Wireless Smart Home Security System Based on Android
ABSTRACT
In recent years,smart home security industry has achieved rapid development, and people have increasing demand of smart home security system. While, because of traditional security systemrsquo;s technical limitations, which results in a single function, and the overall monitor could not be realized. Therefore, this paper mainly makes use of Android technology and ZigBee, Wi-Fi wireless sensor communication network, providing a flexible and convenient wireless solution for the construction of smart home security system. The system adopts modular idea, and achieves various function such as home environmental monitoring, video surveillance, fire automatic alarm, burglary automatic alarm, gas leakage alarm, intelligent control of household
appliances and other functions, as a result, home life becomes more safer, more comfortable and more convenient. After experimental test, the system runs well and reaches the expected target, and has good practical value.
KEYWORDS
Android, ZigBee, Wi-Fi, Smart Home, Security.
INTRODUCTION
Smart home security industry, a new high technology industry, has a huge market capacity. With the improvement of living standard, industry recognition and increasing popularity of smart home, consumers have increasing demand of intelligent home furnishings, the industry has very broad prospects.
Because of the technical limitations of traditional home security system, the overall monitor could not be realized. Mostly traditional security system report alarm information through the telephone line and warning systems related various disasters are relatively independent, therefore false information and omission of information often occur, and most of the time the owner cannot receive the alarm information instantly and thus, it will delay the best time for processing the dangerous situation which cause irreparable loss.
Based on the above reasons, this paper which is based on real environment, adopts wireless sensor network technology to build home network featuring low power consumption, self-organization, and high reliability, and its wireless control mode make it more convenient and flexible to manipulate the smart home security system. The terminal APP is based on Android system.
Compares with other platform, Android system has a great advantage in open source codes and improved system application interfaces, and then the interactive experience in UI and system fluency is superior . The multi-terminal sensor nodes collect environmental parameter and security information which can be synchronized to Android mobile phone APP via wireless network, which is convenient for users to view real-time, without specific time tracking, thus saving manpower cost, enhancing the reliability and flexibility of the system. At the same time, with the help of short message service in the GSM network, automatic remote alarm message targeting a variety of dangerous situations can promptly notify users to make safe measures for
the next step.
EXPERIMENTAL SETUP AND DETAILS
The network of this system is mainly composed of ZigBee and Wi-Fi wireless network. Meanwhile, the system also relies on the short message service of GSM network. The ZigBee terminal nodes are responsible for collecting temperature, humidity, smoke, pyroelectric data, home appliance switch volume data, and upload data to the coordinator node. The coordinator aggregate data, and it judges whether the terminal sensors are abnormal. When the sensor data is triggered to the alarm threshold, the GSM network will automatically send alarm messages to the users phone.
At the same time the coordinator interacts with the center processor of the intelligent gateway through UART. The intelligent gateway establishes Wi-Fi network. The video monitoring images captured by the camera are transmitted through Wi-Fi network. The system has a bilateral control function. After the terminal Android mobile access Wi-Fi network, users can not only check environmental parameters and security information collected by different terminal nodes in real time on the APP, but also realize the top-down control of the whole system on the APP. Figure 1 is the network structure chart of Home Furnishings intelligent monitor system.
Configuration of ZigBee Module
ZigBee is a bilateral wireless communication technology, with the advantage of ad-hoc network, low complexity, low power consumption and low cost, ZigBee has three network structures: star, tree and mesh network . The system uses a star network consisting of a coordinator and multi-terminal nodes, which realizes data communication between multi-terminal nodes and coordinator.
The ZigBee nodes make use of CC2530 in American TI Company as the microprocessor. The microprocessor is composed of sensing unit, processor unit, and communication unit and power supply module. It is used to perform ZigBee network formation, sensor data acquisition and wireless transmission, and communication with intelligent gateway.
The sensing unit contains smoke, temperature, humidity, pyro electric sensor and relay module, which is responsible for collecting information and transmitting information to the sensor unit; the processor unit is responsible for the control of the nodes processing operation, routing protocol, power management, and its main purpose is to achieve safe and reliable network communication. The communication unit is responsible for communicating with other nodes of the ZigBee network, passing control information and data; the power module is responsible for the power supply to every module. The CC2530 processor supports the ZIGBEE 2007 protocol, using Z-Stack-CC2530-2.3.0-1.4.0 protocol stack. The chip is developed under the IAR Embedded Workbench development environment and we uses C language to make related prog
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基于Android的无线智能家居安全系统
摘要
近年来，智能家居安防行业取得了飞速发展，人们对智能家居安防系统的需求也在不断增长。 同时，由于传统安全系统的技术局限性，导致功能单一，无法实现整个监控器。 因此，本文主要利用Android技术、ZigBee和Wi-Fi无线传感器通信网络，为构建智能家居安全系统提供了灵活便捷的无线解决方案。该系统采用模块化思想，实现了家庭环境监控，视频监控，火灾自动报警，盗窃自动报警，漏气报警，家用电器智能控制等多种功能，使家庭生活更加安全，更舒适，更方便。经过实验测试，该系统运行良好，达到了预期目标，具有良好的实用价值。
关键字
Android；ZigBee；Wi-Fi；智能家居；安全性
引言
智能家居安全产业是新兴的高科技产业，具有巨大的市场容量。 随着生活水平的提高，智能家居的行业认知度和知名度不断提升，消费者对智能家居的需求日益增加，该行业具有广阔的前景。
由于传统家庭安全系统的技术局限性，无法实现整体监控。 大多数传统的安全系统都是通过电话线报告警报信息，而与各种灾难相关的警报系统是相对独立的，因此，经常会出现虚假信息和信息遗漏的情况，并且大多数情况下，所有者无法立即接收到警报信息，因此，它将延迟 处理可能造成无法弥补的损失的危险情况的最佳时间。
基于上述原因，本文基于现实环境，采用无线传感器网络技术构建低功耗，自组织，可靠性高的家庭网络，其无线控制方式使其能够更加方便灵活地操纵智能家居安全系统。 其终端APP基于Android系统。
与其他平台相比，Android系统在开源代码和改进的系统应用界面方面具有很大的优势，在用户界面和系统流畅性方面的交互体验也更为优越。多终端传感器节点采集环境参数和安全信息，通过无线网络同步至Android手机APP，方便用户实时查看，不需要特定的时间跟踪，节省了人力成本，提高了系统的可靠性和灵活性。同时，借助GSM网络中的短消息服务，针对各种险情的自动远程报警信息可以及时通知用户，为下一步制定安全措施。
实验设置及细节
本系统的网络主要由ZigBee和Wi-Fi无线网络组成。同时，系统还依赖GSM网络的短消息业务。ZigBee终端节点负责采集温度、湿度、烟雾、热电数据、家电开关量数据，并将数据上传至协调节点。协调器对数据进行汇总，判断终端传感器是否异常。当传感器数据触发到报警阈值时，GSM网络将自动向用户手机发送报警信息。
同时协调器通过UART与智能网关的中心处理器进行交互。智能网关建立Wi-Fi网络。摄像机拍摄的视频监控图像通过Wi-Fi网络传输。系统具有双向控制功能。终端安卓手机接入Wi-Fi网络后，用户不仅可以在应用程序上实时查看不同终端节点采集的环境参数和安全信息，还可以在应用程序上实现整个系统的自上而下控制。图1为家居智能监控系统网络结构图。
ZigBee模块配置
ZigBee是一种双向无线通信技术，具有自组网的优势，低复杂度，低功耗和低成本，ZigBee有三种网络结构：星型、树型和网状网络。系统采用协调器和多终端节点组成的星型网络，实现了多终端节点和协调器之间的数据通信。
ZigBee节点采用美国TI公司的CC2530作为微处理器。微处理器由传感单元、处理器单元、通信单元和电源模块组成。用于ZigBee组网、传感器数据采集和无线传输，并与智能网关进行通信。
感测单元包括烟雾、温度、湿度、热电传感器和继电器模块，负责采集信息并将信息传送给感测单元；处理器单元负责控制节点的处理操作、路由协议、电源管理等，其主要目的是实现安全可靠的网络通信。通信单元负责与Zig-Bee网络的其他节点通信，传递控制信息和数据；电源模块负责向每个模块供电。CC2530处理器支持ZIGBEE 2007协议，使用Z-Stack-CC2530-2.3.0-1.4.0协议栈。该芯片是在IAR嵌入式工作台开发环境下开发的，采用C语言进行相关编程。
ZigBee终端节点将采集到的数据发送给协调节点，并从协调节点接收反向控制命令。终端节点通过按需传输将数据上传到协调节点。图2是终端节点的软件流程图。
ZigBee协调器负责构建网络，接收多终端节点发送的环境参数和安全信息。它通过UART将信息上传到智能网关。协调器接收智能网关通过UART发送的反向控制指令，并将信息传递给多个终端节点。
本文中，协调节点通过按需传输方式向终端节点发送控制指令。图3是协调器软件设计的流程图。
Wi-Fi模块配置
Wi-Fi技术是一种短距离无线通信技术和无线通信协议。Wi-Fi的正式名称是IEEE802.11b，它具有传输速率高、覆盖范围广、抗干扰能力强、组网方便等优点，工作频率为2.4GHz。
本系统的智能网关采用Wi-Fi嵌入式无线以太网模块RT5350作为主控芯片，负责视频信号的采集和Wi-Fi网络的无线传输任务。网关硬件电路由网络接口电路、模块接口电路、串口USB传输电路、USB摄像头接口电路和电源电路组成。图4是智能网关的模型图。主芯片是移植在软件系统上的Openwork系统。该系统是一个嵌入式Linux系统，模块化程度高，自动化程度高，具有强大的网络组件和可扩展性。本文利用该系统实现Wi-Fi网络配置。
智能网关软件设计分为Openwork操作系统下载与迁移、IP地址配置与无线接入模式设置、USB设备加载设置、配置视频流格式等。为了防止与其他私有网络IP地址发生冲突，需要配置该IP地址的模块。模块还配置了无线接入模式，其他终端可以通过无线接入模块获取视频信号。
在该系统中，网关配置有一个USB空闲驱动器摄像头，以支持无线安全监控。系统需要设置Wi-Fi传输的视频流格式，摄像机采用的视频流格式为MJPEG。经过以上配置，最终建立了Wi-Fi网络。当Android手机接入热点时，输入Wi-Fi网络IP地址，可以实时观看视频监控。
Android应用程序设计
本文将Android终端与智能家居结合起来，研究并实现了一种基于Android的智能控制终端。在该系统中，终端Android手机通过无线网络与家用电器或传感器进行通信。
考虑到数据传输的可靠性要求，TCP具有面向连接、可靠性高、数据传输量大等优点，因此本文采用基于TCP（connection oriented）协议的Socket通信。Android客户端首先设置一个Socket对象，然后绑定服务器的IP地址和端口号。服务器端调用accept函数并设置一个块来等待客户端的数据。如果Android客户端的IP地址和端口号与服务器端的相应信息相匹配，客户端可以与服务器端建立连接。然后，客户端调用write函数从输出流中输入数据，这意味着Android客户端只需将数据写入智能网关的Wi-Fi通信模块。应用程序功能设计包括家电开关控制、家居环境监控和视频监控三部分。其中，家庭环境参数监测包括温度、湿度和烟雾参数监测。安卓手机接入Wi-Fi网络后，应用界面可以实时显示多终端节点中各传感器采集的参数信息。APP的功能设计包括温度、湿度、烟雾参数显示界面、按钮控制程序和视频监控程序设计等。
结果和讨论
基于Android的无线智能家居安全系统如图5所示。图6显示了开发的Android GUI应用程序。GUI的应用程序由三个界面显示。图6（a）是用户的起始界面，它要求用户输入指定的IP地址，然后才能连接Wi-Fi。连接成功后，引导用户进入图6（b）的主屏幕界面，用户可以实时查看各终端节点采集的温度、湿度、烟雾等环境参数，实现对各终端照明设备的智能控制。图6（c）是一个视频监控界面，用户可以通过应用程序对指定位置进行视频监控。
为了验证系统的功能和性能，保证系统按照预定的设计目标运行，本文对系统进行了测试。由于系统使用ZigBee 星型网络，本文在测试中选择了一个协调节点和多个终端节点。首先，ZigBee节点和智能网关系统是电力驱动的。然后，Android手机通过智能网关接入Wi-Fi网络:
（1）在Android终端APP上观察各终端位置的温度、湿度、烟雾浓度等数据是否同步更新；
（2）触发温度传感器、烟雾传感器、热电传感器报警阈值，通过GSM网络观察终端手机发送的报警信息；
（3）按下应用程序上的按钮开关，测试相应照明设备的工作状态；
（4）在应用程序上实时监控指定位置的视频监控屏幕。
安卓平台照明设备控制反馈结果如表1所示。环境参数和安全信息随机测试5组数据，测试结果见表2。
综合分析测试结果，系统工作稳定可靠。Android手机作为智能家居系统的终端控制系统，能够实时监测从终端节点采集的环境参数，并对相应的照明设备进行有效控制。系统可实现火灾、入室盗窃、燃气泄漏等自动短信报警，用户可通过Android应用程序查看指定地点的监控屏幕。在测试过程中，本文设计的各个模块协同工作，没有冲突。所有系统功能测试均正确。以上结果满足了基于Android的无线智能家居安全系统的设计要求，系统具有良好的稳定性和可靠性。
总结
本文研究了一个热门的研究课题——智能家居安全系统，研究了一些基于ZigBee和Wi-Fi wireless传感器网络的课题，研究了基于Android的智能家居安全系统APP。结合具体的项目需求和技术规范，我们设计了一个基于Android的无线智能家居安全系统，并在软硬件架构设计方案中进行了详细的讨论。借助无线网络技术，智能家居系统的通信更加灵活和隐蔽，同时采用Android手机作为整个家居系统的终端控制系统，增强了系统的实用性。综上所述，该系统工作稳定，功能全面，可靠性好，具有实际推广价值。
基于模块化的智能家居安全系统开发
摘要
工作场所或家庭的安全系统对人类生活很重要。不幸的事情往往是由人类的疏忽造成的。我们开发了一个基于模块的家庭自动化安全系统。安全系统的结构包含许多模块。每个模块有两种接口（无线射频和语音）。安全系统中有主动和被动模块。主动安全模块是一个智能机器人。我们为安全系统设计了多种类型的智能机器人。被动安全模块包括消防安全模块、入侵者安全模块、环境安全模块、气体安全模块、交流电源安全模块和设备控制模块。在安全模块中，我们使用多传感器融合算法来确定准确的输出。在这些模块中，我们采用了通过无线射频接口的两线通信方式，以及严重事件的语音报警，并将实时状态传送给受监控的计算机。在智能机器人系统中，我们为安全系统设计了多种类型的智能机器人。为智能安防系统设计了通用用户界面（GUI）。用户界面可以通过无线射频设备对这些模块和智能机器人进行监控，并通过无线、互联网和手机对安全系统进行监控。
关键词
智能建筑；家庭自动化；无线射频；通用用户界面
1介绍
智能建筑和家庭可以为21世纪的人类生活提供安全、便利和福利，同时可以以最低的生活成本有效地管理资源。智能家居最重要的作用是作为一个安全系统。在安全系统中，冗余信息和互补信息可以通过多传感器融合的方法提高系统的可靠性和确定性。一般来说，智能家居系统的价格非常高。我们想开发一种便宜、灵活、智能的系统，它操作简单，方便用户。
王等介绍了楼宇自动化系统（BAS）的发展历史。介绍了现代BAS的结构特点，并对未来的发展趋势进行了探讨。Azegami和Fujiyoshi描述了智能建筑设计的系统方法。Kujuro和Yasuda讨论了智能建筑系统的发展。楼宇自动化系统的最新资讯处理及通讯功能，可提高楼宇服务质素。Finley等人介绍了智能建筑的概况，并回顾了系统前景、子系统服务和多租户建筑等问题。Fiax讨论了智能建筑的组成和成本效益。Chung等人以及Fu和Shih希望建立一个设备和通信协议的标准，并提出一个具有集成控制核心的完整系统架构，以构建一个智能建筑系统。
本文组织如下。第二部分描述了智能家居安全系统的结构。第三部分阐述了安全系统检测模块的检测方法和算法。第四部分介绍了智能家居的用户界面。第五部分给出了将这些模块应用于安防系统的实验结果。简短的结论意见载于第6节。
2系统架构
智能家居安全系统的系统架构如图1所示。系统包含许多子系统。监控计算机和智能机器人可以通过无线RS232接口接收安全模块和设备控制模块的状态。安全模块和电器控制模块采用与监控计算机和智能机器人的双向通信。智能移动机器人和监控计算机可以通过RS232接口与GSM调制解调器通信，也可以通过无线互联网与远程监控计算机通信。
监控计算机的显示面板是电视机。利用Visual Basic语言开发了智能安防系统的用户界面。监控计算机通过无线射频接口控制智能机器人，通过无线互联网控制智能移动机器人。我们可以通过互联网获取来自智能移动机器人、监控计算机和IPCAM的图像信号
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