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系統的總體結構

無線智能家居系統的總體網絡結構如圖2所示，系統主要由傳感單元、控制中心（視頻處理模塊、Zigbee協調器、GSM短信報警模塊）、用戶終端等幾部分組成。傳感單元負責用戶家中各種警報的采集，如竊賊非法侵入、煤氣泄露、意外火災探測種危害人們生命財產安全的信息。非法侵入、火災探測雖然可以采用常規的紅外或溫度探測器等方式實現，但為減少節點，同時提高信息量（通過視頻監控可獲得更多的信息量），本系統采用了兼有多種功能的視頻探測器。各種不同硬件組成了不同的通信網絡通道，既包括室內各種視頻、音頻、數據等信息在各種探測器間及探測器與控制中心之間的近距離信息傳輸通道，也包括室內發出的各種信息與用戶手機或計算機之間的傳輸或控制。用戶終端主要指手機與計算機。在平時用戶外出時，手機通常處于隨時工作的待命狀態，報警信息會首先到達手機。手機用戶一旦接到從家中報警中心傳來的信息，可以通過手機隨時控制家中的控制點，如果希望更詳細地了解家中的情況，這時可打開身邊的計算機或3G視頻手機，通過網絡視頻監控家中的一切，以便進一步處理。

系統硬件組成

1傳感單元

傳感單元采用無線傳感器與視頻探測器相結合的手段。視頻探測器是由模擬攝像機和控制中心的視頻處理單元組成的。常規傳感器如煤氣泄露檢測傳感器、紅外傳感器等都有成熟電路。本方案中只需要將傳感部分與Zigbee模塊配合起來就可以做成無線傳感器。無線傳感器結構框圖如圖3所示。在Zigbee網絡中無線傳感器作為終端節點或路由節點模塊，它感應的信息既可與Zig⁃bee模塊的其他路由節點通信，也可與控制中心的網絡協調器通信。Zigbee模塊采用CC2530芯片來實現。

2視頻處理模塊

在智能家居系統中，視頻處理模塊有兩個作用，一個用于視頻探測報警，另一個用于遠程監控。視頻處理模塊采用了性能價格比較高且研發周期較短的SoCHi3510（ARM＋DSP），以H.264格式作為視頻壓縮方案，支持網絡數據流暢傳輸。實際使用時，只需增加無線網絡適配器，通過軟件配置，就可與用戶家中的無線路由器聯網。視頻處理模塊如圖4所示。正常情況下，用戶的外網是長通的，無線路由器不間斷工作，這樣，戶主在外面可以通過計算機隨時訪問家中的監控視頻，同時還可以通過網絡遠程控制調節視頻探頭的云臺、攝像機的焦距、光圈等。視頻探測是在其基本硬件基礎上運行軟件識別算法，通過對視頻幀在不同場合中表現出來的特性，達到對視頻流分析的目的。

3GSM模塊與Zigbee協調器

Zigbee協調器在控制中心里是用于與室內各種Zig⁃bee終端傳感器節點或路由器節點進行通信的中心節點，其硬件以CC2520為主芯片，以高效能低功耗的16位MSP430微處理器作為控制器。GSM用于將報警信息通過移動運營網絡把報警短信發送到用戶手機，同時用戶也可通過手機對與Zigbee傳感模塊相綁定的家用電器實行控制。GSM模塊采用兼有GPRS功能的SIM300C作為主芯片，以方便將來的功能擴展。MSP430既可用于Zig⁃bee模塊的控制器，也可用作GSM模塊的控制器，這樣在滿足設計功能的基礎上可降低硬件成本，結構如圖5所示。單片機與SIM300C可直接通過UART口通信，但為了各自與計算機聯機調試的方便，實際電路加了串口轉換電路，并采用了跳線進行選擇連接。存儲器用于系統供電采用5V，由于GSM模塊與Zigbee模塊工作電流差別較大，可對他們分別設計電路供電。它們的射頻電路也要分開，避免互相干擾。

系統軟件設計

系統軟件設計內容較多，主要包括Zigbee網絡的軟件設計、GPRS模塊的控制設計、圖像處理的軟件設計等。

1Zigbee網絡的軟件設計

Zigbee網絡由協調器、路由器和終端節點組成。采用TI的Zigbee協議棧作為編程基礎。開發中，針對具體硬件，物理層、網絡層等已有開發板提供的源碼，不需要再花時間與精力。課題研究主要在應用層進行軟件設計。應用層程序包括傳感、安防報警、無線傳輸和人機交互等模塊。網絡系統應用層功能圖如圖6所示，左側為協調器，右側為終端節點。

2GSM/GPRS模塊軟件

在無線智能家居系統中，GSM模塊接收Zigbee網絡模塊傳來的報警信息后，立即發出相應的報警短信給戶，也可以接收用戶短信，執行相應的控制命令。GSM模塊使用AT命令集來工作。軟件流程如圖7所示。

3視頻處理模塊軟件設計

視頻圖像的采集、壓縮、打包等流程都已商業化，這里不再重復。主要介紹利用處理模塊的硬件DSP進行軟件算法的設計。由于探測器在室內工作，受外界影響較少，可以采用效率較高的幀間差分算法并加以改進。它的原理是基于圖像分塊的方法構建的。對基于塊的圖像編碼一般采用8×8像素進行分塊。視頻圖像的采集采用BT656格式即576×720的圖像幀，分成72×90塊。分塊后，對獲得的每幀圖像得到與像素一一對應的三分量值，并存儲和標識，轉化為以灰度表示的圖像，用圖像亮度幀序列中的每一幀減去前面一幀，并減去閾值，獲得差分幀；然后按設定的移動閾值，滿足移動閾值的差分幀塊數達到一定的幀數積累并經開閉處理即獲得一層判據，輸出標志為非法入侵的報警信息；再根據圖像色度和亮度閾值進行灰度選擇，滿足閾值塊數達到一定的幀數積累，輸出標志為有明火報警信息。如果發生非法入侵或火災，DSP完成識別以后，將由IO口輸出報警信號或通過GSM模塊將報警信號發出。DSP的軟件算法流程圖如圖8所示。

系統測試

目前這套系統已完成樣機設計和初步實驗，各單板進行了一些仿真測試。無線傳感器對現場的紅外和溫度進行了實時采集，采集的數據在Zigbee協調器上有時可以響應，但有時收不到，需要進一步調試；GSM模塊部分首先通過串口與計算機相連，通過串口調試助手發送AT指令，已能調通。接著，將觸發CPU中斷報警的代碼寫入MSP430存儲器，發生報警時，可回調不同的短信傳送至用戶手機上。視頻處理模塊已完成IP地址、動態域名及各種參數的設置和遠程調試，實驗時，在辦公室可監控樣機在筆者家中的視頻，同時視頻探測已初步達到設計要求。圖9是實驗中在家中實拍的火焰視頻探測的原始視頻截圖和報警響應圖片。6結論本研究提出并設計完成了一種基于Zigbee，IP，GSM/GPRS等各種無線通信技術融合應用的智能家居系統。

分別從硬件設計、網絡應用、軟件設計等方面分析了系統的組成。實現了將無線傳感器報警、視頻智能探測系統和圖像監控系統相結合的新型智能系統。用戶可以通過手機接收報警信息、發出控制指令，也可通過計算機或3G手機遠程實時監控家中情況，從而實現靈活、便捷的家居安全保障。

作者：張慶海單位：南京工業職業技術學院