北大版-付蔚编著-家居物联网技术开发与实践ch04

4.1家居安防体系概述4.2家居安防的典型设备4.3家居安防的应用测试4.1家居安防体系概述随着人们生活水平的提高和科技水平的不断进步，人们对于家居的要求不仅仅只是一个居住的设施，而是一个温馨、舒适、安全、健康的生活环境。智能家居就应运而生了，智能家居的发展直接推动了家居安防智能化的发展，另外建设部就智能家居发展提出的《全国住宅小区智能化技术示范工程建设大纲》将智能家居划分为几个等级标准，将家居安防智能化技术纳入智能家居必备的功能中。智能家居安防系统拓扑图智能家居安防实际上是将家庭控制设备连接到报警设施上，实现对非法闯入的盗窃、抢劫行为和突发事件进行及时报警，抢救和保护的功能。家居安防报警包括了防盗报警、火灾报警和煤气泄露报警等。家庭中所有的安全探测装置，如消防类(烟感、煤气泄漏报警器等)、防盗类(门磁、窗磁、各种监测器、防盗幕帘、紧急求救按钮等)，都连接到家庭智能终端，对其状态进行监测。当发生警报时，家庭智能终端将警情根据设置进行各种操作，包括启动警铃和联动设备、拨打设定的报警电话。如与社区系统相连，还可同时把警情送往小区监控服务器4.2家居安防的典型设备4.2.1窗磁、门磁和红外探测器门磁系统:是一种安全报警系统，分门磁、窗磁(原理相同，形状相异)。传统的门磁/窗磁由两部分组成：较小的部件为永磁体，内部有一块永久磁铁，用来产生恒定的磁场，较大的是门磁主体，它内部有一个常开型的干簧管。当永磁体和干簧管靠得很近时(小于5毫米)，门磁传感器处于工作守候状态，当永磁体离开干簧管一定距离后，处于常开状态。窗磁与门磁主要包括无线发射器和磁块两部分用来检测门和窗户的非法打开和非法移动(盗贼开门窗，门窗与门窗框必将产生移位，门磁与磁块也同时产生位移，此信号即刻由无线报警发射器发射给网关)，当用户启动布防模式，窗磁与门磁启动，检测到安防隐患时自动报警，报警信息同步上传给终端，并发布警报信息给小区物业，消除消防隐患。电源要求10-15VDC；35mA(最大)/12VDC；在额定电压12VDC时AC波动：3Vp～p工作温度～；5%～95%相对湿度，无霜工作距离30～开关触点可选择常开或常闭触点红外探测器:是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件.现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。主要由被动式红外探测器和无线报警模块两部分组成，启动布防模式后，当探测到移动目标的红外辐射后，无线报警模块向家庭无线物联网网关报警，从而启动系统联动报警。电源要求10-15VDC；35mA(最大)/12VDC；在额定电压12VDC时AC波动：3Vp～p工作温度～；5%～95%相对湿度，无霜抗白光干扰6500Lux抗RF干扰30V/m，10MHz～1000MHz探测范围×安装高度(最小)～(最大)微波频率X-波段抗静电干扰±10kV4.2.2烟雾及有害气体传感器烟雾传感器:实现对室内烟雾值的采集并将数据上传给小区服务器和终端设备，与消防报警器联动防范家庭火灾隐患。监测现场环境的烟雾浓度，通过测量，达到早期防火防爆的目的。通风装置自动控制：当环境中的烟雾浓度达到一定值后，就可以自动启动通风装置；降低烟雾浓度；烟雾报警器，当封闭空间的烟雾浓度达到报警值后，就会报警。传感器型号MS5100工作电压3.8V工作电流51.6mA功耗196mW传输距离测量浓度范围(质量比)0.06～0.167量程0～1000ppm环境氧气浓度21%±2%响应时间10sec环境温度～尺寸7.0×6.7×3甲烷传感器:实现对厨房内甲烷值的采集并将数据上传给小区服务器和终端设备，预防家庭煤气或天然气泄漏隐患。监测环境现场瓦斯浓度，通过监测，达到早期防火防爆的目的。应用：家庭用天然气、液化石油气体泄漏报警器，可用于智能家居安防系统；瓦斯浓度计，用于测量瓦斯浓度。传感器型号NAP工作电压3.8V工作电流51.6mA功耗196mW测量浓度范围0.05%～5%高精度允许检测范围0.05%～2%环境温度～环境湿度95%RH无线CO传感器(2400WSL_CO/780WSL_CO):监测环境现场CO浓度，通过监测，达到早期防火防爆的目的。优点：输出直线性、重复再现性优越、不受湿度影响。应用：一氧化碳报警器，当CO超过一定浓度后，就会发出报警信息；便携式CO探测器；环境检测器，配合其他种类的气体浓度检测器，共同构成环境检测器；CO浓度计，测量空气中CO浓度。传感器型号NAP-505工作电压24V工作电流14mA功耗336mw湿度范围15%～90%RH温度范围-20oC～+50oC检测气体浓度0～1000ppm最大检测气体浓度15000ppm响应时间30sec尺寸8.0×6.×3消防报警器:消防报警器与室内的传感器协同工作，当厨房内的烟雾传感器、温湿度传感器、CO传感器和传感器检测的数据信息超出预警值时，消防报警器启动声光报警，报警信息同步上传给终端，并发布警报信息给小区物业，消除消防隐患。4.2.3网络摄像头对室内状况进行实时监控，当启动布防模式后，摄像机自动启动抓拍模式。对于室内动态影像进行抓拍并发送到服务器存储，方便用户及相关部门查看。用户也可通过多种终端设备查看监控画面，为家居安防提供进一步的保障。4.2.4梯口机每一栋楼只需要一台梯口机，以及若干室内机，室内机通过楼层交换机连接起来，形成一个小的局域网络。楼层交换机把若干栋楼连接起来，形成一个大的局域网络。在由路由器把楼层交换机连接起来，接到中心管理处，中心管理处可以对整个小区进行管理。同时也可以把一些有用的信息下发给用户，也可以通过路由器把小区智能楼宇设备连接到INTERNET上，用户可以对自己的家庭进行远程控制。它主要由三部分组成，小区可视对讲系统、骨干网络和中心管理机可视对讲功能：客人呼叫，可视对讲，用户开锁，自动录影，呼叫中心管理机开锁功能：远程开锁，密码开锁，IC卡开锁，出门按钮开锁其他功能：语音提示功能，支持本地在线搜索网内室内终端功能，支持中文/英文语言菜单，支持背光调节和节电模式功能4.3家居安防的应用测试4.3.1设备选型和性能硬件选择原则：(1)先进性：系统硬件的选用应具有先进性，避免短期内因技术陈旧而造成整个系统性能不高或过早淘汰。(2)成熟性：在充分考虑先进性的同时，硬件系统应立足于用户对整个系统的具体需求，应选择先进、适用、成熟技术的产品，最大限度地发挥投资效益。(3)可靠性：系统无论在硬件上还是软件上都应采取多种保护措施，保证系统24小时不间断正常运行，同时还应充分考虑系统权限安全措施，进一步保证系统的可靠性。(4)开放性：网络化的目的是实现设备和信息的共享。因此，网络要具有开放性，并应提供标准接口，用户可根据要求，对系统进行扩展或升级。(5)兼容性：计算机网络的选择和相关产品的选择要以先进性和适用性为基础，同时考虑兼容性。系统设备应优先选择根据国际标准设计、生产的标准化设备，避免因兼容性差而造成的系统难以升级或扩展。(6)实时性：系统硬件应具有实时处理和快速响应能力。软件设计原则：(1)可靠性和安全性：系统软件应实现24小时可靠运行，并充分考虑系统权限设置等多种保护措施，保证系统数据的安全性。(2)界面友好：系统软件应操作方便，采用中文图形界面，运用多媒体技术，使系统具有处理声音及图像的能力，要适应不同层次、不同年龄用户的使用要求。(3)可扩充性：系统软件应提供二次开发的功能，便于多次升级和支持硬件产品的更新。(4)模块化：根据家庭的实际需要选择安装不同的功能组件，以适应不同用户的需要。1．消防报警器与门窗磁报警硬件部分主要包括：MCU、WSN模块、门窗磁。其中MCU通过IO口控制底层的门磁窗磁报警信号触发动作，MCU又与WSN无线模块双向通信，将报警信息发送给家庭网关，信息层层上发，进而实现无线报警。硬件部分主要包括：MCU、WSN模块、烟雾传感器。其中MCU通过IO口来接收传感器的数据信息，同时MCU又与WSN无线模块双向通信，将传感器接收到的数据信息发送给家庭网关，信息层层上发，由服务器对数据信息进行存储和匹配决定是否达到报警条件，进而实现无线报警。硬件部分主要包括：MCU、WSN模块、甲烷传感器。其中MCU通过IO口来接收传感器的数据信息，同时MCU又与WSN无线模块双向通信，将传感器接收到的数据信息发送给家庭网关，信息层层上发，由服务器对数据信息进行存储和匹配决定是否达到报警条件，进而实现无线报警。硬件部分主要包括：MCU、WSN模块、声光报警等。其中MCU通过IO口控制声光报警等的启动和关闭，MCU又与WSN无线模块双向通信，WSN一方面接收网关发来的室内传感器数据并发给MCU由MCU选择执行报警，另一方面WSN将MCU报警信号发给网关，触动系统整体报警。消防报警器和门窗磁报警系统采用STC10xx系列单片机。STC10xx单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、I/O接口、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体震荡电路等模块。本系列的单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。微处理器电路通过串口与CC2530模块相连，同时输出控制光强模块。STC10xx系列单片机的内部结构框图如图4-15所示本系统的电源管理电路主要为系统提供5V和3.3V的直流电压，同时在进行电源电路设计时，在保证原理正确的情况下，必须考虑电源容量大于系统所需。为供电方便，电源电路直接从市电220V经AC/DC模块降压、整流转换成12VDC后，通过稳压芯片L7805和AS1117-3.3稳压、滤波后，得到稳定的5V和3.3V电源。通信协议:窗磁、门磁、消防报警器均采用WSN通信协议接入系统。基于IEEE802.15.4E协议的无线传感器网络具有近距离、低功耗、低成本的特点。可以移植到多种嵌入式设备中。IEEE802.15.4E设备工作在2.4GHz频段，采用自组织方式组网，对网络内部的设备数量没有限制，新添加的设备节点会被网络自动发现，提升了网络的可靠性。2．网络摄像机硬件模块:硬件平台采用S3C6410处理器位核心，搭配以外围必要的时钟电路，供电电路，外围存储电路，USB设备电路，SD卡存储设备，网络MAC芯片，RS232串口电路等组成。S3C6410其硬件体系结构如图软件模块：网络摄像机软件系统设计须遵守以下几个原则。(1)可靠性和安全性：系统软件应实现24小时不间断可靠运行，充分考虑到可能发生的以外情况，如突发断电后重新上电的系统自启动，自恢复功能，网络连接的安全功能。(2)实时性：网络摄像机作为安防监控类设备有一定的实时性要求，因此通过网络传输的视频须考虑多种网络载体情况。(3)界面友好：网络摄像机提供网页和Android客户端两种形式的用户界面，友好、简洁的中文图形界面方便各年龄段的用户群体使用。(4)可扩充性：系统软件应提供能后期改进二次开发的功能，便于日后的功能升级。网络摄像机软件系统架构图通信协议:网络摄像机是处于Internet中的网络设备，必须通过网络传输数据，这就需要TCP/IP(TransmissionControlProtocol)传输控制协议来实现3．梯口机满足以下几个要求(1)集成微处理器；(2)支持与常用测控部件连接的软硬件接口；(3)支持总线供电和电源适配器供电；(4)软件设计和硬件设计须模块化、可裁减、可定制；(5)方便产品软硬件升级；(6)可外接存储器；(7)采用以太网传输信号(8)给门禁读卡模块提供5V的工作电压和韦根26的通信接口；(9)提供一个485接口，便于集成功能模块。在本课题的设计与实现中应该遵循以下几个设计原则(1)软硬件设计模块化、可裁剪、可定制(2)多种供电方式的设计(3)低功耗设计(4)电磁兼容(EMC)梯口机的设计采用的是双核处理结构，每个核都有其负责的功能。GM8120处理模块是带有实时多任