基于WSN的家居安防系统研究

摘要

随着生活水平的不断提高和财富的积累，人们对家居安全也有了更高的要求。无线传感器网络通过在监测区域内部署大量廉价传感器节点的方式感知监测对象的变化并传输到用户，能够为用户决策提供数据支持。本文以家居安防为目标，利用无线传感器网络技术和计算机技术，设计了一种智能家居安防系统，以实现家居环境数据的自动监测和处理。具体工作内容分为以下四个部分:
　　(1)基于6LoWPAN协议的无线传感器网络设计。首先采用TI公司的Tiva C系列微控制器，结合多种输入输出设备构成传感器网络的硬件平台。然后基于Contiki操作系统对6LoWPAN传感器网络的组网、管理以及任务调度进行设计。最后结合温度、湿度、气体以及热释电红外等传感器实现对家居环境数据采集、处理及传输。
　　(2)基于MQTT的6LoWPAN网络应用层协议实现。无线传感器网络具有低功耗、低速率特性，MQTT协议利用发布/订阅模式进行数据传输能够解除传感器网络与用户之间的耦合，有效降低传感器网络流量和功耗。通过设置Contiki事件触发，节点经MQTT主动向服务器发送传感器数据，避免用户发送数据请求消息造成的网络流量，可提高传感器网络稳定性和使用寿命。
　　(3)结合机器人和网络摄像机技术的移动视频监控系统设计。为提高视频监控的灵活性，利用网络摄像机和机器人技术实现移动视频监控。系统以网络摄像机为硬件基础，将六足机器人作为载体，以STM32F401作为主控制器，结合ESP8266为核心的WiFi模组实现视频监控的远程访问和控制，使用户能够在单摄像头情况下实现对家居环境的监控，较好地保护了用户隐私，并节约了成本。
　　(4)基于Linux、Android及.NET平台的用户终端设计。为实现对安防系统的灵活访问及控制，设计了基于Linux、Adroid和.NET框架的用户应用程序。系统选用Raspberry Pi硬件作为代理服务器，以Linux为平台设计了基于mosquitto的MQTT代理服务器，用于接收、处理并显示传感器网络数据，能够有效降低系统成本，并利用云服务器技术，将传感器数据由Espressif云服务器发送给用户。基于.NET架构，利用C#和WPF技术设计了Windows平台下的MQTT订阅端，用于传感器网络节点数据的实时监测和通信测试。通过Android平台设计的用户应用程序结合云服务器能够实现对安防系统的远程视频监控、家居环境监测、报警等功能。
　　在完成系统软硬件设计的基础上，对各组成模块进行测试。分别对传感器网络的数据采集、传输和处理等各个部分的功能进行验证，并模拟常见家居事故对安防系统进行整体的运行测试。测试结果表明，系统运行良好，在功能上达到了设计目标，能够为人身和财产安全提供保障。基于6LoWPAN技术的无线传感器网络与ZigBee对比降低了系统复杂度并提高了稳定性，保证了系统方案的可行性。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．2 国内外发展及研究现状

1．2．1 应用发展概述

1．2．2 技术研究现状

1．3 论文主要工作

2 系统方案设计

2．1 系统需求分析

2．1．1 功能需求

2．2．2 设计原则

2．2 系统设计方案

2．2．1 系统方案论证

2．2．2 系统总体方案

2．3 系统设计依据

2．3．1 802．15．4标准

2．3．2 6LoWPAN技术

2．3．3 发布订阅模型及MQTT协议

2．4 本章小结

3 环境监测及预警

3．1 事故预警策略

3．1．1 单参数事故预警

3．1．2 多参数事故预警

3．2 硬件选型及设计

3．2．1 传感器网络硬件

3．2．2 代理服务器硬件

3．3 系统软件实现

3．3．1 开发环境搭建

3．3．2 系统软件设计

3．4 本章小结

4 移动视频监控

4．1 视频监控系统结构

4．2 硬件组成及设计

4．3 移动监控功能实现

4．3．1 机器人步态规划

4．3．2 监控设备软件设计

4．3．3 用户应用程序设计

4．4 本章小结

5 系统测试及分析

5．1 单元测试

5．1．1 射频传输测试

5．1．2 数据传输测试

5．1．3 网络流量测试

5．2 环境测试

5．3 系统安全性分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录

参与的科研项目和获奖情况

声明