北大版-付蔚編著-家居物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)及實(shí)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(yīng)用測(cè)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(jìn)步，人們對(duì)于家居的要求不僅僅只是一個(gè)居住的設(shè)施，而是一個(gè)溫馨、舒適、安全、健康的生活環(huán)境。智能家居就應(yīng)運(yùn)而生了，智能家居的發(fā)展直接推動(dòng)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(guó)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(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，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?fù)鋱D智能家居安防實(shí)際上是將家庭控制設(shè)備連接到報(bào)警設(shè)施上，實(shí)現(xiàn)對(duì)非法闖入的盜竊、搶劫行為和突發(fā)事件進(jìn)行及時(shí)報(bào)警

2、，搶救和保護(hù)的功能。家居安防報(bào)警包括了防盜報(bào)警、火災(zāi)報(bào)警和煤氣泄露報(bào)警等。家庭中所有的安全探測(cè)裝置，如消防類(煙感、煤氣泄漏報(bào)警器等)、防盜類(門磁、窗磁、各種監(jiān)測(cè)器、防盜幕簾、緊急求救按鈕等)，都連接到家庭智能終端，對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)發(fā)生警報(bào)時(shí)，家庭智能終端將警情根據(jù)設(shè)置進(jìn)行各種操作，包括啟動(dòng)警鈴和聯(lián)動(dòng)設(shè)備、撥打設(shè)定的報(bào)警電話。如與社區(qū)系統(tǒng)相連，還可同時(shí)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(cè)器門磁系統(tǒng):是一種安全報(bào)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(chǎng)，較

3、大的是門磁主體，它內(nèi)部有一個(gè)常開型的干簧管。當(dāng)永磁體和干簧管靠得很近時(shí)(小于5毫米)，門磁傳感器處于工作守候狀態(tài)，當(dāng)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(cè)門和窗戶的非法打開和非法移動(dòng)(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(shí)產(chǎn)生位移，此信號(hào)即刻由無線報(bào)警發(fā)射器發(fā)射給網(wǎng)關(guān))，當(dāng)用戶啟動(dòng)布防模式，窗磁與門磁啟動(dòng)，檢測(cè)到安防隱患時(shí)自動(dòng)報(bào)警，報(bào)警信息同步上傳給終端，并發(fā)布警報(bào)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(shí)AC波動(dòng)：3Vpp工作溫度；5%95%相對(duì)濕度，無霜工作

4、距離30開關(guān)觸點(diǎn)可選擇常開或常閉觸點(diǎn)紅外探測(cè)器:是將入射的紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出的器件.現(xiàn)代紅外探測(cè)器所利用的主要是紅外熱效應(yīng)和光電效應(yīng)。這些效應(yīng)的輸出大都是電量，或者可用適當(dāng)?shù)姆椒ㄞD(zhuǎn)變成電量。主要由被動(dòng)式紅外探測(cè)器和無線報(bào)警模塊兩部分組成，啟動(dòng)布防模式后，當(dāng)探測(cè)到移動(dòng)目標(biāo)的紅外輻射后，無線報(bào)警模塊向家庭無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)報(bào)警，從而啟動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)報(bào)警。電源要求10-15VDC；35mA(最大)/12VDC；在額定電壓12VDC時(shí)AC波動(dòng)：3Vpp工作溫度；5%95%相對(duì)濕度，無霜抗白光干擾6500Lux抗RF干擾30V/m，10MHz1000MHz探測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(bào)警器聯(lián)動(dòng)防范家庭火災(zāi)隱患。監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的煙霧濃度，通過測(cè)量，達(dá)到早期防火防爆的目的。通風(fēng)裝置自動(dòng)控制：當(dāng)環(huán)境中的煙霧濃度達(dá)到一定值后，就可以自動(dòng)啟動(dòng)通風(fēng)裝置；降低煙霧濃度；煙霧報(bào)警器，當(dāng)封閉空間的煙霧濃度達(dá)到報(bào)警值后，就會(huì)報(bào)警。傳感器型號(hào)MS5100工作電壓3.8V工作電流51.6mA功耗196mW傳輸距離測(cè)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(yīng)時(shí)間10sec環(huán)境溫度尺寸7.06.73甲烷傳感器:實(shí)現(xiàn)對(duì)廚房?jī)?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(yù)防家庭煤氣或天然氣泄漏隱患。監(jiān)測(cè)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛?，通過監(jiān)測(cè)，達(dá)到早期防火防爆的目的。應(yīng)用：家庭用天然氣、液化石油氣體泄漏報(bào)警器，可用于智能家居安防系統(tǒng)；瓦斯?jié)舛扔?jì)，用于測(cè)量瓦斯?jié)舛?。傳感器型?hào)NAP工作電壓3.8V工作電流51.6mA功耗196mW測(cè)量濃度范圍0.05%5%高精度允許檢測(cè)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(cè)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)CO濃度，通過監(jiān)測(cè)，達(dá)到早期防火防爆的目的。優(yōu)點(diǎn)：輸出直線性、重復(fù)再現(xiàn)性優(yōu)越、不受濕度影響。應(yīng)用：一氧化碳報(bào)警器，當(dāng)CO超過一定濃度后，就會(huì)發(fā)出報(bào)警信息；便攜式

7、CO探測(cè)器；環(huán)境檢測(cè)器，配合其他種類的氣體濃度檢測(cè)器，共同構(gòu)成環(huán)境檢測(cè)器；CO濃度計(jì)，測(cè)量空氣中CO濃度。傳感器型號(hào)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(cè)氣體濃度01000ppm最大檢測(cè)氣體濃度15000ppm響應(yīng)時(shí)間30sec尺寸8.06.3消防報(bào)警器:消防報(bào)警器與室內(nèi)的傳感器協(xié)同工作，當(dāng)廚房?jī)?nèi)的煙霧傳感器、溫濕度傳感器、CO傳感器和傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)信息超出預(yù)警值時(shí)，消防報(bào)警器啟動(dòng)聲光報(bào)警，報(bào)警信息同步上傳給終端，并發(fā)布警報(bào)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(duì)室內(nèi)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)啟動(dòng)布防模式后，攝

8、像機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)抓拍模式。對(duì)于室內(nèi)動(dòng)態(tài)影像進(jìn)行抓拍并發(fā)送到服務(wù)器存儲(chǔ)，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(jìn)一步的保障。4.2.4梯口機(jī)每一棟樓只需要一臺(tái)梯口機(jī)，以及若干室內(nèi)機(jī)，室內(nèi)機(jī)通過樓層交換機(jī)連接起來，形成一個(gè)小的局域網(wǎng)絡(luò)。樓層交換機(jī)把若干棟樓連接起來，形成一個(gè)大的局域網(wǎng)絡(luò)。在由路由器把樓層交換機(jī)連接起來，接到中心管理處，中心管理處可以對(duì)整個(gè)小區(qū)進(jìn)行管理。同時(shí)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(duì)自己的家庭進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。它主要由三部分組成，小區(qū)可視對(duì)講系統(tǒng)、骨干網(wǎng)絡(luò)和中心管理機(jī)可視對(duì)講功

9、能：客人呼叫，可視對(duì)講，用戶開鎖，自動(dòng)錄影，呼叫中心管理機(jī)開鎖功能：遠(yuǎn)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(yīng)用測(cè)試4.3.1 設(shè)備選型和性能硬件選擇原則： (1)先進(jìn)性：系統(tǒng)硬件的選用應(yīng)具有先進(jìn)性，避免短期內(nèi)因技術(shù)陳舊而造成整個(gè)系統(tǒng)性能不高或過早淘汰。 (2) 成熟性：在充分考慮先進(jìn)性的同時(shí)，硬件系統(tǒng)應(yīng)立足于用戶對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的具體需求，應(yīng)選擇先進(jìn)、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(yīng)采取多種保護(hù)措施，保證系統(tǒng)

10、24小時(shí)不間斷正常運(yùn)行，同時(shí)還應(yīng)充分考慮系統(tǒng)權(quán)限安全措施，進(jìn)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(shí)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(yīng)提供標(biāo)準(zhǔn)接口，用戶可根據(jù)要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展或升級(jí)。 (5) 兼容性：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的選擇和相關(guān)產(chǎn)品的選擇要以先進(jìn)性和適用性為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮兼容性。系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)優(yōu)先選擇根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，避免因兼容性差而造成的系統(tǒng)難以升級(jí)或擴(kuò)展。 (6) 實(shí)時(shí)性：系統(tǒng)硬件應(yīng)具有實(shí)時(shí)處理和快速響應(yīng)能力。軟件設(shè)計(jì)原則： (1) 可靠性和安全性：系統(tǒng)軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)24小時(shí)可靠運(yùn)行，并充分考慮系統(tǒng)權(quán)限設(shè)置等多種保護(hù)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(yīng)操作方便，采用中文圖形界面，運(yùn)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(yīng)不同層次、不同年齡用戶的使用要求。 (3) 可擴(kuò)充性：系統(tǒng)軟件應(yīng)提供二次開發(fā)的功能，便于多次升級(jí)和支持硬件產(chǎn)品的更新。 (4) 模塊化：根據(jù)家庭的實(shí)際需要選擇安裝不同的功能組件，以適應(yīng)不同用戶的需要。1消防報(bào)警器與門窗磁報(bào)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(bào)警信號(hào)觸發(fā)動(dòng)作，MCU又與WSN無線模塊雙向通信，將報(bào)警信息發(fā)送給家庭網(wǎng)關(guān)，信息層層上發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無線報(bào)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(shí)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(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)和匹配決定是否達(dá)到報(bào)警條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無線報(bào)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(shí)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(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)和匹配決定是否達(dá)到報(bào)警條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無線報(bào)警。硬件部分主要包括：MCU、WSN模塊、聲光報(bào)警等。其中MCU通過IO口控制聲光報(bào)警等的啟動(dòng)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(bào)警，另一方面WSN將MCU報(bào)警信號(hào)發(fā)給網(wǎng)關(guān)，觸動(dòng)系統(tǒng)整體報(bào)警。消防報(bào)警器和門窗磁報(bào)警系統(tǒng)采用STC10 xx系列單片機(jī)。STC10 xx單片機(jī)中包含中央處理器(CPU)、程序存儲(chǔ)器(Flash)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SRAM)、定時(shí)/計(jì)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(jī)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(gè)片上系統(tǒng)。微處理器電路通過串口與CC2530模塊相連，同時(shí)輸出控制光強(qiáng)模塊。STC10 xx系列單片機(jī)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(shí)在進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)時(shí)，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(bào)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(diǎn)。可以移植到多種嵌入式設(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(duì)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(diǎn) 會(huì) 被 網(wǎng) 絡(luò) 自 動(dòng) 發(fā) 現(xiàn) ，

15、 提 升 了 網(wǎng) 絡(luò) 的 可 靠 性 。2網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)硬件模塊:硬件平臺(tái)采用S3C6410處理器位核心，搭配以外圍必要的時(shí)鐘電路，供電電路，外圍存儲(chǔ)電路，USB設(shè)備電路，SD卡存儲(chǔ)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(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)須遵守以下幾個(gè)原則。(1) 可靠性和安全性：系統(tǒng)軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷可靠運(yùn)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(dòng)，自恢復(fù)功能，網(wǎng)絡(luò)連接的安全功能。(2) 實(shí)時(shí)性：網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)作為安防監(jiān)控類設(shè)備有一定的實(shí)時(shí)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(jī)提供網(wǎng)頁和Android客戶端兩種形式的用戶界面，友好、簡(jiǎn)潔的中文圖形界面方便各年齡段的用戶群體使用。(4) 可擴(kuò)充性：系統(tǒng)軟件應(yīng)提供能后期改進(jìn)二次開發(fā)的功能，便于日后的功能升級(jí)。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖通信協(xié)議:網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)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(shí)現(xiàn)3梯口機(jī)滿足以下幾個(gè)要求(1) 集成微處理器；(2) 支持與常用測(cè)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(jì)和硬件設(shè)計(jì)須模塊化、可裁減、可定制；(5) 方便產(chǎn)品軟硬件升級(jí)；(6

17、) 可外接存儲(chǔ)器；(7) 采用以太網(wǎng)傳輸信號(hào)(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(gè)485接口，便于集成功能模塊。在本課題的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中應(yīng)該遵循以下幾個(gè)設(shè)計(jì)原則(1) 軟硬件設(shè)計(jì)模塊化、可裁剪、可定制(2) 多種供電方式的設(shè)計(jì)(3) 低功耗設(shè)計(jì)(4) 電磁兼容(EMC)梯口機(jī)的設(shè)計(jì)采用的是雙核處理結(jié)構(gòu)，每個(gè)核都有其負(fù)責(zé)的功能。GM8120處理模塊是帶有實(shí)時(shí)多任務(wù)LINUX操作系統(tǒng)的，其主要是負(fù)責(zé)音視頻信號(hào)的處理以及網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的處理，同時(shí)擴(kuò)展了比較大的存儲(chǔ)容量，可以存儲(chǔ)比較多的有用數(shù)據(jù)；Mega64控制模塊主要是負(fù)責(zé)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(shí)，GM8120與Mega64的通信采用串口通信。4.3.2系統(tǒng)搭建消防報(bào)警器和門窗磁報(bào)警包括消防報(bào)警和門窗磁的防盜報(bào)警，報(bào)警時(shí)能通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送報(bào)警信息到用戶手機(jī)和小區(qū)保安處網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)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(yuǎn)程客戶端，用戶可以利用瀏覽器和手機(jī)平板終端對(duì)家居情況實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。梯口機(jī)驗(yàn)證平臺(tái)的搭建分兩種模式來完成一種是以智能樓宇梯口機(jī)為中心來搭建驗(yàn)證平臺(tái)；另外一種是把智能樓宇梯口機(jī)加入智能樓宇系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。以智能樓宇梯口機(jī)為中心：需要EPA交換機(jī)、智能樓宇梯口機(jī)、電磁鎖、出門按鈕、有效IC卡以及一些測(cè)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(jī)接到交換機(jī)上，然后把電磁鎖、出門開關(guān)接到梯口機(jī)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(jī)加入智能樓宇系統(tǒng)中：所需設(shè)備為智能樓宇梯口機(jī)、EPA交換機(jī)、電磁鎖、出門按鈕、IC卡、2臺(tái)室內(nèi)機(jī)、中心管理機(jī)以及一些測(cè)試工具，驗(yàn)證平臺(tái)的搭建過程，首先把電磁所，