基于WSN的智能家居安防系统设计

    人们对生活品质的追求越来越高，更加向往安全、智能和健康的家居环境。传统智能家居安防系统功能单一、效率低下、误报率较高、维护成本大、不能很好地与快速发展的互联网技术相融合，已经难以满足市场及大众对家居安防系统的要求。现代无线传感器网络技术（WSN）和物联网技术的发展使得网络化的智能家居安防系统具备了安全、智能、便捷、环保的特性，同时保证系统的实时性、高可靠性、低误报率、低功耗及低成本维护。为此，本文提出基于具有低功耗、自组网、低速率、低成本和双向通信特性等特点的WSN和智能手机Android平台，利用家庭网关构建能进行视频数据的采集、传输及网络后台存储的智能家居安防系统，同时该系统可利用Internet网络实现远程监控。

    1、系统方案设计
    系统的WSN部分采用ZigBee协议，由多个终端节点和一个协调器组成，各终端节点可自组织网络，数据终汇聚到协调器节点，然后通过家庭网关接入互联网。用户能够在PC端、机顶盒、手机客户端通过Internet完成对智能家居的远程监控。家居内各传感器信息通过终端节点上的GPIO口采集经WSN网络无线发送至协调器，协调器通过USB-TTL模块与家庭网关完成数据通信，家庭网关将数据上报至服务器。为了降低本安防系统的误报率，确保其高可靠性，无线传感器网络中负责采集可燃气体浓度的传感器特意选用高灵敏度的可燃气体传感器，并结合集成在终端节点协议栈内部的防误报算法，确保信息的准确性及可靠性。
    WSN网络协调器与家庭网关的通信需要在USB-TTL模块的转换下完成，USB-TTL模块驱动开发基于Linux系统，为了实现智能家居安防系统的智能化，按照冗余设计需求使该模块的设备描述符会能识别USB接口变动，并对可能变换的设备描述符进行读写操作。系统整体设计方案如图1所示。

    2、硬件电路设计
    2.1 家庭网关硬件总体设计
    基于WSN的智能家居安防系统的主控制器由家庭网关的机顶盒和ZigBee协调器共同组成。WSN各终端节点将采集的数据无线发送至协调器汇聚后，通过串口转USB通信模块完成其与机顶盒的数据通信，机顶盒上的智能家居安防应用系统将获取的数据按照标准的TCP/IP协议上传至服务器，以便用户通过网络访问查看当前及历史数据。同时家居安防视频数据采集端通过Internet网络向用户推送监控画面，用户可通过PC、手机客户端、机顶盒上的上位机对室内情况进行实时监控。整体硬件结构图如图2所示。

    2.2 协调器与MT8389接口电路
    选用主控芯片为MT8389的家庭网关机顶盒。WSN节点采集传感器数据发送至ZigBee协调器，然后通过USB-TTL模块完成其与机顶盒的数据通信，ZigBee协调器与USB-TTL模块接口电路如图3所示。

    图3   协调器与USB-TTL模块接口电路

    2.3 MT8389与互联网接口设计
    MT8389为机顶盒主板主控制芯片，它收集并综合处理来自无线传感器网络、视频采集端和Internet端的数据，然后通过DM9000单芯片快速以太网MAC控制器模块将获取的各项数据上传至服务器。MT8389与网络接口电路设计如图5所示。

    3、系统软件设计
    3.1 WSN协议栈及协调器与终端节点通信程序设计
    本系统的无线传感器网络协议栈采用TI公司的Z-StackTM协议栈，该协议栈完善、开源、稳定性好，能保证数据实时传输。整个Z-Stack协议栈构架如图6所示。Z-Stack协议栈自main开始执行，执行系统硬件平台的初始化，然后进行操作系统的初始化，这部分由osal_init_system函数完成，并由osal_start_system()执行操作系统实体，开始查询事件表，若没有调度，则一直进行轮询式判断，当有事件产生便由相应的任务层调用任务处理函数tasksEvents[idx]中与事件相对应的idx进行处理，该调度函数会根据事件任务优先级由高向低依次排列。协调器与终端节点串口通信程序设计在Linux下开发，主要完成通过对USB设备进行读写操作来协助完成。该Linux下的USB设备读写程序已整合烧录至机顶盒操作系统中，通过本程序协调器和MT8389主控制器可以借助USB-TTL模块完成两者的双向通信，具体流程如流程如图7所示。

3.2 服务器与手机客户端程序设计流程
    服务器和手机客户端、机顶盒的交互通过Internet网络完成，通信方式为数据丢失率低、使用简单且易于移植的socket通信，socket通信首先建立两方的连接，连接建立完成后便开始传输数据，并且在连接状态能完成主动推送信息的操作，不必每次均由客户端向服务器发送请求。socket在程序内部提供了与外界通信的端口，为通信双方的数据传递提供通道。其程序设计流程如图8所示。

    3.3 上位机软件设计
    手机客户端及机顶盒上的应用均使用Android平台，采用Java编程，上位机程序设计界面如图9所示。用户能进行当前温湿度、光照强度、可燃气体浓度等数据的实时显示，并可通过导航栏中的报警项查看过去某段时间内各项数据的变化趋势。当有异常情况发生时，异常信息推送到显示界面，用户点击有异常情况图标即可查看异常类型，同时用户可以点击异常情况图标下的视频查看图标，通过3G网络或者Internet网络对室内情况进行远程监视。

    结 语
    本智能家居安防系统具有稳定性高、误报率低、安全便捷、操作简单等特性，能让用户在任何可以连接到网络的地方查看室内的可燃气体浓度、温湿度、光照强度等情况。异常情况推送及后台自动处理能为用户实时掌握室内情况提供帮助并进一步提供安全措施，用户可以远程调用视频数据实时查看导致异常出现的原因，进而为保护家庭成员的生命财产安全提供更多可靠依据。在现代智能家居安防系统设计中有重要的参考价值。