基于无线传感器网络的智能家居安防系统

引言

集成了传感器技术、微机电制造系统（MEMS）技术、无线通信技术和分布式信息处理技术的无线传感器网络是因特网从虚拟世界到物理世界的延伸。本文之所以把无线传感网络这种先进的技术应用于智能家居安防领域，其一是伴随着高科技产品在现代家庭中的应用，相应地也带来了一系列不安全因素，如煤气管道、热水器以及其他许多大容量的家用电器的使用，都明显地增加了发生火灾的可能性以及煤气中毒、爆炸的危险等，且社会上还有不法分子在活动，行凶、盗窃等违法犯罪活动时有发生，给社会带来不安定因素，所以家庭安防系统的研究具有迫切意义；其二是广阔的市场前景，因为安全是每一个家庭和工业领域必需的保障，所以该系统的应用范围是相当广泛的；其三是其典型性和可移植性，如果在智能家居安防中实现了，那么该技术可以移植到其他很多系统之中，比如说智能大楼，智能医疗系统，而只需做部分应用方面的修改。

1 基于 Zigbee 技术的无线传感器网络

Zigbee 网络首先由连接无线网关的协调器（Coordinator）发动并建立，其他节点加入已经建立的网络。每个节点加入网络时，其父节点都会按约定规则给它分配一个网络层地址供通信使用。功能比较强且供电充足的节点充当路由节点（Route Node，RN）为全功能设备（FullFuncTIon Device，FFD），它能接收其他节点作为其子节点，同时根据自身状况决定是否给其他节点查找路由和转发数据；功能比较弱的节点为简化功能节点（RFD） ，不能成为其他节点的父节点，通信时只能请父节点帮忙转发数据［2］。有路由能力的路由节点（RN+）采用AODVjr 路由算法，而没有路由能力的路由节点（RN-）和RFD 遵循Cluster-Tree 路由算法［3］。Zigbee 标准的协议栈如所示。

2 智能家居安防系统的设计方案

2.1 系统的总体设计方案

基于无线传感器网络的智能家居网络主要是由若干无线传感器节点、无线执行机构、家居无线控制中心组成［4］。其中， 节点分布于客厅、卧室、洗手间、厨房等需要监测的区域内，执行数据采集、处理和通信工作。无线执行机构负责启动声光报警、自动继电器开关等控制功能。家居无线控制中心处理、转发来自无线传感器节点中的信息， 并且为互联网的连接提供接口进行远程控制。由于不同网络结构会对网络的速度、特点和实现有较大影响，因此结合智能家庭网络系统的特点，如家庭内部无线网络连接距离较短， 家用电器位置容易改变，家庭电器等的数也容易变化，房间之间仍有一段不小的距离，分布的节点并不是太多，并且数据的传输量也不是太大， 网络中的信息传送主要发生在WSN的基站和其他室内终端上的传感器节点之间。基于家庭网络的这些特点以及树的特征和优势，本文以WSN的基站节点（也称为协调器Coordinator）为中心节点组建一个串状树形家庭网络。

本文主要实现的功能包括智能门禁系统、智能门窗防盗、煤气监测系统、火灾监测系统、居室内的人体红外检测、远程监控、数据库系统。节点布置和网络系统的总体设计方案如图2所示，图中的ZD代表的是Zigbee终端设备，可以是FFD也可以是RFD；ZR代表的是Zigbee路由器；ZC代表的是Zigbee协调器。

2.2 智能家居安防系统的各功能块的描述

（1）智能门禁系统：

当人走到家居门口时，红外热释电传感器感应到人体接近，促使门禁Zigbee设备主动发射获取人体身份命令信号。当人体携带着身份识别标签（也是一种Zigbee 设备）时，标签会发送加密身份信号给门禁Zigbee 设备，门禁系统经过分析判断后决定是否开启数字门锁，用户再也不用自己掏钥匙开门了。如果是一个未知身份的人体，则门禁系统会搜索家居内是否有人，如果有人则通知家居内的用户有客人到来，如果家居内没人则会远程通知智能家居安防用户有客人在家门口，通过门禁系统的摄像头采集客人的人脸图像并通过Internet发送到用户PC 上。当然远程用户也可以随时给家庭网关协调器发送命令来采集家居门口人脸的图像。当用户确认了来人的身份以后可以远程控制门禁系统开启数字门锁，让客人进屋，以免让客人在屋外等待。

（2）智能门窗防盗

所有的家居窗户上都安装有红外幕帘传感器，用来防止未知人员从窗户侵入家居。该系统是人性化的运行方式，分为白天和黑夜两种运行方式，这由协调器的实时时钟来进行控制。白天时，当家居内有人体走进一个房间时，该房间的红外幕帘即告失效，防止不必要的误报警，而当人体一旦离开房间则该房间的红外幕帘马上开启。而在夜晚的时候，用户需要设定一个时间点，当到达设定的时间点的时候，红外幕帘会强制开启，并保持到天亮。

（3）煤气泄漏监测

在厨房安装多个煤气检测传感器节点，可靠地报告厨房煤气的含量是否超标，如果超标则立即报警和远程报警通知，同时开启所有的排气扇，保证家居内人员的人身安全。

（4）火灾预警系统

在所有的房间都安装上了火灾光电烟雾探测器，对即将发生的火灾事件预警通知，合理布置火灾探测器节点，防止盲点的出现，遏制火灾事件的发生。

（5）居室内的人员定位

在居室内布置有红外热释电传感器节点，用以监测家居内是否有人、位于哪一个屋，如果是佩戴有身份标签的人员则还可知其身份。这些都可以在远程监控界面中观察到。这还可以用来监督小孩子有没有在学习，是不是在客厅看电视等等，也可以监测老人们是不是在家里面等等。

（6）远程监控

以上所有的安全参数都可以在远程客户端软件中观察到，并可以实现部分电器和数字门锁控制，全图形化监视和控制界面，方便观察和控制。

（7）数据库系统

所有的控制命令、图像采集数据、报警参数时间等数据都通过上位机软件存储于SQLServer2000数据库中。