基于物联网的平安家居系统设计.docx
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基于物联网的平安家居系统设计
基于物联网的平安家居系统设计
苏州XX学院
毕业设计（论文）
（2012届）
课题：
基于物联网的平安家居系统
姓名：
XX
学号：
XX
指导老师：
XX
系别：
XX
专业：
XX
班级：
XX
提交时间：
摘要
随着经济和社会的发展，人们的生活水平也逐渐提高。
人们对居家舒适度提出要求的同时，也同时需求居家安全水平的提高。
普通的安全防护系统因为成本较高，应用的难度大，覆盖面窄的情况下。
基于物联网的家居安全系统呼之欲出。
物联网工程，被列为国家战略，纳入到第十二个五年规划中。
基于物联网的平安家居系统，将系统的解决人们在追求高质量生活中所遇到的安全问题。
能够充分利用无线射频技术，无线传感技术，红外技术，基于WIFI协议的无线传输技术等高新科技做到实时监控，实时传输，实时处理的平安家居系统。
关键词：
物联网传感器无线传输烟雾检测节点操作系统
Abstract
Withthedevelopmentofeconomyandsociety.Thelevelofpeople’slifealsocometoincrease.peoplenotonlyputforwardthecomfortoftheliving,butalsoputforwordthesecurityoftheirhouse.becausethepriceofordinarysecuritysystemissohigh.Commonsecuritysystembecauseofhighcost,theapplicationofthedifficult,narrowcoverageofthecase.Basedonthingsreadytocomehomesecuritysystem.Thingswork,islistedasanationalstrategy,intotheTwelfthFive-YearPlan.Peaceofhome-basedsystemofthings,tosolvethesystemofqualityoflifeofpeopleinthepursuitofsecurityproblemsencountered.Totakefulladvantageofradiofrequencytechnology,wirelesssensortechnology,infraredtechnology,WIFIprotocolbasedonotherhigh-techwirelesstransmissiontechnologytoachievereal-timemonitoring,real-timetransmission,real-timeprocessingofthesafehomesystem.
Keywords：
ThingsofInterentTransducerWirelessTransmissionSmogTestNodeOperatingSystem
第一章绪论5
1.1物联网概述5
1.2物联网在现代生活中的应用5
1.3我国物联网的发展5
1.4平安家居系统概述6
第二章项目系统概述7
2.1项目设计总要求7
2.1.2软件要求10
2.2无线通信系统的发展与成熟11
2.2.13G/4G无线传输技术在数据传输的应用11
2.2.2无线射频技术（RFID）12
2.2.3蓝牙、无线个人区域网与zigbee12
2.2.4智能终端的广泛应用13
第三章硬件系统14
3.1硬件系统概述14
3.2图片获取模块14
3.3视频录制模块16
3.4人体检测模块18
3.5烟雾检测模块19
3.6门禁控制模块20
第四章烟雾检测模块的系统实现21
4.1烟雾传感器介绍21
4.2烟雾检测报警器设计思路22
4.2.1系统的总体结构22
4.2.2信号的发射部分23
4.2.3接收处理部分24
第五章热释电红外传感器模块系统实现25
5.1热释电红外传感器25
5.2红外热释电模块的设计25
5.2.1设计要求25
5.2.2传感器及芯片25
5.2.3红外探测总体结构设计26
5.2.4红外防盗报警系统的电路设计26
5.2.5系统实现27
结论29
致谢30
参考文献31
第一章绪论
1.1物联网概述
当前，随着互联网技术在中国的普及，中国国内的网民数量激增，中国已经成为世界上网民最多的国家，以电子商务为主导的网络经济发展越来越快，对人们日常生活的影响也越来越大。
同时，以通信技术、无线射频技术、传感器技术为基础的发展平台物联网正式登台亮相。
2009年11月3日，温家宝总理在全国科学技术大会上的讲话，着重强调说，全面发展无线传感技术是我国必须争取实现的目标，属于国家未来五大科技制高点之一，是重中之重。
物联网技术被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。
目前多个国家都在花巨资进行深入研究，物联网是由多项信息技术融合而成的新型技术体系。
射频识别技术（RFID）、无线传感器网络技术（WSN）、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。
可以认为，“物联网”是指将各种信息传感设备及系统，如传感器网络、射频标签阅读装置、条码与二维码设备、全球定位系统和其它基于物一物通信模式的短距无线自组织网络，通过各种接入网与互联网结合起来而形成的一个巨大智能网络。
如果说互联网实现了人与人之间的交流，那么物联网可以实现人与物体的沟通和对话，也可以实现物体与物体互相间的连接和交互。
1.2物联网在现代生活中的应用
物联网技术已经初步应用到我们的日常生活中，以传感器为核心的物联网技术已经实现。
下面的这个例子将带着我们走进智慧的物联网世界。
在上海国际工业博览会中中国电信的网络展区，人们看到在家中常见的煤气表和电表，通过内置的传感器和RFID芯片，这些表中的数字信息，就可以集中在数据采集器中，然后通过3G网络传送至电信后台系统。
在现场展示的后台系统中，现实不同编号的表，对应着各个用户的用电量、用煤气量。
城市自来水、电力、煤气公司以后就不用再上门抄表了，对照每一用户分表的固定编号，那一用户的使用度量，在控制室的电脑屏幕上显示的很清楚。
同时，有关公司还可以根据客户需求，提供增值服务，比如分析用电量的峰值、谷值等信息，帮助有关公司和使用者，合理的使用电力，也能更加了解用户的具体使用情况，做好节省水、电、液化气的基础工作。
1.3我国物联网的发展
中国物联网产业链已经基本搭建完成，由于涉及多个行业，行业间壁垒、标准等因素影响使得产业链成员间的协作程度不高，产业链各环节的发展也存在不均衡性特点。
1．物联网产业链发展不均衡
我国物联网产业基本形成了由片设计制造、应用设备制造、软件及应用开发、系统集成、网络运营等环节组成的业链。
其中，应用设备制造和系统集成环节企业数量较多，而芯片设计制造、软件应用及开发环节相对薄弱，相关技术研发水平和标准制定工作比较落后，集成商多选择的是国外软件、芯片等产品。
2．产业链合作方面
我国物联网产业还需要产业主导者来协调产业链各方的紧密合作，引导产业健康、有序发展。
我国物联网产业链主导权之争可以说已经拉开了帷幕，主导权之争带来了一些互联互通和相互之间市场进入障碍等问题，虽然在短期内不利于市场的发展壮大，但从长远来看，是产业健康发展的必经阶段。
3．在各行业合作方面
物联网所涉及范围之广，其未来发展重任远不是一个企业或是一个行业能够担当的。
物联网在城市公共安全、工业安全生产、环境监控、智能交通、智能家居、公共卫生、健康监测等多个领域的广泛用途也意味着需要各行各业的合力做多，跨行业之间的产业链合作成为物联网发展的必然。
1.4平安家居系统概述
平安家居系统就是通过一系列的技术设备和手段，实现智能化的家庭管理。
具体侧重点是通过红外传感器、烟雾传感器、视频设备、门禁设备等关键的检测设备结点，加上网络服务平台、家庭主控计算机系统等的一些关键技术的使用和研究，形成一整套自动化的管理系统。
形成事件报警、关键事件无线传输等应用解决方案，解决当前普通家庭所面临的火灾，入室盗窃，管道泄漏等一系列的安全问题，实现自动化的应急处理，并同时通过无线传输技术将突发事件信息发送给用户，满足现阶段大众对平安家居的要求。
第二章项目系统概述
2.1项目设计总要求
此项目的最终目的是：
实现智能化的家庭安全防护。
家庭安全防护系统是保障居家安全的有效技术手段。
近几年来，随着科技的进步和计算机的普及，尤其是无线识别技术（RFID）、红外传感技术、无线传输技术的发展，以一种智能化的居家安全系统势必要取代传统的家庭防盗网，同时也是火灾等紧急情况时家庭人员逃生的需要。
智能化的家居安全系统需要有智能化的检测与控制系统，并且要能够实现数据的实时传输，这样既可以保证家居智能化控制的需要，又能够最低限度的降低突发危险的损失程度。
下面是基于物联网的平安家居的效果图：
在这个系统的效果图中，核心是以一台搭载linux操作系统的主机，内嵌TinyOs的节点操作系统，该主机外置无线信号的发射路由。
主要用于信号的收集和发射，对外部传感器节点的控制，同时实现一些简单的应急处理。
模拟实例：
比如：
当烟雾传感器检测到烟雾，并将检测的信号，发射给家中的主机，家中的主机接收到信号以后，一方面将此次烟雾报警的信号，通过3G信号传输到主人的智能移动终端上，同时，自身在自己处理器的控制下，相继要实现切断家中重要电源（部分重要设备。
如家庭主机，无线路由应使用UPS供电），控制家中的烟雾点的CMOS相机，拍摄实时的画面，通过zigbee协议，用无线信号发送到主人的移动智能终端上，由主人决定是否要通知警方。
系统流程如图2.2：
图2.2烟雾自动检测报警流程示意图
2.1.1硬件要求
1供能装置
通常，传感器节点使用电池供电，这使得节点更容易部署。
一般来说，一个2000mA•••h的电池理论上可以持续输出10mA的电流达200小时。
但实际上，由于电压的变化、环境变化等多种因素，电池的容量并不能被完全利用。
除了电池供电以外，，节点也可以使用可再生能源，如太阳能、风能等。
例如，在太阳光直射的情况下，一平方英寸的太阳能板能提供10mW的电能；而在室内开灯的情形下，一平方英寸的太阳能板能够提供10~100mW的电能。
因此白天收集的电能可以晚上工作。
使用可再生能源的最关键的技术是如何储存能量，一般有两种技术。
一种是使用充电电池，其主要优点是自放电较少，电能利用会比较高，主要的缺点是充电的效率较低，且充电次数有限。
另一种比较新的技术是使用超电容。
超电容的主要优点是充电效率高，充电次数可达100万次，且不易受温度、振动等因素的影响。
例如明尼苏达大学开发的TwinStar平台，利用太阳能板收集太阳能，利用超电容存储电能，使用超电容存储的最大挑战是电容的自放电很大，尤其在接近满电容的时候。
因此，需要设计能量自适应的机制以保证节点在两次充电期间能够正常的工作。
2传感器
随着传感技术的发展，有很多的传感器可供节点平台使用，有相对简单的光传感器、温度传感器、也有比较复杂的二氧化碳传感器等。
在基于物联网的平安家居系统中，将使用到目前市场上常用的TCA-10.0C镁光1000万像素CMOS摄像机、红外式跟踪球形摄像机KRT1801SL、MC14468离子型烟雾检测报警芯片等。
通常，处理器通过模拟信号或数字信号两种方式与传感器进行交互。
基于模拟信号的传感器为每一个测量的物理量输出一个原始的模拟量，例如电压。
这些模拟量必须先被数字化才能被使用。
因此这些传感器需要外部的模拟数字转换器，以及额外的校准技术。
而基于数字信号的传感器本身提供了数字化的接口，因此处理器可以直接读出感知信号对应的数字量，简化了处理器与传感器之间的交互。
CMOS相机，是用来进行拍摄家中的现状，并由主机实时保存主人离开家门后的家中实时图像，用以作对比。
主人也可以用自己的智能终端控制家中的主机，命令主机发送指令给CMOS相机采集新的家中实时图像，用以作对比。
CCD（电荷耦合器件），为防止高智商盗窃等危险行为的发生，家中的视频录制将用一款性能更高，像素及功耗更加合理化的CCD相机来完成。
录制完成的视频将以录像文件的形式，保存在主机硬盘中。
红外传感器，红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。
它的波长范围大致在0.76～1000μm。
工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。
红外辐射本质上是一种热辐射。
任何物体，只要它的温度高于绝对零度（－273℃），就会向外部空间以红外线的方式辐射能量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。
物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。
另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热能。
因此可是使用红外传感器来测得房间内的物体。
本系统采用的是KRT1801SL红外式跟踪球形摄像机，和红外传感器。
它可以根据探测到的环境中红外线数值的变化，锁定入侵者的位置，并进行跟踪实时拍摄。
烟雾传感器，烟雾传感器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。
它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。
在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。
一旦有烟雾窜逃外电离室。
干扰了带电粒子的正常运动，电流，电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。
本系统的烟雾检测模块采用的是MC14468离子式烟雾检测报警芯片，该芯片探测灵敏度高，成本较低，适合于家庭安全防卫的需要。
3微处理器
微处理器是无线传感节点中负责计算的核心。
目前，微处理器芯片同时也集成了内存、闪存、模数转换器、数字I/O等。
这些深度集成的特性使得它们非常适合在无线传感网络中的应用。
功耗特性
微处理器的功耗特性是一个十分关键的特性，决定了无线传感网络生命周期。
传感节点一般周期性的进行数据采集与处理。
在其他大部分的时间处于休眠状态。
因此，处理器睡眠状态的功耗对整个节点的生命周期起着极为关键的作用。
一般的微处理器的睡眠电流为1~50μA。
采用一节2000mA•h的电池为一个睡眠电流50μA的处理器供电，在理想情况下，即使全程处于睡眠状态，最多也只能工作4.5年；而对于1μA的睡眠电流处理器，睡眠电流对其生命周期的影响是可以忽略不计的，其生命周期几乎全部由电池自身放电以及处理器工作状态的能耗决定。
唤醒时间
处理器的另一个关键特性就是它的唤醒时间。
有些处理器从睡眠状态进入工作状态需要近10ms的时间，而有些处理器只需要6μs的时间。
唤醒时间越短，进行状态切换的速度就越快。
唤醒时间短的处理器能充分利用小段的非活跃状态，使得节点在这些状态也能进入睡眠状态，进一步节省能耗。
供电电压
传统的低功率处理器仅能在2.7V~3.0V的电压范围内正常工作，而目前新一代的低功耗处理器能在1.8V~3.0V的电压范围内正常工作。
这能极大地延长节点的生命周期。
以常见的AA碱性电池为例，如果处理器仅能在2.7V~3V的电压范围内正常工作，则节点能工作300h；如果处理器能在1.8V~3V的电压范围内正常工作，则节点能工作680h。
运算速度
在传感网络中，微处理器的主要工作是运行通信协议、和传感器交互、进行数据处理等。
其中大部分的操作对处理器速度并没有很高的要求。
目前大部分处理器的CPU主频一般是0~8MHz。
内存大小
通常在节点上执行的程序将数据存在内存（RAM）上，而将程序代码存在闪存（Flash）上。
内存是易失性的，内存里的数据在断电后就会丢失；而闪存是非易失性的，数据在断电以后还保存着。
4智能终端
智能终端，是随着主人的移动而移动的，主人利用智能终端可以实时的了解当前家中的信息。
如有异常，立即处理。
智能终端已经从最早的个人计算机、PDA发展到现在的种类繁多的、功能强大的多信息设备的集合。
个人计算机，个人计算机从本重的商业计算机发展到今天的高性能便携式计算机，在人们的日常生活中扮演者重要的角色，既能用来高效的工作，又能用来游戏娱乐，是目前应用较为广泛的智能设备之一。
一般来说，个人计算机在机型上分为桌面型计算机（台式机）与笔记本电脑两大类；在系统上分为国际商用机器公司（IBM）的IBMPC/AT系统和苹果公司所开发的麦金塔系统（MAC）两大类。
操作系统是个人计算机最基础的软件，是用户和计算机硬件设备之间的接口，其作用是管理计算机的软硬件资源，使用户更方便的使用计算机，以提高计算机的利用率和可操作性。
目前个人计算机常见的操作系统有DOS、WINDOWS、LINUX等。
个人数字助理（PDA），PDA是个人数字助理。
这种手持设备集中了计算、电话、传真和网络等多种功能。
它不仅可以用来管理个人信息。
还可以浏览网页，收发电子邮件、发传真、甚至还可以当成手机来使用。
2.1.2软件要求
作为传感器节点软件系统的核心，节点操作系统向上层应用程序提供硬件驱动、资源管理、任务调度以及编程接口等。
节点操作系统区别于传统操作系统的主要特点是：
其硬件平台资源极其有限。
图2.3为节点操作系统TinyOS、MOS与其他已有操作系统的对比。
其中横轴表示操作系统占用的数据内存的大小，纵轴表示操作系统占用的程序的大小。
由此可以看出，节点操作系统是及其微型化的。
这有别于传统的操作系统，如图2.3所示。
Linux、Mach；也有别于传统的嵌入式操作系统，如PalmOS,uCLinux。
TinyOS是目前无线传感网络研究领域使用最为广泛的操作系统。
TinyOS使用nesC语言编写，基于TinyOS的应用程序也使用nesC语言编写。
nesC语言是专门为资源及其有限，硬件平台多样化的传感节点设计的开发语言。
nesC借鉴了传统的C语言的一部分重要特性，如变量声明，函数定义等，同时也赋予了自己特性。
2.2无线通信系统的发展与成熟
2.2.13G/4G无线传输技术在数据传输的应用
在3G网路中，数据的传输首先是多元的，视频信息、数据流、音乐电影等多媒体数据都可以轻松、高质量的完成传输；其次是传输的即时性，无论从室内相对固定环境下地2Mb/s的传输速率，还是室外快速移动环境下的144Kb/s的传输速率，中小数据都可以完成及时且完整的传输；在全面的基站覆盖率下，信息的地域性也可以很好的解决，尤其是对于一些很难建立起Wifi等无线网络系统的恶劣环境下，利用手机信号传输是很好的选择。
可以说，3G技术解决了现实的各种网络业务对信息要求越来越多、越来越快、越来越广的难题，为移动互联网提供了重要的技术支撑。
所谓移动互联网，就是将移动通信和互联网两者结合起来，成为一体。
相对于前两代移动通信服务，利用在传输声音和数据的速度上的提升，3G能够提供包括网页浏览、视频会议、电子商务、节目电视直播等多种原来只存在于互联网上的应用服务。
对于未来的物联网发展庞大的3G用户群是不可或缺的，而且3G的许多便捷服务更是物联网服务最基本的平台。
4G，就在3G通信技术正处于酝酿之中时，更高的技术应用已经在实验室进行研发。
因此在人们期待第三代移动通信系统所带来的优质服务的同时，第四代移动通信系统的最新技术也在实验室悄然进行当中。
那么到底什么是4G通信呢？
4G是第四代移动通信及其技术的简称，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。
4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。
而在用户最为关注的价格方面，4G与固定宽带网络在价格方面不相上下，而且计费方式更加灵活机动，用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。
此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。
很明显，4G有着不可比拟的优越性。
很显然，在移动技术发展迅速的今天，物联网技术的发展一定拥有高效高速的无线通信保障。
2.2.2无线射频技术（RFID）
无线射频识别技术（RFID）是利用射频信号或空间耦合（电感或电磁耦合）的传输特性，实现对物体或商品的自动识别。
现阶段，在整个物联网领域中，以无线射频技术为基础的物联网技术是应用最广泛，也是最成熟的一个部分。
当然，这种技术也可以应用于小区家庭的防入侵报警系统。
目前，各大小区的门禁系统就是一个很好的应用。
一个标准的RFID系统，包括RFID标签、读写器和数据库组成。
射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术。
通过射频信号自动识别目标对象来获取相关数据。
利用无线电波进行双向通信的一种自动识别技术，完成识别工作时无需人工干预，适于实现自动化且不易损坏，可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡，操作快捷方便。
RFID标签由天线和芯片构成，每个标签中具有唯一的产品信息代码，附在被标识的物体上。
当天线在芯片的作用下，形成感应电流，触发系统启动工作。
无线射频技术在此系统中集中体现于门禁系统的识别与控制，以物联网为核心的家居需要无线射频技术。
2.2.3蓝牙、无线个人区域网与zigbee
蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。
能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。
利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。
蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段。
其数据速率为1Mbps。
采用时分双工传输方案实现全双工传输
无线个人区域网和协议，随着手机、便携式计算机和移动办公设备的广泛应用，人们逐渐提出附件几米范围内的个人操作空间（PersonalOperatingSpacePOS）设备联网的需求。
个人区域网络（PAN）和无线个人区域网络（WPAN）在这个背景下产生。
IEEE802.15工作组主要致力于个人区域网的标准化工作，它的任务组TG4制定IEEE802.15.4标准，主要考虑低速无线个人区域网络（LR-WPAN）应用问题。
与WLAN相比，LR-WPAN只需很少的设备，甚至不需要基础设施。
Zigbee，Zigbee是一种面向自动控制的低速、低功耗、低价格的无线网络技术。
Zigbee的通信速率要求低于蓝牙，但要求用电池供电，在不跟换电池的情况下可连续工作几个月。
甚至几年。
同时，zigbee网络的结点数量、覆盖规模比蓝牙技术支持的网络大的多。
zigbee无线设备工作在公共频道，在2.4GHz时传输速率为250kbps，在915Mbps时，传输速率为40kbps。
Zigbee的传输距离为10~75米。
Zigbee适应于数据采集与控制的点多，数据传输量不大
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