CN207352743U - 一种基于无线传感器网络的智能家居安防系统设计 - Google Patents

Abstract

一种基于无线传感器网络的智能家居安防系统设计，包括家庭网关和无线传感器网络，无线传感器网络主要由传感器节点、路由器节点、协调器节点以及安防执行机构组成；协调器节点连接若干路由器节点，路由器节点连接传感器节点，传感器节点连接安防执行机构；协调器节点与家庭网关信号连接；安防执行机构处于最底层，受传感器节点的控制，负责执行解决各种安防问题；传感器节点负责采集和传送安防传感器数据，并控制安防执行机构动作；协调器节点位于无线传感器网络的顶层，负责整个网络的建立和管理；家庭网关是整个家居网络的监控中心，可以实时观察整个网络的运行情况和报警信号，并通过网络与远程客户端进行交互。

Description

一种基于无线传感器网络的智能家居安防系统设计

技术领域

本实用新型涉及智能家居领域，具体是一种基于无线传感器网络的智能家居安防系统设计。

背景技术

美国最先开始在智能家居领域进行研究并在1984年首次设计并展出了第一栋智能建筑，开辟了智能家居领域的先河，随之各经济发达的国家都纷纷提出了自己的智能家居设计理念，其中以德国、韩国、日本、新加坡等国的发展较快，普及程度也高。“911”恐怖事件后，全球安防产业蓬勃发展推动了整个智能家居安防行业的发展，智能安防系统迅速进入人们的生活中，全球各大安防企业也推出了自己先进的安防产品。其中一直都处于家居自动化技术领先地位的是Honeywell公司，该公司采用先进的综合布线技术把家居的数据、语音、控制等模块结合到一起，实现了数字网络家电、紧急呼叫、智能门禁系统、灯光控制模块、火灾探测器、红外探测器、电子门锁等终端的连接，把安防系统、信息家电控制、可视化对讲以及远程通信系统整合到一起，实现了真正的智能家居，但是该智能家居的安装费用较高，适用于国外别墅式的高档家庭，并不适合于我国社区式的普通家居。日本Sony公司不久前推出了用于安防监控的第一款一体化变焦摄像机SSC-ET181P/ET180P，借助VISCA协议的命令集， SSC-ET181P/ET180P的所有功能可以通过RS485接口实现远程控制，并且Sony的新型监控混合IP解决方案可以帮助用户在原有系统上，建立IP网络环境，监控系统已经走向了网络化和智能化，方便了用户进行远程的监控。Sony的安防监控方案虽然先进，但是其成本对于我国的普通的家庭来说还是较高，对于家居高消费人群来说比较适合。

我国的家居环境与国外并不相同，国外家居多以别墅式和独体式的房屋建筑为主，所以国外在家居领域的发展更倾向于信息网络的通信和家居多媒体的应用，而我国的居住环境多以社区式的楼房建筑为主，所以我国发展的中心主要是家庭安防系统，这就切实体现出本课题研究的意义所在。

我国的智能安防产业发展的较晚，70%的智能安防产品主要来自于美国、日本和韩国，这些国家的智能安防技术很成熟、性能稳定可靠，但是在平安城市、城市报警与监控系统“3111工程”以及奥运会、世博会等大型安防项目等的推动下，我国的智能安防产业发展进入了前所未有的高峰期，现在市场的规模己经超过了1500亿元。而普通家庭的智能安防领域在我国是一个巨大的市场，渐渐成为了我国智能安防行业的发展方向。

虽然我国的家居安防产品10年前就开始进入市场，而且安防报警主机的价格己经低至几百元，但是还是无法打开这个潜力巨大的市场，究其原因主要有四点：一是系统的误报警，这是安防系统无法进入普通家庭的最主要因素，一般的用户都无法接受在3个月内出现一次误报警，但是作为电子产品来说要达到完全无误报警难度确实很高，这就需要安防技术的革新；二是安防系统撤防不方便，家居内如果有人在的时候就不需要某些安防系统开启，防止误报警，所以需要选择性地撤防，一般都采用的是输入密码的方式来撤防，一旦密码输入错误又会造成系统误报警；三是我国大部分的普通家庭都没有安装门禁系统，而使用万能钥匙打开普通机械锁并非难事，所以盗贼可以侵入家居破坏报警主机，整个系统就无法正常工作；四是为了弥补误报警的缺陷就需要安装视频监控和图像采集远传系统，但是成本较高而且图片的传输速度较慢。如果我国的安防企业想在家居安防领域占得一席之地，需要对产品做出根本性的改变，而物联网技术的出现就为产品的发展开辟了一片新天地。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种基于无线传感器网络的智能家居安防系统设计。

为实现所述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于无线传感器网络的智能家居安防系统设计，包括家庭网关和Zigbee无线传感器网络，其特征在于，所述Zigbee无线传感器网络主要由传感器节点、路由器节点、协调器节点以及若干安防执行机构组成；所述协调器节点连接若干路由器节点，每个路由器节点分别连接两个传感器节点，传感器节点连接安防执行机构；所述协调器节点与家庭网关信号连接；所述Zigbee网络只有一个；所述家庭网关通过GSM网络和Internet与远程客户端进行交互。

优选地，每个路由器节点连接的传感器节点中的一个连接有安防执行机构。

优选地，所述家庭网关通过Internet连接客户端监控PC。

优选地，家居用户的手机通过GSM网络连接家庭网关。

优选地，所述协调器节点的接口采用RS-232串口。

优选地，所述Zigbee无线传感器网络共有三种网络拓扑结构，具体为星型拓扑结构、簇树拓扑结构和网状拓扑结构。

优选地，所述传感器节点包括烟感探测器、瓦斯探测器、门磁探测器、红外探测器、温度探测器等信号采集传感器。

优选地，所述传感器节点采用电池供电。

优选地，本实用新型采用北京亚控公司开发的组态王（Kingview）作为可视化上位机监控管理平台的开发工具。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型中的传感器节点可实时采集安防数据并且处理后及时报告超标事件；处理速度非常快，保证及时地传输安防数据、发送报警信息。

2、传感器和设计的传感器电路可及时准确地感应到外部环境的变化，以提供准确及时的数据，保证系统的可靠性，防止误报警的发生。

3、由于传感器节点都是采用的电池供电，并且长时间无人值守，所以各传感器节点均具有低功耗的优点，可有效节约能源。

4、可扩展性强，当有新的监测对象时，可以很好地兼容新设备的加入，具备极强的可扩展性。

5、数据传输的可靠性强，应答机制完善，保证报警事件能够及时地通知到用户。

6、软件设计的各个部分应采用模块化的设计，满足方便调试和修改的要求。

7、各通信模块的数据传输的格式应该统一，便于通信的数据传输。

附图说明

图1为一种基于无线传感器网络的智能家居安防系统设计的整体网络架构图；

图2为一种基于无线传感器网络的智能家居安防系统设计的簇树网络拓扑图；

图3为一种基于无线传感器网络的智能家居安防系统设计的总体设计图；

图4为一种基于无线传感器网络的智能家居安防系统设计中基于工控组态软件的可视化上位机监控管理平台的人机交互界面示意图。

图中所示：1、排风机，2、瓦斯探测器，3、烟感探测器，4、声光报警器，5、红外对射装置，6、门磁。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

随着科学技术的进步，高科技智能化的家居设备己经渐渐步入我们的生活，现代社会中的人们对于生活的质量要求也越来越高。科学技术的进步让人们的生活日新月异，但是伴随着高科技产品的使用，相应地给人们的生活带来了很多不安全的因素，如家电的广泛使用增加了火灾发生的可能性、家用煤气的使用增加了煤气中毒和产生爆炸的可能性以及家居内广布电线增加了触电的可能性，且现代社会中抢劫偷盗事件屡见不鲜，严重威胁着家居内人们的安全。家居中的人们最需要的是一个安全、便利的生活空间，所以作为智能家居系统中最重要的智能家居安防系统的研究具有更迫切的意义。

智能家居安防系统是集信息技术、网络技术、传感技术、无线电技术、模糊控制技术等多种技术为一体的综合应用，利用现代的宽带信息网络和无线电网络平台，将家电控制、家庭环境控制、家庭监视监测、家庭安全防范、家庭信息交流、家庭娱乐、小区管理和服务集为一体构成的智能系统产品，是具有较强的技术性和前瞻性的新产品，系统包含门磁传感器、红外广角探测器、红外幕帘探测器等。智能家居系统的定义目前还没有一个确切的定义，但是在产品认定上面来说一般包含了中央控制管理系统、家居照明控制系统以及智能家居安防系统的家居环境都可直接称为智能家居，其中智能家居安防系统是智能家居系统中最重要的部分。

基于网络化的智能家居系统具有安全、方便、舒适、环保、智能化的特征，对于改善人们的生活质量、满足人们各方面的生活需求，创建一个安全、舒适、便利的生活空间具有非常深远的意义。微机电系统、片上系统、无线通信、低功耗嵌入式技术以及分布式信息处理技术的飞速发展，孕育出了无线传感器网络，成为互联网从虚拟世界到物理世界的延伸，是当今信息技术制高点的物联网在物理世界的感知网络，扩展了人们与现实世界进行远程交互的能力。无线传感器网络以其低功耗、低成本、分布式和自组织的优点，通过广泛布置在监控区域内的传感器节点可以稳定可靠地感知该区域内的环境参数，并且可以通过网络来改变这些参数，该技术带来了信息感知领域的一场变革，被誉为改变世界的十大技术之一。

对于一个安防系统来说，最重要的就是系统的可靠性和稳定性。可靠性就是安防系统有警必报无警不会误报，稳定性就是系统可以长时间无故障地工作。采用低功耗、低成本、自组织、短距离的无线传感器网络技术来组建智能化家居网络，系统无须布线，灵活性和可扩展性都大大增加，节点大范围地分布于家居内并采用一系列的应答机制和算法来处理安防数据以提高系统的可靠性，某一个节点的损坏并不会影响系统的整体性能保证了系统的稳定性。基于无线传感器网络的智能家居安防系统从功耗、成本、稳定胜和可靠性都拥有不可比拟的优势，对于更好地保障人们的生命财产安全具有重大的意义。因此，无线传感器网络是组建家居网络的最好选择，它将满足人们日益多样化的生活需求，包括家居内环境参数的监测和控制、家居电器的远程控制、家庭多媒体系统的建立以及家庭智能安防系统的搭建。基于以上分析，本项目拟采用低功耗、低成本、高可靠性的Zigbee无线传感器网络技术与互联网和GSM无线通讯网相结合的家居网络架构设计智能家居安防系统，该系统集智能门禁系统、智能门窗防盗、煤气泄漏监测、居室内人员定位和远程视频监控以及数据库系统于一体，以低成本、低功耗、高可靠性的家居安防系统为目标，满足我国普通家庭的安防需要。这对于建立更舒适、环保、节能、安全可靠的生活空间具有重大意义，其市场前景不可估量。

实施例一

如图1-4所示，本实用新型实施例中，一种基于无线传感器网络的智能家居安防系统设计，包括家庭网关和Zigbee无线传感器网络，所述Zigbee无线传感器网络主要由传感器节点、路由器节点、协调器节点以及若干安防执行机构组成。所述协调器节点连接若干路由器节点，每个路由器节点分别连接两个传感器节点，每个路由器节点连接的传感器节点中的一个连接有安防执行机构；所述协调器节点与家庭网关信号连接，家庭网关通过Internet连接客户端监控PC，家居用户的手机通过GSM网络连接家庭网关。

所述安防执行机构处于最底层，受传感器节点的控制，负责执行解决各种安防问题，比如当家居煤气泄漏时，排气扇作为安防执行机构就会自动受传感器节点的控制而开启。所述传感器节点负责采集和传送各种安防传感器数据，并控制安防执行机构动作。所述路由器节点不仅仅可以作为传感器节点而且还可以用于管理网络，为其子节点分配网络地址并帮助其他的节点路由数据以送至目的节点，大大地扩大了网络范围。所述协调器节点位于Zigbee无线传感器网络的顶层，负责整个Zigbee网络的建立和管理，Zigbee网络只有一个协调器节点，该节点还负责与家庭网关进行交互，其接口采用RS-232串口。所述家庭网关是整个家居网络的监控中心，可以实时观察整个网络的运行情况和报警信号，并通过GSM网络和Internet与远程客户端进行交互，以通知家居用户有报警事件发生，家居用户同样可以通过GSM网络和Internet监控整个家居网络的运行情况并可以远程控制家居的各安防执行机构，所有的监控数据和报警事件都存入家庭网关的数据库服务器中。

本实用新型的主要研究内容包括：

1、选取适合智能家居安防系统的高灵敏度及可靠性的烟感探测器、瓦斯探测器、门磁探测器、红外探测器、温度探测器等信号采集传感器。

2、设计实现传感器网络的节点布置体系结构，即网络拓扑。不同网络结构会对网络的速度、特点和实现有较大影响，所以建立一个无线网络的前提是选择一个合适的网络拓扑以适应智能家居系统的要求。

3、利用工控组态软件开发设计可视化的上位机智能家居监控管理平台。平台的设计遵循人性化、便利性和可视化的原则，实现虚拟的图形化人机交互界面。通过该平台，用户可以实时监测和控制整个智能家居系统的运行状态，包括各传感器节点（红外、烟感、瓦斯等探测器）的检测数据和工作状态、各安防执行机构（声光报警器、排风机等）的执行响应情况。所有的报警消息都通过图像变换显示的方式来通知用户，并且用户可以通过操作图像来对智能家居安防系统的运行进行监控，比如说对家居内灯光的控制只需要点击服务器或客户端界面上的灯光图像即可以控制实际家居网络中的灯光，用户无须记忆繁杂的控制指令。

实施例二

所述Zigbee无线传感器网络共有三种网络拓扑结构，即星型拓扑结构、簇树拓扑结构和网状拓扑结构。

本项目对于家居网络拓扑的选择主要做以下几点考虑：

1、家居网络内部的各监测点位置和执行结构的位置容易改变，且家居控制中心的位置不确定，所以考虑到从传感器节点到控制中心可能需要路由数据，可以选择簇树网络和网状网络。

2、现代家居房间与房间之间的距离较大，而且本设计根据相邻的两个实验室之间测试，房间之间是有隔离物的空间，Zigbee节点工作在2.4Ghz频段，其信号的穿透性不是很强，隔屋后数据接收丢包率较高，需要路由器来路由数据，可以选择簇树网络和网状网络。

3、家居网络中分布的节点并不是太多，而且数据传输量也不大，无须采用复杂的组网方式来保证数据传递的可靠性，可选择星型和簇树拓扑网络。

4、传感器节点采用的是电池供电，所以节点的工作量应尽量少以降低节点的功耗，所以应在不影响通信质量的情况下尽量采用简单的网络拓扑结构以降低功耗。所以最好选用星型和簇树网络拓扑结构。

5、网络开发难度小，实现简单，组网方便，灵活性高，满足家居网络的数据传输要求即可，并且价格低廉，故选用星型和簇树网络拓扑结构较好。

基于以上对家居组网的考虑以及树的特征和优势，如图2所示，本实用新型在实际应用中拟以无线传感器网络的协调器节点为中心组建一个串状簇树网络形家居网络。

实施例三

本实用新型采用北京亚控公司开发的组态王（Kingview）作为可视化上位机监控管理平台的开发工具，并开发出类似图4所示的人机交互界面，达到实时动态监控家居环境的目的。该组态软件提供了资源管理式的操作界面，操作界面灵活方便、支持的硬件是主流的、大型知名公司的设备，包括欧姆龙、东芝、日立、贝加莱、艾默生、松下等各厂家的各种PLC系列、智能模块系列、智能仪表系列、板卡系列、变频器系列等，其支持的设备驱动十分丰富。组态王有较强的通信功能，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持，易学易用。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种基于无线传感器网络的智能家居安防系统设计，包括家庭网关和Zigbee无线传感器网络，其特征在于，所述Zigbee无线传感器网络主要由传感器节点、路由器节点、协调器节点以及若干安防执行机构组成；所述协调器节点连接若干路由器节点，每个路由器节点分别连接两个传感器节点，传感器节点连接安防执行机构；所述协调器节点与家庭网关信号连接；所述Zigbee网络只有一个；所述家庭网关通过GSM网络和Internet与远程客户端进行交互。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能家居安防系统设计，其特征在于，每个路由器节点连接的传感器节点中的一个连接有安防执行机构。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能家居安防系统设计，其特征在于，所述家庭网关通过Internet连接客户端监控PC。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能家居安防系统设计，其特征在于，家居用户的手机通过GSM网络连接家庭网关。

5.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能家居安防系统设计，其特征在于，所述协调器节点的接口采用RS-232串口。

6.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能家居安防系统设计，其特征在于，所述Zigbee无线传感器网络共有三种网络拓扑结构，具体为星型拓扑结构、簇树拓扑结构和网状拓扑结构。

7.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能家居安防系统设计，其特征在于，所述传感器节点包括烟感探测器、瓦斯探测器、门磁探测器、红外探测器、温度探测器。

8.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能家居安防系统设计，其特征在于，所述传感器节点采用电池供电。