測。當發(fā)生警報時，家庭智能終端將警情根據(jù)設(shè)置進行各種操作，包括啟動警鈴和聯(lián)動設(shè)備、撥打設(shè)定的報警電話。如與社區(qū)系統(tǒng)相連，還可同時把警情送往小區(qū)監(jiān)控服務(wù)器4.2 家居安防的典型設(shè)備4.2.1窗磁、門磁和紅外探測器門磁系統(tǒng):是一種安全報警系統(tǒng)，分門磁、窗磁(原理相同，形狀相異)。傳統(tǒng)的門磁/窗磁由兩部分組成：較小的部件為永磁體，內(nèi)部有一塊永久磁鐵，用來產(chǎn)生恒定的磁場，較

3、大的是門磁主體，它內(nèi)部有一個常開型的干簧管。當永磁體和干簧管靠得很近時(小于5毫米)，門磁傳感器處于工作守候狀態(tài)，當永磁體離開干簧管一定距離后，處于常開狀態(tài)。窗磁與門磁主要包括無線發(fā)射器和磁塊兩部分用來檢測門和窗戶的非法打開和非法移動(盜賊開門窗，門窗與門窗框必將產(chǎn)生移位，門磁與磁塊也同時產(chǎn)生位移，此信號即刻由無線報警發(fā)射器發(fā)射給網(wǎng)關(guān))，當用戶啟動布防模式，窗磁與門磁啟動，檢測到安防隱患時自動報警，報警信息同步上傳給終端，并發(fā)布警報信息給小區(qū)物業(yè)，消除消防隱患。電源要求10-15VDC；35mA(最大)/12VDC；在額定電壓12VDC時AC波動：3Vpp工作溫度；5%95%相對濕度，無霜工作

4、距離30開關(guān)觸點可選擇常開或常閉觸點紅外探測器:是將入射的紅外輻射信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出的器件.現(xiàn)代紅外探測器所利用的主要是紅外熱效應和光電效應。這些效應的輸出大都是電量，或者可用適當?shù)姆椒ㄞD(zhuǎn)變成電量。主要由被動式紅外探測器和無線報警模塊兩部分組成，啟動布防模式后，當探測到移動目標的紅外輻射后，無線報警模塊向家庭無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)報警，從而啟動系統(tǒng)聯(lián)動報警。電源要求10-15VDC；35mA(最大)/12VDC；在額定電壓12VDC時AC波動：3Vpp工作溫度；5%95%相對濕度，無霜抗白光干擾6500Lux抗RF干擾30V/m，10MHz1000MHz探測范圍安裝高度(最小)(最大)微波頻率X-波

5、段抗靜電干擾10kV4.2.2煙霧及有害氣體傳感器煙霧傳感器:實現(xiàn)對室內(nèi)煙霧值的采集并將數(shù)據(jù)上傳給小區(qū)服務(wù)器和終端設(shè)備，與消防報警器聯(lián)動防范家庭火災隱患。監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境的煙霧濃度，通過測量，達到早期防火防爆的目的。通風裝置自動控制：當環(huán)境中的煙霧濃度達到一定值后，就可以自動啟動通風裝置；降低煙霧濃度；煙霧報警器，當封閉空間的煙霧濃度達到報警值后，就會報警。傳感器型號MS5100工作電壓3.8V工作電流51.6mA功耗196mW傳輸距離測量濃度范圍(質(zhì)量比)0.060.167量程01000ppm環(huán)境氧氣濃度21%2%響應時間10sec環(huán)境溫度尺寸7.06.73甲烷傳感器:實現(xiàn)對廚房內(nèi)甲烷值的采集并

6、將數(shù)據(jù)上傳給小區(qū)服務(wù)器和終端設(shè)備，預防家庭煤氣或天然氣泄漏隱患。監(jiān)測環(huán)境現(xiàn)場瓦斯?jié)舛?，通過監(jiān)測，達到早期防火防爆的目的。應用：家庭用天然氣、液化石油氣體泄漏報警器，可用于智能家居安防系統(tǒng)；瓦斯?jié)舛扔?，用于測量瓦斯?jié)舛?。傳感器型號NAP工作電壓3.8V工作電流51.6mA功耗196mW測量濃度范圍0.05%5%高精度允許檢測范圍0.05%2%環(huán)境溫度環(huán)境濕度95%RH無線CO傳感器(2400WSL_CO/780WSL_CO):監(jiān)測環(huán)境現(xiàn)場CO濃度，通過監(jiān)測，達到早期防火防爆的目的。優(yōu)點：輸出直線性、重復再現(xiàn)性優(yōu)越、不受濕度影響。應用：一氧化碳報警器，當CO超過一定濃度后，就會發(fā)出報警信息；便攜式

7、CO探測器；環(huán)境檢測器，配合其他種類的氣體濃度檢測器，共同構(gòu)成環(huán)境檢測器；CO濃度計，測量空氣中CO濃度。傳感器型號NAP-505工作電壓24V工作電流14mA功耗336mw濕度范圍15%90%RH溫度范圍-20oC+50oC檢測氣體濃度01000ppm最大檢測氣體濃度15000ppm響應時間30sec尺寸8.06.3消防報警器:消防報警器與室內(nèi)的傳感器協(xié)同工作，當廚房內(nèi)的煙霧傳感器、溫濕度傳感器、CO傳感器和傳感器檢測的數(shù)據(jù)信息超出預警值時，消防報警器啟動聲光報警，報警信息同步上傳給終端，并發(fā)布警報信息給小區(qū)物業(yè)，消除消防隱患。4.2.3網(wǎng)絡(luò)攝像頭對室內(nèi)狀況進行實時監(jiān)控，當啟動布防模式后，攝

8、像機自動啟動抓拍模式。對于室內(nèi)動態(tài)影像進行抓拍并發(fā)送到服務(wù)器存儲，方便用戶及相關(guān)部門查看。用戶也可通過多種終端設(shè)備查看監(jiān)控畫面，為家居安防提供進一步的保障。4.2.4梯口機每一棟樓只需要一臺梯口機，以及若干室內(nèi)機，室內(nèi)機通過樓層交換機連接起來，形成一個小的局域網(wǎng)絡(luò)。樓層交換機把若干棟樓連接起來，形成一個大的局域網(wǎng)絡(luò)。在由路由器把樓層交換機連接起來，接到中心管理處，中心管理處可以對整個小區(qū)進行管理。同時也可以把一些有用的信息下發(fā)給用戶，也可以通過路由器把小區(qū)智能樓宇設(shè)備連接到INTERNET上，用戶可以對自己的家庭進行遠程控制。它主要由三部分組成，小區(qū)可視對講系統(tǒng)、骨干網(wǎng)絡(luò)和中心管理機可視對講功

9、能：客人呼叫，可視對講，用戶開鎖，自動錄影，呼叫中心管理機開鎖功能：遠程開鎖，密碼開鎖，IC卡開鎖，出門按鈕開鎖其他功能：語音提示功能，支持本地在線搜索網(wǎng)內(nèi)室內(nèi)終端功能，支持中文/英文語言菜單，支持背光調(diào)節(jié)和節(jié)電模式功能4.3 家居安防的應用測試4.3.1 設(shè)備選型和性能硬件選擇原則： (1)先進性：系統(tǒng)硬件的選用應具有先進性，避免短期內(nèi)因技術(shù)陳舊而造成整個系統(tǒng)性能不高或過早淘汰。 (2) 成熟性：在充分考慮先進性的同時，硬件系統(tǒng)應立足于用戶對整個系統(tǒng)的具體需求，應選擇先進、適用、成熟技術(shù)的產(chǎn)品，最大限度地發(fā)揮投資效益。 (3) 可靠性：系統(tǒng)無論在硬件上還是軟件上都應采取多種保護措施，保證系統(tǒng)

10、24小時不間斷正常運行，同時還應充分考慮系統(tǒng)權(quán)限安全措施，進一步保證系統(tǒng)的可靠性。 (4) 開放性：網(wǎng)絡(luò)化的目的是實現(xiàn)設(shè)備和信息的共享。因此，網(wǎng)絡(luò)要具有開放性，并應提供標準接口，用戶可根據(jù)要求，對系統(tǒng)進行擴展或升級。 (5) 兼容性：計算機網(wǎng)絡(luò)的選擇和相關(guān)產(chǎn)品的選擇要以先進性和適用性為基礎(chǔ)，同時考慮兼容性。系統(tǒng)設(shè)備應優(yōu)先選擇根據(jù)國際標準設(shè)計、生產(chǎn)的標準化設(shè)備，避免因兼容性差而造成的系統(tǒng)難以升級或擴展。 (6) 實時性：系統(tǒng)硬件應具有實時處理和快速響應能力。軟件設(shè)計原則： (1) 可靠性和安全性：系統(tǒng)軟件應實現(xiàn)24小時可靠運行，并充分考慮系統(tǒng)權(quán)限設(shè)置等多種保護措施，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性。 (2)

11、 界面友好：系統(tǒng)軟件應操作方便，采用中文圖形界面，運用多媒體技術(shù)，使系統(tǒng)具有處理聲音及圖像的能力，要適應不同層次、不同年齡用戶的使用要求。 (3) 可擴充性：系統(tǒng)軟件應提供二次開發(fā)的功能，便于多次升級和支持硬件產(chǎn)品的更新。 (4) 模塊化：根據(jù)家庭的實際需要選擇安裝不同的功能組件，以適應不同用戶的需要。1消防報警器與門窗磁報警硬件部分主要包括：MCU、WSN模塊、門窗磁。其中MCU通過IO口控制底層的門磁窗磁報警信號觸發(fā)動作，MCU又與WSN無線模塊雙向通信，將報警信息發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)，信息層層上發(fā)，進而實現(xiàn)無線報警。硬件部分主要包括：MCU、WSN模塊、煙霧傳感器。其中MCU通過IO口來接收傳

12、感器的數(shù)據(jù)信息，同時MCU又與WSN無線模塊雙向通信，將傳感器接收到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)，信息層層上發(fā)，由服務(wù)器對數(shù)據(jù)信息進行存儲和匹配決定是否達到報警條件，進而實現(xiàn)無線報警。硬件部分主要包括：MCU、WSN模塊、甲烷傳感器。其中MCU通過IO口來接收傳感器的數(shù)據(jù)信息，同時MCU又與WSN無線模塊雙向通信，將傳感器接收到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)，信息層層上發(fā)，由服務(wù)器對數(shù)據(jù)信息進行存儲和匹配決定是否達到報警條件，進而實現(xiàn)無線報警。硬件部分主要包括：MCU、WSN模塊、聲光報警等。其中MCU通過IO口控制聲光報警等的啟動和關(guān)閉，MCU又與WSN無線模塊雙向通信，WSN一方面接收網(wǎng)關(guān)發(fā)來的室內(nèi)

13、傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)給MCU由MCU選擇執(zhí)行報警，另一方面WSN將MCU報警信號發(fā)給網(wǎng)關(guān)，觸動系統(tǒng)整體報警。消防報警器和門窗磁報警系統(tǒng)采用STC10 xx系列單片機。STC10 xx單片機中包含中央處理器(CPU)、程序存儲器(Flash)、數(shù)據(jù)存儲器(SRAM)、定時/計數(shù)器、UART串口、I/O接口、看門狗及片內(nèi)R/C振蕩器和外部晶體震蕩電路等模塊。本系列的單片機幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個片上系統(tǒng)。微處理器電路通過串口與CC2530模塊相連，同時輸出控制光強模塊。STC10 xx系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4-15所示本系統(tǒng)的電源管理電路主要為系統(tǒng)提供5V和3.3

14、V的直流電壓，同時在進行電源電路設(shè)計時，在保證原理正確的情況下，必須考慮電源容量大于系統(tǒng)所需。為供電方便，電源電路直接從市電220V經(jīng)AC/DC模塊降壓、整流轉(zhuǎn)換成12VDC后，通過穩(wěn)壓芯片L7805和AS1117-3.3穩(wěn)壓、濾波后，得到穩(wěn)定的5V和3.3V電源。通信協(xié)議:窗磁、門磁、消防報警器均采用WSN通信協(xié)議接入系統(tǒng)?；贗EEE 802.15.4E協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有近距離、低功耗、低成本的特點?？梢砸浦驳蕉喾N嵌入式設(shè)備中。IEEE 802.15.4E設(shè)備工作在2.4GHz頻段，采用自組織方式組網(wǎng)，對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的設(shè)備數(shù)量沒有限制，新添加的設(shè)備節(jié)點 會 被 網(wǎng) 絡(luò) 自 動 發(fā) 現(xiàn) ，

15、 提 升 了 網(wǎng) 絡(luò) 的 可 靠 性 。2網(wǎng)絡(luò)攝像機硬件模塊:硬件平臺采用S3C6410處理器位核心，搭配以外圍必要的時鐘電路，供電電路，外圍存儲電路，USB設(shè)備電路，SD卡存儲設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)MAC芯片，RS232串口電路等組成。S3C6410其硬件體系結(jié)構(gòu)如圖軟件模塊：網(wǎng)絡(luò)攝像機軟件系統(tǒng)設(shè)計須遵守以下幾個原則。(1) 可靠性和安全性：系統(tǒng)軟件應實現(xiàn)24小時不間斷可靠運行，充分考慮到可能發(fā)生的以外情況，如突發(fā)斷電后重新上電的系統(tǒng)自啟動，自恢復功能，網(wǎng)絡(luò)連接的安全功能。(2) 實時性：網(wǎng)絡(luò)攝像機作為安防監(jiān)控類設(shè)備有一定的實時性要求，因此通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊曨l須考慮多種網(wǎng)絡(luò)載體情況。(3) 界面友好：網(wǎng)絡(luò)

16、攝像機提供網(wǎng)頁和Android客戶端兩種形式的用戶界面，友好、簡潔的中文圖形界面方便各年齡段的用戶群體使用。(4) 可擴充性：系統(tǒng)軟件應提供能后期改進二次開發(fā)的功能，便于日后的功能升級。網(wǎng)絡(luò)攝像機軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖通信協(xié)議:網(wǎng)絡(luò)攝像機是處于Internet中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，必須通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，這就需要TCP/IP(Transmission Control Protocol)傳輸控制協(xié)議來實現(xiàn)3梯口機滿足以下幾個要求(1) 集成微處理器；(2) 支持與常用測控部件連接的軟硬件接口；(3) 支持總線供電和電源適配器供電；(4) 軟件設(shè)計和硬件設(shè)計須模塊化、可裁減、可定制；(5) 方便產(chǎn)品軟硬件升級；(6

17、) 可外接存儲器；(7) 采用以太網(wǎng)傳輸信號(8) 給門禁讀卡模塊提供5V的工作電壓和韋根26的通信接口；(9) 提供一個485接口，便于集成功能模塊。在本課題的設(shè)計與實現(xiàn)中應該遵循以下幾個設(shè)計原則(1) 軟硬件設(shè)計模塊化、可裁剪、可定制(2) 多種供電方式的設(shè)計(3) 低功耗設(shè)計(4) 電磁兼容(EMC)梯口機的設(shè)計采用的是雙核處理結(jié)構(gòu)，每個核都有其負責的功能。GM8120處理模塊是帶有實時多任務(wù)LINUX操作系統(tǒng)的，其主要是負責音視頻信號的處理以及網(wǎng)絡(luò)信號的處理，同時擴展了比較大的存儲容量，可以存儲比較多的有用數(shù)據(jù)；Mega64控制模塊主要是負責控制和顯示部分，具體分為門禁控制部分、開鎖部

18、分以及LCD顯示部分。同時，GM8120與Mega64的通信采用串口通信。4.3.2系統(tǒng)搭建消防報警器和門窗磁報警包括消防報警和門窗磁的防盜報警，報警時能通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送報警信息到用戶手機和小區(qū)保安處網(wǎng)絡(luò)攝像機攝像監(jiān)控畫面通過網(wǎng)關(guān)和以太網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h程客戶端，用戶可以利用瀏覽器和手機平板終端對家居情況實現(xiàn)實時監(jiān)控。梯口機驗證平臺的搭建分兩種模式來完成一種是以智能樓宇梯口機為中心來搭建驗證平臺；另外一種是把智能樓宇梯口機加入智能樓宇系統(tǒng)中對其進行驗證。以智能樓宇梯口機為中心：需要EPA交換機、智能樓宇梯口機、電磁鎖、出門按鈕、有效IC卡以及一些測試工具，如萬用表、示波器以及螺絲刀等。先把智能樓宇梯口機接到交換機上，然后把電磁鎖、出門開關(guān)接到梯口機上，然后檢查電路，看是否存在短路現(xiàn)象。把智能樓宇梯口機加入智能樓宇系統(tǒng)中：所需設(shè)備為智能樓宇梯口機、EPA交換機、電磁鎖、出門按鈕、IC卡、2臺室內(nèi)機、中心管理機以及一些測試工具，驗證平臺的搭建過程，首先把電磁所，