引言

　　集成了傳感器技術(shù)、微機電制造系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)、無線通信技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是因特網(wǎng)從虛擬世界到物理世界的延伸。本文之所以把無線傳感網(wǎng)絡(luò)這種先進的技術(shù)應(yīng)用于智能家居安防領(lǐng)域，其一是伴隨著高科技產(chǎn)品在現(xiàn)代家庭中的應(yīng)用，相應(yīng)地也帶來了一系列不安全因素，如煤氣管道、熱水器以及其他許多大容量的家用電器的使用，都明顯地增加了發(fā)生火災(zāi)的可能性以及煤氣中毒、爆炸的危險等，且社會上還有不法分子在活動，行兇、盜竊等違法犯罪活動時有發(fā)生，給社會帶來不安定因素，所以家庭安防系統(tǒng)的研究具有迫切意義；其二是廣闊的市場前景，因為安全是每一個家庭和工業(yè)領(lǐng)域必需的保障，所以該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍是相當(dāng)廣泛的；其三是其典型性和可移植性，如果在智能家居安防中實現(xiàn)了，那么該技術(shù)可以移植到其他很多系統(tǒng)之中，比如說智能大樓，智能醫(yī)療系統(tǒng)，而只需做部分應(yīng)用方面的修改。

　　1 基于 Zigbee 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　Zigbee 網(wǎng)絡(luò)首先由連接無線網(wǎng)關(guān)的協(xié)調(diào)器（Coordinator）發(fā)動并建立，其他節(jié)點加入已經(jīng)建立的網(wǎng)絡(luò)。每個節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，其父節(jié)點都會按約定規(guī)則給它分配一個網(wǎng)絡(luò)層地址供通信使用。功能比較強且供電充足的節(jié)點充當(dāng)路由節(jié)點（Route Node，RN）為全功能設(shè)備（FullFunction Device，F(xiàn)FD），它能接收其他節(jié)點作為其子節(jié)點，同時根據(jù)自身狀況決定是否給其他節(jié)點查找路由和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；功能比較弱的節(jié)點為簡化功能節(jié)點（RFD） ，不能成為其他節(jié)點的父節(jié)點，通信時只能請父節(jié)點幫忙轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)［2］。有路由能力的路由節(jié)點（RN+）采用AODVjr 路由算法，而沒有路由能力的路由節(jié)點（RN-）和RFD 遵循Cluster-Tree 路由算法［3］。Zigbee 標(biāo)準的協(xié)議棧如所示。

　　2 智能家居安防系統(tǒng)的設(shè)計方案

　　2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

　　基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居網(wǎng)絡(luò)主要是由若干無線傳感器節(jié)點、無線執(zhí)行機構(gòu)、家居無線控制中心組成［4］。其中， 節(jié)點分布于客廳、臥室、洗手間、廚房等需要監(jiān)測的區(qū)域內(nèi)，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理和通信工作。無線執(zhí)行機構(gòu)負責(zé)啟動聲光報警、自動繼電器開關(guān)等控制功能。家居無線控制中心處理、轉(zhuǎn)發(fā)來自無線傳感器節(jié)點中的信息， 并且為互聯(lián)網(wǎng)的連接提供接口進行遠程控制。由于不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會對網(wǎng)絡(luò)的速度、特點和實現(xiàn)有較大影響，因此結(jié)合智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點，如家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)連接距離較短， 家用電器位置容易改變，家庭電器等的數(shù)也容易變化，房間之間仍有一段不小的距離，分布的節(jié)點并不是太多，并且數(shù)據(jù)的傳輸量也不是太大， 網(wǎng)絡(luò)中的信息傳送主要發(fā)生在WSN的基站和其他室內(nèi)終端上的傳感器節(jié)點之間。基于家庭網(wǎng)絡(luò)的這些特點以及樹的特征和優(yōu)勢，本文以WSN的基站節(jié)點（也稱為協(xié)調(diào)器Coordinator）為中心節(jié)點組建一個串狀樹形家庭網(wǎng)絡(luò)。

　　本文主要實現(xiàn)的功能包括智能門禁系統(tǒng)、智能門窗防盜、煤氣監(jiān)測系統(tǒng)、火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)、居室內(nèi)的人體紅外檢測、遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。節(jié)點布置和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖2所示，圖中的ZD代表的是Zigbee終端設(shè)備，可以是FFD也可以是RFD；ZR代表的是Zigbee路由器；ZC代表的是Zigbee協(xié)調(diào)器。

　　2.2 智能家居安防系統(tǒng)的各功能塊的描述

　　（1）智能門禁系統(tǒng)：

　　當(dāng)人走到家居門口時，紅外熱釋電傳感器感應(yīng)到人體接近，促使門禁Zigbee設(shè)備主動發(fā)射獲取人體身份命令信號。當(dāng)人體攜帶著身份識別標(biāo)簽（也是一種Zigbee 設(shè)備）時，標(biāo)簽會發(fā)送加密身份信號給門禁Zigbee 設(shè)備，門禁系統(tǒng)經(jīng)過分析判斷后決定是否開啟數(shù)字門鎖，用戶再也不用自己掏鑰匙開門了。如果是一個未知身份的人體，則門禁系統(tǒng)會搜索家居內(nèi)是否有人，如果有人則通知家居內(nèi)的用戶有客人到來，如果家居內(nèi)沒人則會遠程通知智能家居安防用戶有客人在家門口，通過門禁系統(tǒng)的攝像頭采集客人的人臉圖像并通過Internet發(fā)送到用戶PC 上。當(dāng)然遠程用戶也可以隨時給家庭網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器發(fā)送命令來采集家居門口人臉的圖像。當(dāng)用戶確認了來人的身份以后可以遠程控制門禁系統(tǒng)開啟數(shù)字門鎖，讓客人進屋，以免讓客人在屋外等待。

　　（2）智能門窗防盜

　　所有的家居窗戶上都安裝有紅外幕簾傳感器，用來防止未知人員從窗戶侵入家居。該系統(tǒng)是人性化的運行方式，分為白天和黑夜兩種運行方式，這由協(xié)調(diào)器的實時時鐘來進行控制。白天時，當(dāng)家居內(nèi)有人體走進一個房間時，該房間的紅外幕簾即告失效，防止不必要的誤報警，而當(dāng)人體一旦離開房間則該房間的紅外幕簾馬上開啟。而在夜晚的時候，用戶需要設(shè)定一個時間點，當(dāng)?shù)竭_設(shè)定的時間點的時候，紅外幕簾會強制開啟，并保持到天亮。

　　（3）煤氣泄漏監(jiān)測

　　在廚房安裝多個煤氣檢測傳感器節(jié)點，可靠地報告廚房煤氣的含量是否超標(biāo)，如果超標(biāo)則立即報警和遠程報警通知，同時開啟所有的排氣扇，保證家居內(nèi)人員的人身安全。

　　（4）火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)

　　在所有的房間都安裝上了火災(zāi)光電煙霧探測器，對即將發(fā)生的火災(zāi)事件預(yù)警通知，合理布置火災(zāi)探測器節(jié)點，防止盲點的出現(xiàn)，遏制火災(zāi)事件的發(fā)生。

　　（5）居室內(nèi)的人員定位

　　在居室內(nèi)布置有紅外熱釋電傳感器節(jié)點，用以監(jiān)測家居內(nèi)是否有人、位于哪一個屋，如果是佩戴有身份標(biāo)簽的人員則還可知其身份。這些都可以在遠程監(jiān)控界面中觀察到。這還可以用來監(jiān)督小孩子有沒有在學(xué)習(xí)，是不是在客廳看電視等等，也可以監(jiān)測老人們是不是在家里面等等。

　　（6）遠程監(jiān)控

　　以上所有的安全參數(shù)都可以在遠程客戶端軟件中觀察到，并可以實現(xiàn)部分電器和數(shù)字門鎖控制，全圖形化監(jiān)視和控制界面，方便觀察和控制。

　　（7）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

　　所有的控制命令、圖像采集數(shù)據(jù)、報警參數(shù)時間等數(shù)據(jù)都通過上位機軟件存儲于SQLServer2000數(shù)據(jù)庫中。