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基于人机交互的智能家居安防系统设计

范文

张文轩

摘要：随着科技的进步和物联网的发展，智能家居正在逐渐走进人们的生活。ZigBee的短距离、低功耗、低速率、低成本等优势使以它为核心搭建的无线智能家居系统成为目前最优秀的智能家居解决方案。根据智能家居领域国内外的发展现状，本文针对现有智能家居安防系统的防盗报警、火灾、气体报警等子系统功能单一，误报率较高，缺乏与使用者的交互等不足，对智能家居安防系统做出了创新设计。以CC2530芯片作为环境监测和入侵检测子系统的核心，以SPCE061A单片机为语音识别子系统核心，配合WT7010芯片和ZigBee通信模块实现家庭安防系统的构建。本系统的优势在于既很好地实现了家庭的安全防护，又保证了用户拥有更加智能便捷的生活。

关键词：单片机；智能安防；语音交互；数据库；云平台

中图分类号：TP391 文献标识码：A

0.引言

智能家居系统真正起源于1985年，随着新技术如ZigBee、Z-Wave、Thread、射频技术、电力载波技术、及单片机的出现和发展，智能家居开始进入一个更加趋向智能化定制化的飞速发展的阶段。通过安装各种传感器来采集住宅内的环境、设备及人员信息，利用ZigBee无线网络将上述各种信息接入网关，再由网关将这些信息转发至互联网中的服务器，用户通过手机或计算机上的浏览器或客户端软件登录服务器便可以实时查看家中的信息，控制家居设备的运行，从而构建了一个人性化智能化的智能家居系统。

人们对于家庭安全的重视今非昔比，而威胁着人们生命财产安全的事故如火灾，煤气泄漏，盗窃等一系列灾祸都是极容易在户内无人的情况下发生，而家庭物联网与无线音视频监控的结合应用能极大程度地避免家庭财产遭受不必要的损失。所以本文主要围绕智能家居安防系统的整体设计和各个子系统的详细设计展开。本设计目的在于提供一个更安全、更可靠、更智能的家居环境。

1.安防系统总体架构

本智能家居安防系统总体构架包括三大模块——家庭智能终端、云服务器和客户端。智能家居安防系统总体架构如图1所示。家庭智能终端有3个主要功能模块：（1）环境监测系统；（2）入侵检测系统；（3）语音识别控制系统。环境监测系统主要负责家庭环境参数的采集处理和传输，家中的温湿度、可燃气体泄漏、火情等信息经处理分析后传输给服务器。入侵监测系统包括门磁、窗磁、压力传感器等外围检测系统。智能语音识别系统既可以实现对用户和入侵者的身份识别，又能够实现对家居智能设备进行语音控制。家中智能终端设备遵循ZigBee协议，组成家庭局域网，经由网关与Internet连接，将采集的环境信息、报警信息、控制指令经由Intrenet传送到服务器，并将有用信息在数据库中存储，同时将异常数据报警信息传送到119、110等应急相应部门。

2.模块设计

2.1 家庭智能终端设计

家庭智能终端是安装在家中，实现环境信息采集，电器设备控制，报警等功能的终端系统。其中包含环境监测、入侵检测、语音识别控制3个子系统。每个子系统由多个模块组成。其中包括传感器模块、报警模块、通信模块、语音识别模块等。各个子系统节点组成ZigBee家庭局域网络，每个节点设备遵循ZigBee联盟的标准协议，其中物理层和MAC层遵循的是IEEE802.15.4协议，上层协议由ZigBee联盟定义。数据通过一定的路由协议汇聚到网关，实现从ZigBee网络到Internet的转换，实现数据传送。

2.1.1 智能语音系统

智能语音系统是本设计的重要组成部分，是本智能家居安防系统实现人机交互的重要体现。本设计的思路是通过智能语音控制系统实现在家模式和离家模式的转换，以及家庭智能设备的语音控制。基本原理是：首先在对智能设备进行语音命令录入后摆放在家庭人员容易经过的主要位置及贵重物品摆放处。语音录入时用户设置固定的问题和与之匹配的回答。

语音识别系统的硬件组成主要由SPCE061A单片机与WT7010语音识别芯片组成。SPCE061A有一路专用语音信号采集的A/D转换器，可以连接麦克风与人体热释传感器实现智能语音系统的触发和识别程序。其高速的处理和特殊的内核结构使它能够非常快速的处理复杂的数字信号。具体硬件设计如图2所示。

2.1.2 入侵检测系统

入侵检测系统主要设备包括门磁、窗磁、压力传感器、玻璃破碎传感器和蜂鸣报警器等报警装置。门禁系统由摄像头、麦克风（采集语音）组成可实现语音识别和访客留言。来访客人的视频音频信息经网关发送至服务器。外围的监测主要依靠压力传感器和玻璃破碎传感器。本设计采用CC2530芯片作为网络节点的核心处理芯片，利用其集成的ZigBee通信模块进行数据收发，它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。

2.1.3 环境监测系统

环境监测系统是智能家居安防系统的基本组成部分，用于对家庭的环境进行监控。主要利用传感器对家庭环境参数进行采集。利用温湿度传感器、烟雾传感器、火灾传感器、气体传感器、漏水传感器对家庭环境进行监测。传感器采集的环境数据先传输到核心处理模块，每一个传感设备配有一个单片机处理，通过通信模块将数据经网关传输到服务器，本地有一个简单的阈值比较，如果超过阈值，进行本地报警并将信息发送到服务器端，由服务器将数据发送给用户客户端，以进行查看。

2.2 服务器设计

2.2.1 服务器功能设计

本系統服务器采用云平台，云平台相当于借用的一个服务器，允许开发者们或是将写好的程序放在"云"里运行，或是使用"云"里提供的服务，或二者皆是。本服务器设计具备数据库维护功能，及时根据实时需求进行数据的添加、删除、修改、查询、备份等操作。可以完成以下功能。

（1）用户管理：包括用户注册信息管理、用户登录信息对比功能的实现。

（2）数据处理：包括传感器采集数据的存储、环境数据报警阈值对比、客户端数据查询的处理、客户端控制信息四项数据信息的处理。

（3）信息推送：包括报警信息、家电状态信息的推送。

2.2.2 数据库设计

本数据库系统采用模块化程序设计方法，即便于系统功能的各种组合和修改，又便于未参与开发的技术人员补充、维护。本数据库共有两个表，分别是用户信息表（customer）、用户家庭传感表（interface）。分别用来存储用户信息以及家庭环境数据采集信息。通过服务器后台对数据库的增删改查，完成用户客户端与硬件设备终端的交互。

2.3 客户端设计

目前常用的客户端主要有3种形式：PC客户端、手机客户端和微信公众平台。而手机客户端又分为Android客户端和IOS客户端等，需要解决各种不同型号手机的适配问题。出于方便快捷考虑，本文基于微信公众平台进行客户端的设计。

用户可通过关注微信公众号获得相应的服务。其自定义菜单包括【智能家庭】、【产品商城】和【客户服务】3个一级子菜单。【智能家庭】包括【智能语音】、【入侵检测】、【环境监测3个二级子菜单。智能语音界面由近期语音识别信息（时间、是否触发报警）和近期语音控制信息（时间、房间、指令、是否出现错误）及在家里家模式的转换选项组成。入侵检测界面主要由门禁识别留言和外围传感器状态信息组成，储存着近期访客的视频音频记录并显示外围传感器如压力传感器的状态信息，用户可以点击查看。环境监测界面由各传感设备的实时信息和工作模式状态组成，同时可以根据用户需要开启关闭各类感知设备。用户点击【产品商城】可以在线浏览购买各种产品也可以查看自己购买的产品信息。点击【客户服务】会显示【我的账号】、【在线咨询】两个选项，点击【我的账号】后会自动跳转登录注册界面，注册成功后与用户微信绑定。

3.结论与展望

本文通过思考目前市场上智能家居存在的问题和市场对于安防方面的要求设计出了结合ZigBee通信技术、语音智能识别控制技术、红外传感技术、单片机技术等为一体的智能家居安防系统。其主要工作为对家庭的环境进行检测，对非法入侵进行监控和报警。通过对语音系统与感知系统的结合既实现了对家居的智能化控制，又提升了家庭安防的可靠性。

参考文献

[1]王锐化，益晓欣.ZigBee与Bluetooth的比较及共存分析[J].测控技术，2005，12（6）：17-19.

[2]杨海川.基于物联网的智能家居安防系统设计与实现[D].上海交通大学，2013.

[3]范立南，王刚，李金峰，等.基于SPCE061A单片机的音控智能机器人小車设计[J].仪器仪表用户，2004，11（6）：13-14.

[4]黄向骥.基于CC2430的无线智能家居系统的设计[D].武汉理工大学，2010.

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