智能家居安全系统设计Word文件下载.docx
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【Keywords】SystemofSmartHomeInternetofThingsSmartHouseSecuritysensornetwork
前言
智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理化系统，提高家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并保证环保节能的居住环境[1]。
智能家居又称智能住宅，通俗地说，它是融合了自动化控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术于一体的网络化智能化的家居控制系统[2]。
智能家居将让用户有更方便的手段来管理家庭设备，比如，通过家触摸屏、无线遥控器、电话、互联网或者语音识别控制家用设备，更可以执行场景操作，使多个设备形成联动；
另一方面，智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与安全。
智能家居系统集综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术和音、视频技术与一体的将家居生活有关的设备集成的一个综合性系统。
由于智能家居采用的技术标准与协议的不同，大多数智能家居系统都采用综合布线方式，但少数系统可能并不采用综合布线技术，如电力载波，不论哪一种情况，都一定有对应的网络通信技术来完成所需的信号传输任务，因此网络通信技术是智能家居集成中关键的技术之一。
安全防范技术是智能家居系统中必不可少的技术，在小区及户内可视对讲、家庭监控、家庭防盗报警、与家庭有关的小区一卡通等领域都有广泛应用。
自动控制技术是智能家居系统中必不可少的技术，广泛应用在智能家居控制中心、家居设备自动控制模块中，对于家庭能源的科学管理、家庭设备的日程管理都有十分重要的作用。
音视频技术是实现家庭环境舒适性、艺术性的重要技术，体现在音视频集中分配、背景音乐、家庭影院等方面[3]。
第一章智能家居
第一节智能家居的概述
智能家居是在互联网的影响下物联化的体现。
智能家居通过物联网技术将家中的各种设备（如音视频设备、照明系统、窗帘控制设备、安防系统、数字影院系统、网络家电以及三表抄送等）连接到一起，给家居生活提供家电控制、照明控制、窗帘控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监控、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多功能和手段。
与传统家居相比较，智能家居不仅具有普通家居的居住功能，还兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、便利、舒适、安全、环保的居住环境，提供全方位的信息交互功能。
帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至还为各种能源费用节约资金。
智慧家居概念的起源很早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司（UnitedTechnologiesBuildingSystem）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州（conneticut）哈特佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding时，才出现了首栋的“智能型建筑”，从此就解开了全世界各国相争建造智能家居的序幕[1]。
第二节国内外智能家居的发展状况
一、国内智能家居的现状
智能家居作为一个新生产业，处于一个导入期和成长期的临界点，市场消费观念还未形成，但随着智能家居市场推广普及的进一步落实，培育起消费者的使用兴趣，智能家居市场的消费潜力必然是巨大的，产业前景是光明的。
正因为如此，国内相关企业越来越重视对智能家居行业市场的研究。
智能家居至今在我国已经经历了近
12年的发展，从人们最初的梦想，到今天真实的走进我们的生活，经历了一个艰难的过程。
智能家居在我国的发展经历大致可以分为四个阶段：
萌芽期、开创期、徘徊期和融合演变期。
萌芽期是智能家居在我国的第一个发展阶段，整个行业还处于一个熟悉概念和认识产品的阶段；
开创期期间我国成立了多家智能家居研发生产企业。
智能家居的市场营销、技术培训体系逐渐完善起来；
徘徊期由于在开创期期间智能家居企业的野蛮成长和恶性竞争，给智能家居行业带来了极大的负面影响。
同时，国外智能家居品牌局部进入中国市场；
融合演变期市场明显出现增长的势头，在2011年以后，智能家居一方面进入一个相对快速的发展阶段，另一反面协议与技术标准开始主动互通和融合，使智能家居行业的发展更加快速。
二、国内的相关政策
截止2013年，全球范围内信息技术创新不断加快，信息领域的新产品、新服务和新业态大量涌现，不断激发新的消费需求，成为日益活跃的消费热点。
我国的市场规模非常的庞大，也正处于居民消费升级和信息化、工业化、城镇化、农业现代化加快融合发展的阶段，信息消费具有良好的发展基础和巨大的发展潜力。
我国政府为了推动信息化、智能化城市发展在2013年8月14日发表了关于促进信息消费扩大内需的若干意见，大力普及宽带、宽带提速，加快推动信息消费持续增长，这都为智能家居、物联网行业的发展打下了坚实的基础。
鼓励智能终端产品创新发展。
面向移动互联网、云计算、大数据的热点，加快实施智能终端产业化工程，支持研发智能手机、智能电视等终端产品，促进终端与服务一体化发展。
支持数字家庭智能终端研发及产业化，大力推动数字家庭示范应用和数字家庭产业基地建设。
鼓励整机企业与芯片、器件、软件企业协作，研发各类新型信息消费电子产品。
支持电信、广电运营单位和制造企业通过定制、集中采购等方式开展合作，带动智能终端产品竞争力提升，夯实信息消费的产业基础。
三、国外智能家居的现状
自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现以后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚的经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。
智能家居在美国、德国、新加坡、日本等经济发达国家都有广泛的应用。
1998年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。
它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和软件配置等。
比尔盖茨的家是国外第一个使用智能家居的家庭，至今已经快有30年的历史了，智能家居控制系统也逐渐进入人们的视野中，也让更多的人了解和尝试这么一个新鲜的事物。
第三节智能家居中的安全问题
随着人们居住环境的升级，人们越来越重视自己的个人安全和财产安全，对人、家庭以及住宅的小区的安全方面提出了更高的要求；
同时，经济的飞速发展伴随着城市流动人口的急剧增加，给城市的社会治安增加了新的难题，要保障小区的安全，防止偷抢事件的发生，就必须有自己的安全防范系统，人防的保安方式难以适应我们的要求，智能安防已成为当前的发展趋势。
智能家居系统中的安全防范措施一般包括视频监控、设置门禁系统和防盗报警。
视频监控是对主要的出入口通道以及家中比较重要的地方进行监控，该方式有效地对家居环境进行监控。
设置门禁系统，可以有效地阻止“非授权入侵”。
防盗报警是在门禁系统中的一个扩展功能，当有陌生人妄想以强硬的手段进入到房屋内时，我们的防盗报警系统可以在他触动门禁系统的同时，警报响起，当然更加完善的系统还可以给房子主人发送短信，提醒他家中有陌生人闯入，同时给小区保安室也发一条短信，告知他小区有安全隐患发生。
智能安防系统也是一个不小的系统，在进行具体的设计的时候需要考虑到很多实实在在的问题，例如系统集成化问题。
从当前的发展现状来看，各类智能家居的安全防范措施的发展还处于起步阶段，各有利弊，这就需要我们对这些进行总结，探索一种安全系数高、价格较低的安防系统，从而为人们提供一个安全、舒适的生活环境。
第四节本章小结
本章主要对智能家居作一个大概的介绍，这包括智能家居系统的功能以及智能家居在国内外的发展现状，并对智能家居的发展前景是非常看好的。
智能家居系统是一个庞大的系统，在这个系统中，综合应用了很多的技术手段，包括综合布线技术、计算机网络技术、网络通信技术以及无线传感器网络技术等。
智能家居行业在国内发展的时间也还不是很长，但是取得的成就是无可非议的，但是，智能家居各方面的功能也还不是很完善，智能家居安防系统就是一例，所以才有本文对家居物联网安全系统的研究这么一个课题。
第二章基于物联网的智能家居系统
第一节物联网技术
物联网（InternetofThings）是由KevinAshton在1998年提出来的，通过射频识别、红外感应及激光扫描、二维码、GPS等技术将任何物品连接成网络，实现实时数据采集、处理和通信，从而实现对监测区域的智能化识别和监控。
物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。
它具有普通对象设备化，自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征[1]。
物联网根据全面感知，可靠传递以及智能处理的三大功能需求，可以将其实现过程分为三层结构：
第一层为感知延伸系统，主要功能为采集信息和控制设备；
第二层为异构融合的泛在通信网络，主要负责异构网络的互联互通以及存储处理功能；
第三层为应用和服务层，主要负责数据的监控和分析等[4]。
物联网的应用技术架构可以表示为图2.1所示。
图2.1物联网的应用技术架构
第二节IEEE802.5.4/ZigBee无线通信标准
一、IEEE802.15.4标准简介
IEEE802.15.4是一种结构、低成本、低功耗的无线通信网络协议标准。
它具备如下特征：
（1）实现20kb/s、40kb/s、100kb/s、250kb/s四种不同的传输速率。
（2）支持星型和点到点两种拓扑结构。
（3）在网络中采取两种地址方式：
16位地址和64位地址。
其中16位地址是有协调器分配的，64位地址是全球唯一的扩展地址。
（4）采用可选的时槽保障（GTS）机制。
（5）采用带冲突避免的载波侦听多路访问（CSMA-CA）的信道访问机制。
（6）支持ACK机制以保证可靠传输。
（7）低功耗机制。
（8）链路能量检测（ED，EnergyDetection）。
（9）链路质量指示。
（10）工作在ISM频段上，其中在2.4GHz波段上有16个信道，在915MHz波段上有30个信道，在868MHz上有3个信道。
（11）数据安全策略。
在IEEE802.15.4中定义了两种设备：
全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。
在无线传感器网络中，全功能设备可以担任协调器、路由器和终端节点的角色，在担任协调器时主要负责组建网络；
精简功能设备担任只能担任路由器节点和终端节点的角色，主要进行数据采集、实时监控的工作[5]。
网络的拓扑结构如图2.2所示：
图2.2星型和点到点拓扑结构
IEEE802.15.4标准定义了物理层和MAC子层，符合开放系统互连模型（OSI）。
物理层包括射频收发器和底层控制模块，MAC子层为高层提供访问物理信道的服务接口[5]。
图2.3表明了协议层次之间的关系。
图2.3IEEE802.15.4协议栈架构
在MAC子层之上的高层包括网络层和应用层，对于不同高层协议，也可以通过逻辑链路控制子层（LLC，LogicalLinkControl）以及特定服务聚合子层（SSCS）来访问MAC子层。
二、ZigBee标准简介
ZigBee是一种标准，该标准定义了短距离、低数据传输速率无线通信所需要的一系列通信协议
[1]。
基于ZigBee的无线网络所使用的工作频段为868MHz、915MHz和2.4GHz，最大数据传输速率为250kbps。
1、ZigBee网络层功能实现
ZigBee标准确定了ZigBee网络中的三种设备：
ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备。
每一个网络都必须包括一台ZigBee协调器，它负责建立并启动一个网络，其中包括选择适合的射频信道、唯一的网络标识符等一系列操作。
ZigBee路由器作为远程设备之间的中继器来进行通信，能够用来拓展网络的范围，负责搜寻网络路径在任意两个设备之间建立端到端的传输。
ZigBee终端设备作为网络中的终端节点，负责数据采集。
2、ZigBee组网
组建一个完整的ZigBee网状网络包括两个步骤：
网络初始化、节点加入网络，其中节点加入网络又包括了两个步骤：
通过与协调器连接入网和通过已有的父节点入网。
ZigBee网络的建立是由网络协调器发起的，任何一个ZigBee节点要组建一个网络必须要满足两个条件：
（1）节点是全功能设备（FFD）；
具备ZigBee协调器的能力；
（2）节点还没有与其他网络连接，当节点已经与其他网络连接时，此节点只能作为该该网络的子节点，因为一个ZigBee网络中有且只有一个协调器[6]。
ZigBee组网的流程如图2.4所示：
图2.4ZigBee组网流程图
3、ZigBee的特点
总得来说ZigBee技术具有如下特点：
（1）高可靠性。
ZigBee联盟在制定ZigBee规范时已经考虑到数据在传输过程中的内在的不确定性，采取了一系列措施来提高数据传输的可靠性，主要包括：
物理层兼容搞可靠的短距离无线通信协议IEEE802.15.4同时使用OQPSK和DSSS技术；
使用CSMA-CA技术来解决数据冲突问题；
使用16-bitsCRC来确保数据的正确性；
使用带应答的数据传输方式来确保数据正确的传输目的地址；
采用星型网络尽量保证数据可以沿着不同的传输路径从源地址到达目的地址。
（2）低成本、低功耗。
低功耗只是针对终端节点而言的，因为只有终端节点才可以定时休眠，而协调器和路由器节点必须一直供电；
ZigBee模块成本低，大量布点比较经济，一个路由节点可以管理高达255个节点。
（3）高安全性。
（4）低数据速率。
第三节家居物联网安全系统的研究
一、家居物联网系统
随着物联网技术的不断成熟，物联网在智能家居中的应用方案也不断被人们所接受。
物联网技术的应用克服了传统家居布线困难、维护难度大和停电易造成系统瘫痪等问题。
物联网的发展也为智能家居引入了新的概念和发展空[7]。
物联网技术是由许多个功能相同或者是不同的无线传感器节点通过自组方式形成的无线网络，具有检测精度高、低功耗、低成本、实时性好、高容量和覆盖面积大等显著的优点。
基于物联网技术的智能家居系统，充分利用计算机技术、无线通信技术、无线传感器网络技术、电力自动化、信息集成、智能传感和电力电子技术等技术的优点[8]，将所有不同的设备应用和综合功能互连于一体，以无线数据传输的方式，连接智能传感器，设计“物—物”和“人—物”相联的网络系统，能够把家居电气信息、家居防盗信息、家居电器信息和家居环境等信息整合与共享，能够实现人们对物的远程监控，建立智能化高效率的现代化家居生活环境
[7]。
利用物联网技术设计智能家居电器控制系统总体框图如图2.5所示：
图2.5智能家居电器控制系统总体框图
二、系统安全问题的研究
智能家居系统的功能非常的强大，而系统的安全问题也是必须优先考虑的一点。
安防监控系统是智能家居系统中保证家居生活安全的一个系统，其包括个人安全和财产安全。
传统的人防的保安方式已经难以适应我们对家居安全的要求，所以智能安防成为了当前发展的趋势。
智能安防系统主要包括视频监控系统、防盗报警系统和电器安全控制和检测系统三个子系统。
视频监控系统的智能化具有以下优点：
1、安全：
安防系统可以对陌生人入侵、煤气泄漏、火灾等情况提前及时发现并通知主人。
2、简单：
操作非常简单，可以通过远程遥控器或者门口控制器进行布防或者撒放。
3、实用：
视频监控系统可以依靠安装在室外的摄像机可以有效地防止小偷进一步行动，并且可以在事后取证给警方提供有利的证据。
实现智能安防的技术很多，但都各有利弊，并且技术不是很成熟，本文研究的基于物联网技术的安防系统，是当前最为流行的一种技术方式，因为物联网技术运用在智能家居安全系统中可以避免大面积的布线，又可以大量布点，并且可以降低成本。
本章介绍物联网的起源和发展、它所具备的核心技术和重要特点。
也正因为物联网具有那些特点，使物联网的发展非常迅猛，技术更是不断成熟，被广泛应用于各个行业。
物联网技术上的一些优点，克服了传统家居中存在的一下困难。
物联网技术应用在智能家居系统中，给智能家居引入了很多新的概念，并给智能家居的发展留下了新的空间，同时智能家居系统功能会更加强大，更加完善，使人们的家居生活更加舒适，更加人性化。
基于物联网技术的智能家居系统设计会把智能家居行业带到一个崭新的舞台，这也会是行业发展的一种趋势和热点。
最后介绍基于物联网智能家居的安全系统，安全问题应该是智能家居系统最重要、最优先考虑的一个问题，因为所有的家居生活要顺利开展，必须的保证家居生活的安全。
只有不存在安全隐患的情况下，所有的功能才有实现的意义，所以本设计重点研究智能家居系统的安全性能。
第三章课题的硬件描述
第一节设计总框图
本设计通过组建一个ZigBee无线网络，实现对家居环境进行实时监测。
该ZigBee无线网络包括一个协调器节点和一个终端设备，这两个节点都是用TI公司的CC2530芯片搭建的开发板构成的，这两个开发板是一样的，只是在使用的时候，通过烧录不同的程序代码，使它们实现不同的功能
本文采用的ZigBee技术有个优点是低功耗，这里只需要两节5号电池就可以支持长达6个月到2年左右的使用时间[9]。
所以不需要设计专门的电源模块供电，那样在使用过程中也是十分的不方便，除了用电池供电外，还有一种方法，就是用太阳能电池对节点供电，在这里就不介绍太阳能电池供电的情况了。
图3.1设计总框图
第二节CC2530芯片及最其小系统介绍
一、CC2530芯片简介
CC2530是用于2.4GHz的IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。
它能够以非常低的总得材料成本建立强大的网络节点。
CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8KBRAM和许多其他强大的功能。
CC2530有四种不同的闪存版本：
CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。
CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。
运行模式之间的转换时间短进一步确保了低功耗能源消耗。
CC2530内在集成的模块大致可以分为三种类型：
CPU和内存相关的模块；
外设、时钟和电源管理相关的模块；
无线电相关的模块。
CC2530采用6mm*6mm的QFN40封装，CC2530功能引脚图如图3.2所示：
图3.2CC2530功能引脚图
CC2530共有4个定时器。
定时器1是一个独立的16为定时器，支持典型定时/计数功能，定时器有五个独立的捕获/
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