基于无线传感网的平安家居服务系统技术方案

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1、基于无线传感网的平安家居服务系统 技术方案中国移动通信集团上海有限公司中国移动通信集团研究院2010年11月目 录第一部分 概述11.1 方案名称11.2 参编单位11.3 研究背景11.4 研究意义11.5 技术发展现状21.6 技术方案目标3第二部分 系统架构42.1 系统架构42.2 系统组成5第三部分 前端传感测控和视频系统83.1 系统概述83.2 前端传感测控和视频系统组网方式93.3 前端传感测控和视频系统功能要求123.4 前端传感测控和视频系统性能要求163.5 前端传感测控和视频系统通信协议设计193.6 前端传感测控和视频系统的节点管理与维护233.7 接口要求24第四部

2、分 家居通信网关264.1 系统概述264.2 网关功能要求284.3 网关的通信协议314.4 网关的管理维护和参数334.5 网关性能和安全性要求354.6 接口要求36第五部分 M2M管理平台395.1 系统结构395.2 各网元功能描述395.3 应用模式465.4 各接口功能描述48第六部分 平安家居信息服务平台506.1 服务平台系统架构506.2 服务平台各功能模块506.3 服务平台提供的功能546.4 服务平台性能要求576.5 服务平台安全性616.6 接口要求63第七部分 系统提供主要业务657.1 系统通知用户657.2 用户主动使用系统业务67第八部分 系统施工建议8

3、08.1 平安家居信息服务平台施工建议808.2 前端传感测控和视频系统施工建议812基于无线传感网的平安家居服务系统技术方案第一部分 概述1.1 方案名称基于无线传感网的平安家居服务系统技术方案。1.2 参编单位中国移动通信集团上海有限公司中国移动通信集团研究院1.3 研究背景随着我国国民经济的发展、“小康社会”建设步伐的加快和人民生活水平的不断提高，市民住宅小区的数量和品质均得到很大的提升。由于城市人口膨胀、外来人口的增加及煤气和大量家用电器设备使用中的不安全因素，对小区居民的生命和财产造成了很大威胁。现阶段，居民的日常生活中主要的安全威胁包括以下几个方面。首先，随着社会贫富差距拉大，人口

4、的流动性的不断增加，使得社会结构和社会治安都日趋复杂，社会犯罪率也持上升趋势，由此所导致的恶意侵害（如入室偷窃）所带来的威胁；其次，伴随着高科技产品的应用，相应地也带来了一系列不安全因素，如煤气管道、热水器的使用以及其他许多大容量的家用电器的使用，都明显地增加了发生火灾的可能性、触电的不安全性以及煤气中毒、爆炸的危险。另外，在社会和生活中的各方面，诸如无人值守而特别需要加以警戒、保护之类的许多场所，单独居住的老人、无人看护的病人、婴幼儿童，都促使人们对安全保障的要求越来越强烈。因此，人们越来越迫切的需要有效的措施，以满足日益增长的安全防范要求。为更有效地保证居民的生命和财产安全，可通过在住宅和

5、住宅小区内引入平安家居系统进行安全防范管理。平安家居系统是家庭、住宅小区等环境防范外来侵害、安全事故的一种最重要的、最有效的手段，它将提高居民自身的安全感，成为社会治安的一个重要组成部分。1.4 研究意义随着市民住宅小区数量、品质的提升和人们生活水平的不断提高，促使人们在家庭住宅的观念上逐步发生变化。人们不仅需要宽敞、豪华的住宅，同时也希望有一个安全生活空间。所谓安全，就是有一个快速、有效、连动的防火、防盗、防爆的体系，同时要求家庭、社区管理中心及其有关单位部都能及时获得相关信息并采取相应措施。这就要求家庭不再是一个孤立的场所，而是一个能与外界进行信息交流的单元。平安家居系统是一种预防犯罪、防

6、止灾害、隐患进一步扩大危害的高新科技产品，它能满足现代社会对高度安全防范的需求，发挥强大的威慑作用和快速反应能力，降低发案率，做到防患于未然，使用户无后顾之忧，满足人民安全的需要。创造安全就是创造财富，因此，“安全消费”或“花钱买平安”已是“健康消费”之后又一大经济增长点。基于无线传感网的平安家居系统主要通过红外、雷达、气体、温度、声音等多种探测器来感应异常的变化，当感应器感应到异常情况时，自动将警情发送至网关，网关智能信息识别、融合技术做出最终判断，并结合图像传输技术，将报警信息和图像信息发送至相关部门和人员，以便得到及时的处理，减少人员伤亡和财产损失。因此平安家居系统的开发与推广非常有意义

7、，它既能保证人民生命和财产安全，又可提升服务水平，推动能源供给商、物业管理、通信网络商、房地产及其它相关行业的发展，为它们带来新的机遇和利润。随着经济的发展，安全将越来越为现代人重视，对于安全的投资也越来越多。可以预见，平安家居行业的发展将会十分迅速，我国平安家居产品的市场前景非常看好，平安家居产品即将走入千家万户的生活。1.5 技术发展现状随着智能家居的发展，安防系统在智能家居中显得越来越重要，国外的许多大公司己进入到该领域中，如微软公司投资一家Itran公司，专业从事家庭安防和家庭自的开发设计；IBM公司与建筑商合作，为用户提供装备有先进的安防系统的智能宅。美国联邦政府和IBM、AT&T等

8、大型IT企业，联合投资4000亿美元，为500万个小区和9000万个家庭提供全面的小区和家庭的安全防护和信息服务。在美国关于智能家居系统相关的示范工程和研究有IBM的网络化家居和梦幻空间(dream space)工程、HoneyWell的家庭自动化工程、Cisco的网络社区工程、Motorola的智能家居工程、Invensys的网大学的WAVES和I2SEE项目等。我国安防行业是随着社会主义市场经济的发展而逐步成长起来的，改革开放以来，在国民经济迅速发展，人民生活水平日益提高的推动下，安防行业出现了蓬勃发展的势头。尤其九五期间，我国住宅产业异军突起，极大地促进了安防产业的发展规模。国内做无线平

9、安家居系统的公司有一些，大部分分散在广东、福建一带，以民营企业为主，在技术及产品品质上还存在不少问题，整体而言，平安家居市场开发还远远不够。目前平安家居市场中知名品牌大多是进口的有线型产品，广泛运用于一些新建小区。有线型产品因为专线专用、性能稳定、不存在电源供应不足等问题而较少产生误报。但有线型产品在整体结构和局部都遇到严峻问题。工程商因布线难度大，不得不放弃部分工程，甚至废弃原有的有线系统重新安装无线系统，造成工程造价昂贵。用户反映的问题更为棘手，用户家中已安装有有线系统，且家中装修精美，此时要求增加需要重新布线的探头（如烟感、气感等）就会破坏原有装修，代价太高。此时可以解决以上所有问题的无

10、线产品的优势就体现出来，市场就应运而生。但目前的无线产品技术上还不成熟，除不能提供稳定可靠的无线网络外，也缺少智能信息识别技术和图像传输技术的支撑。1.6 技术方案目标本项目将研究开发一种集报警检测技术、无线传感网技术、信息识别技术和视频传输技术为一体的平安家居系统，满足人们日益增长的对产品性能的要求。该系统利用传感器网络，将家庭内部的各种设备通过无线自组织通信技术连接起来，实现信号检测、无线传输、信息处理、视频监控、远程报警等功能。平安家居系统包含服务平台、M2M平台、网关、前端传感测控和视频系统。基于无线传感器网络的前端信息采集节点，用于监控家居环境的当前状态，当监控区域出现异常情况，网络

11、中将会有多个传感器共同探测信息，发出报警信号并启动视频监控功能，帮助监控人员快捷有效的做出防范警备措施。3第二部分 系统架构2.1 系统架构平安家居系统架构如图2.1-1所示。图2.1-1 平安家居系统架构平安家居系统主要包括前端传感测控和视频系统、网关、M2M管理平台、平安家居信息服务平台四个部分。 前端传感测控和视频系统前端传感测控和视频系统包含无线测控系统和家居视频系统两个部分。无线测控系统主要完成传感信息采集、信息汇聚、设备控制等功能。该部分通过在家居环境中布设温湿度、光强、烟雾、燃气、红外、浸水等传感器检测节点，采集各种传感信息，系统通过无线传感网将以上信息汇聚至网关。该部分具有信息

12、采集功能的同时，也可对家居环境中的设备如窗帘、燃气阀门开关等进行控制。视频系统主要完成视频信息采集、摄像头设备控制、本地视频存储等功能。该系统通过3G网络将视频信息实时发送至用户。 网关网关是接入M2M管理平台和平安家居信息服务平台的统一接口，完成对前端传感测控和视频系统的管理和控制、信息的处理与传输、非移动通用协议到标准通用协议的数据格式转换、本地管理信息设置及现场设备故障管理。 M2M管理平台M2M管理平台是一个综合管理平台。主要完成网关与平安家居信息服务平台之间信息传送、对网关设备的控制和管理、对平安家居信息服务平台的管理等功能，并完成对平安家居网关进行认证、鉴权、计费等功能。 平安家居

13、信息服务平台平安家居信息服务平台是提供平安家居信息服务的综合管理平台。主要完成平安家居传感信息处理、视频监控、综合信息查询、事件告警通知、设备故障告警通知、用户远程控制、用户设置远程管理和用户权限认证等多种相关功能。2.2 系统组成2.2.1 前端传感测控和视频系统前端传感测控和视频系统主要包括以下节点，各节点功能如下： 测控节点测控节点完成信息感知和设备控制两种功能。测控节点可利用各种无线传感器节点感知家居环境中的信息，通过无线传感网传送至路由节点，完成家居环境的信息感知和传输；同时测控节点按照用户的指令对设备（如窗帘、燃气阀门开关等）进行控制。 家居视频节点家居视频节点负责视频与图像的采集

14、，可通过3G视频电话与用户之间实现视频监控和本地视频存储。并且用户可远程对家居视频节点中的摄像头进行远程控制。 路由节点路由节点完成测控节点和家居视频节点与网关间的信息传输。测控节点将收集到的信息通过路由节点发送至网关，同时网关将用户的控制指令通过路由节点发送至测控节点和家居视频节点。其中，测控节点和路由节点共同组成了前端传感测控和视频系统的无线测控系统部分，家居视频节点和路由节点共同组成了前端传感测控和视频系统的家居视频系统部分。2.2.2 网关平安家居服务系统M2M家居网关主要包含以下模块，各个模块及具体功能如下： MCU中心处理单元网关的指挥调度中枢，各个相关单元对于总线内存电源等的资源

15、使用均有它来进行分配。 M2M模组负责通信传送，通过无线网络和移动通信网络连接，可以使用的形式有GPRS/EDGE/TD等。 家居无线模块单元负责家居环境里面的通信，一方面将来自前端传感网络的信息进行解析和解码，然后将信息打包封装传送到MCU。同时，完成反向的信息解析工作。 接口单元支持RS485接口协议，可以和支持相同协议的设备进行对接。 电源单元负责将220V市电转换成各个单元需要的电源，稳定向各个单元供电。2.2.3 M2M管理平台M2M平台包括通信接入模块、终端接入模块、业务处理模块、管理模块、EC接入模块、数据库模块、WEB模块等，各模块具体功能如下： 通信接入模块包括行业网关接入模

16、块、GPRS接入模块。行业网关接入模块负责完成行业网关的接入，通过行业网关完成与USSDC/USSDG、SMSC/ISMG、MMSC的接入，最终完成与行业终端的通信。GPRS接入模块通过GPRS方式与行业终端传送数据，根据消息流量可配置多个GPRS接入模块。 终端接入模块终端接入模块负责完成与行业网关的各种通信方式的处理，并接收行业网关从行业终端采集的完整信息，实现终端上线认证、参数配置、数据转发、终端的故障上报信息统计等功能。 业务处理模块业务处理模块负责对各类行业应用信息的处理，把各类终端的信息传送到对应的EC进行分析处理；接收EC的信息查询请求、对各类终端的控制信息、向个人用户的下发信息

17、；向各类行业终端发送对应信息。根据实际的消息处理量可配置多个业务处理模块。 管理模块由签约管理模块和业务管理模块构成。签约管理模块负责与BOSS系统连接，从BOSS系统导入用户签约关系，完成用户签约信息、黑/白名单同步功能；完成对下发信息的鉴权处理。业务管理模块负责对M2M平台的服务质量、运行状况、业务量、业务故障等进行管理。 EC接入模块EC接入模块负责EC的接入，主要完成企业用户、企业管理员的身份认证、权限管理、业务管理和数据通信，可以根据EC的数量配置多个EC接入模块。 数据库模块保存各类配置数据、终端信息、EC信息、签约信息和黑/白名单、业务数据、信息安全信息、业务故障信息等。 WEB

18、模块提供WEB方式系统操作维护功能，集团客户自服务功能。2.2.4 平安家居信息服务平台平安家居信息服务平台主要包含以下模块，各个模块及具体功能如下： 应用服务模块应用服务模块主要负责平安家居信息服务业务处理和视频服务业务处理，提供了系统最基本的业务功能。 系统管理模块系统管理模块主要负责平安家居信息服务平台中需要的基础数据和管理信息的处理。 数据库完成系统中持久化数据信息的存储、查询、管理等功能。 接口模块系统提供了各种对外部系统的接口。83第三部分 前端传感测控和视频系统3.1 系统概述3.1.1 前端传感测控和视频系统构成家居视频节点温度测控节点路由节点路由节点红外测控节点煤气测控节点门

19、磁测控节点摄像头无线测控系统M2M家居网关3G网络路由节点家居视频系统 3G无线模块前端传感测控和视频系统由两个部分构成，第一部分是无线测控系统，第二部分是家居视频系统。这两个系统结合起来，完成传感信息采集、信息汇聚、设备控制、视频信息采集、摄像头设备控制、本地视频存储等功能。前端传感测控和视频系统的结构如图3.1-1所示。图3.1-1 前端传感测控和视频系统构成无线测控系统主要的功能是将家居涉及到的信息通过传感器采集，并利用M2M家居网关将采集的传感信息传输至平安家居信息服务平台和M2M平台，同时完成平安家居信息服务平台和M2M平台向家居环境中设备发送的控制命令的执行，无线测控系统主要由各种

20、类型的测控节点和路由节点两大类节点组成。家居视频系统主要的功能是利用3G电路域视频电话完成家居环境视频监控，并且其视频监控功能的启动由M2M家居网关触发，其触发条件为无线测控系统检测到并上报至网关的传感信息。家居视频系统主要由路由节点、摄像头和3G无线模块组成。3.1.2 前端传感测控和视频系统工作原理前端传感测控和视频系统由无线测控系统和家居视频系统两个部分构成。 无线测控系统无线测控系统包含测控节点和路由节点两大类节点。测控节点包括传感器、设备控制和通信三个模块。测控节点的传感器模块的种类主要有烟雾、门磁、煤气、水浸、红外、温湿度等，这些传感器的信息有模拟量（传感采集的数据为连续计量）和开

21、关量（传感采集的数据只有0和1）两种类型。测控节点被放置在需要的场景，利用其传感器模块采集数据。测控节点的设备控制模块根据用户的命令完成如窗帘、煤气阀门开关等设备的控制。测控节点的通信模块为传感器模块和设备控制模块传输信息，既可上行传输传感器模块采集的数据，又可下行向设备控制模块传输用户通过平安家居信息服务平台和M2M平台发送的控制命令。路由节点主要负责连接测控节点和M2M家居网关之间的通信，完成网关向测控节点发送设备控制命令的传输和测控节点向网关发送感知信息的传输。其中包含无线传感网的通信协议。 家居视频系统家居视频系统包含家居视频节点和路由节点两大类节点。家居视频节点由视频摄像头、无线通信

22、处理器、云台等组成。家居视频节点的视频摄像头完成家居视频监控信息的采集，无线通信处理器完成家居视频系统与移动3G网络间的通信，云台完成摄像头拍摄角度并可由M2M家居网关根据用户命令远程控制。路由节点主要负责连接家居视频节点和M2M家居网关之间的通信，完成网关向家居视频节点发送启动视频监控命令的传输。其中包含无线传感网的通信协议。3.2 前端传感测控和视频系统组网方式前端传感测控和视频系统的组网方式有线状结构、树状结构、自组织网状结构和星型+网状混合结构四种。 线状结构网络图3.2-1 线状网络结构如图3.2-1所示，在线状网络结构中，测控节点、路由节点和网关之间是上下按照顺序一对一连接的，网络

23、结构为类似线状的连接。测控节点和路由节点之间的连接均是固定对应关系，路由节点和网关之间的连接也是固定对应关系。这种网络结构适合节点少，环境简单的无线环境情况。 树状结构网络图3.2-2 树状网络结构如图3.2-2所示，在树状网络结构中，测控节点、路由节点和网关之间是上下按照顺序连接的，一个路由节点可以对应多个测控节点，一个网关汇聚模块可以对应多个路由节点。这种结构为类似树的形状的连接。测控节点和路由节点之间的连接均是一对多的对应关系，路由节点和网关之间的连接也是一对多的对应关系。路由节点之间互相没有对应关系，它们之间不进行通信。这种网络形式适合空间环境划分较为清晰的情况，路由节点的数量不会很多

24、。 网状结构网络图3.2-3 网状网络结构如图3.2-3所示，在网状网络结构中，测控节点和路由节点之间可以采取一对多或者多对多的关系，测控节点和路由节点之间的连接根据空间无线环境的变化进行调整，一个测控节点可以借助临近的测控节点，跳到相对应的路由节点进行通信。这样的对应关系类似网络连接。路由节点之间可以通信，一个路由节点可以借助临近的路由节点，跳到相对应的网关里面汇聚模块进行通信。这种网络结构适合空间环境复杂，需要布控的地点特征多样化，路由节点较多的情况。 线状结构网络图3.2-4 星型+网状混合网络结构如图3.2-4所示，在星型+网状混合网络结构中，测控节点和路由节点之间的对应关系是固定的，

25、采取星型的网络结构，这种结构里面可以有多个这样的星型结构，路由节点之间可以互相通信，它们之间的连接关系主要根据空间无线环境而变化。路由节点之间构成了网状结构，一个路由节点可以通过临近的路由节点，跳到网关进行通信。这种网络结构适合测控节点较多的情况，并且空间环境较为复杂，通过这种混合的网络结构，可以较好的应对空间环境复杂的情况。3.3 前端传感测控和视频系统功能要求前端传感测控和视频系统由无线测控系统和家居视频系统两部分构成，无线测控系统主要负责将前端环境的传感信息采集并传送到后端平台，并接受来自后端平台的控制信息对设备进行控制，家居视频系统负责将前端环境的视频信息传送到后台，并接受后台对视频节

26、点的控制，同时，家居视频系统接收来自无线测控系统的传感信息，特定的传感信息将会触发家居视频系统向预先设定的号码发起视频电话，传送现场视频信息。无线测控系统由无线测控节点和路由节点构成，家居视频系统由家居视频节点和路由节点构成，即无线测控节点、路由节点和家居视频节点构成了前端传感测控和视频系统。无线测控节点、路由节点和家居视频节点的功能要求如下。3.3.1 测控节点 测控节点工作原理测控节点完成信息感知和设备控制两种功能。测控节点可利用各种无线传感器节点感知家居环境中的信息，通过无线传感网传送至路由节点，完成家居环境的信息感知和传输；同时测控节点按照用户的指令对设备（如窗帘、燃气阀门开关等）进行

27、控制。 测控节点内部结构图3.3-1 测控节点内部结构如图3.3-1所示，测控节点包含传感器模块、无线传感网通信模块、驱动和接口模块、MCU处理模块、存储模块和电源模块。无线测控节点通过传感器采集现场数据，通过无线自组织网络和路由节点通信，某些类型传感器可以接受来自后台的控制消息并执行对设备的控制。传感器模块有多种类型，它们通过各种感应机制采集到数据，通过RS-485接口和节点的其他模块通信，经过数据处理，传感信息通过无线通信模块传送到后台。无线测控节点的无线传感网通信模块负责和路由节点通信，接受来自后台的控制消息，调整和路由节点的对应关系。驱动和接口模块负责传感器驱动，通信协议解析和接口通信

28、。存储模块负责系统缓存、传感信息和路由信息的存储。MCU是节点的控制处理器，总体协调内部通信，计算，资源调度等。 测控节点功能无线测控节点的功能包括：1. 多种节电的工作模式，可以确保两节五号电池支持长达6 个月到2 年左右的使用时间；2. 采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC 层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；3. 无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；在增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等情况下，网络都能够自我修复，并对网络拓

29、扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作；4. 测控节点具有单向采集，双向控制两种主要信息处理机制。单向采集信息，主要是将前端传感器的信息，通过通信协议采集到后，经由网关传送到后端平台。单向采集信息适合的传感器类型有：湿度，温度，烟雾，煤气，水浸，红外等。双向控制信息，主要是将传感器的状态，通过通信协议采集到后，经由网关传送到后端平台，另外，测控节点接受来自后端平台的信息，传送到传感器，传感器根据信息作出动作。双向控制信息适合的传感器类型有：门磁，电动阀门等。3.3.2 家居视频节点 家居视频节点工作原理家居视频节点负责视频与图像的采集，可通过3G视频电话与用户之间实现视

30、频监控和本地视频存储。并且用户可远程对家居视频节点中的摄像头进行远程控制。 家居视频节点内部结构如图3.3-2所示，家居视频节点包含摄像头模块、驱动和接口模块、3G无线通信模块、电源模块、MCU处理模块和存储模块六个部分。摄像头采集现场的视频信息，通过内部总线和节点的其他模块通信，经过数据处理，视频信息通过无线部分传送到后台。视频节点的3G无线通信模块负责与3G网络通信。驱动和接口模块负责摄像头模块和3G无线通信模块的驱动，并提供摄像头模块与路由节点的RS-485连接接口，完成通信协议解析和接口通信。其中，由M2M家居网关发送的传感信息通过RS-485接口从路由节点进入家居视频节点，驱动和接口

31、模块负责提取RS-485承载的信息，经过MCU计算，根据预先设置好的条件，触发摄像头将视频信息通过3G网络传送到后台。存储模块负责系统缓存、视频信息和系统信息的存储。MCU是节点的控制处理器，总体协调内部通信，计算，资源调度等。图3.3-2 家居视频节点内部结构 家居视频节点功能家居视频节点的功能包括：1. 支持基于3G的TD-SCDMA视频电话，自动接收来自3G手机或网络的可视电话呼叫，实现视频画面的回传；2. 支持语音采集和对讲，内置麦克风和喇叭，使3G用户不仅可以看到摄像头对应的视频画面，还可以听到摄像头所在地的声音，并可以支持3G用户与摄像头附近人员对讲；3. 支持远程遥控摄像头变焦，

32、用户通过3G手机视频探视摄像头的同时，可以按键遥控摄像头变焦；4. 支持远程遥控摄像头转动方向，用户通过3G手机视频探视摄像头的同时，可以按键遥控摄像头上下左右转动方向；5. 支持内置电池供电；6. 支持外接电源供电，可同事执行电源供电与电池充电；7. 支持红外告警和夜视功能；8. 支持SMS告警，当前端摄像头发生告警事件（如电池不足、SD卡存储快满等）的情况下，通知平安家居信息服务平台自动通过短消息告警用户；9. 支持外呼告警，当前端摄像头发生告警事件（如来自M2M家居网关的告警信息等）的情况下，前端传感测控和视频系统自动通过视频外呼3G用户或者平安家居信息服务平台告警； 10. 支持和M2

33、M家居网关的告警信息互通，家居视频系统配置有路由节点，通过路由节点和M2M家居网关互通，取得来自无线测控节点的传感信息；11. 持本地录像存储，前端摄像头支持加插SD或T-Flash卡，提供本地存储。本地文件存储格式为3gp格式，图像分辨率采用QCIF（176*144），1小时本地存储大约需要空间28MB；12. SMS远程设置参数，系统和用户可以通过SMS远程配置前端摄像头；13. 支持通视频IVR，用户直接拨打视频IVR的引导下，修改摄像头参数、浏览历史视频等操作；14. 白名单保护，前端可以配置白名单，只有在白名单内的电话可以访问前端。3.3.3 路由节点 路由节点工作原理路由节点完成测

34、控节点和家居视频节点与网关间的信息传输。测控节点将收集到的信息通过路由节点发送至网关，同时网关将用户的控制指令通过路由节点发送至测控节点和家居视频节点。 路由节点内部结构图3.3-3 路由节点内部结构如图3.3-3所示，路由节点包含无线传感网通信模块、驱动和接口模块、MCU处理模块、存储模块和电源模块。路由节点的无线传感网通信模块负责与M2M家居网关汇聚模块完成传感信息的上传和控制信息的下发，同时与测控节点的无线传感网通信模块通信完成传感信息的上传和控制信息的下发。驱动和接口模块提供路由节点与家居视频系统摄像头模块间的RS-485连接接口，完成通信协议解析和接口通信。其中，由M2M家居网关发送

35、的传感信息通过RS-485接口从路由节点进入家居视频节点。MCU是节点的控制处理器，总体协调内部通信，计算，资源调度等。在网状和混合型结构中，MCU负责调整和其他路由节点的对应关系。存储部分负责系统缓存和路由信息的存储。 路由节点功能路由节点的功能包括：1. 多种节电的工作模式，可以确保两节五号电池支持长达6 个月到2 年左右的使用时间；2. 采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC 层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；3. 无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构

36、化的网络；在增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等情况下，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。3.4 前端传感测控和视频系统性能要求前端传感测控和视频系统主要由视频采集摄像头、各类传感器、路由节点和无线传感模块这些硬件构成。系统的性能指标由这些硬件性能指标构成。 视频采集摄像头的性能指标视频采集摄像头的性能指标主要依据本方案的适用环境，并考虑了业务推广、性价比等因素，综合制定了性能指标。具体请参看下表：支持制式 TD-SCDMA 使用方式 可视电话重量 小于300克大小 104mm*101mm*101mm摄像头分辨率30

37、万像素摄像头可视角度水平：150度垂直：上70度，下35度摄像头变焦三倍变焦功能夜视功能支援黑白夜视功能待机时间大于300小时连续可视电话时间光线充足约6小时，红外线夜视模式时约4小时语音通话支持管理设定功能 通过视频IVR设定 通过Web设定（需要平安家居信息服务平台配合）录像功能支持存储卡存储录像安全保密功能 支持白名单控制（默认2个号码） 支持密码保护（可选）扩音器支持高音质喇叭麦克风支持高音质麦克风表3.4-1 视频采集摄像头技术指标 温度湿度传感器的性能指标温度湿度传感器的性能指标主要依据本方案的适用环境，并考虑了业务推广、性价比等因素，综合制定了性能指标。具体请参看下表：供电电流输

38、出型：DC 24V（22V26V）电压输出型：DC 24V（12V24V）网络输出型：DC 24V (12V24V)继电器输出型：DC 24V（22V26V）准确度湿 度: 3RH (5RH95RH，25)温 度: 0.5 (050)工作温度-1060长期稳定性湿度1%RH/y温度0.1/y响应时间15s（1m/s风速）输出信号电流输出型：420mA电压输出型：05V网络输出型：RS485/RS232继电器输出型：继电器常开，常闭触点负载能力电压输出型：输出阻抗250电流输出型：500继电器输出型：10A/AC 120V，7A/AC 240V表3.4-2 温度湿度传感器技术指标 水浸传感器的性

39、能指标水浸传感器的性能指标主要依据本方案的适用环境，并考虑了业务推广、性价比等因素，综合制定了性能指标。具体请参看下表：供电电压DC 24V (9V36V)工作温度050工作湿度20%RH100%RH误 报 率 100ppm静态功耗0.5W报警功耗最大1.2W输出形式继电器( 负载电流 100mA)高低电平输出：VL 为 0V（+0.5V）VH为 5V 或 12V( 0.5V)负载能力固态继电器 100mA（大电流可以达到 1A，需定做）高低电平 3k供电电压DC 24V (9V36V)注： 高电平输出 12V时，供电电压应高于 16V表3.4-3 水浸传感器技术指标 烟雾传感器的性能指标烟雾

40、传感器的性能指标主要依据本方案的适用环境，并考虑了业务推广、性价比等因素，综合制定了性能指标。具体请参看下表：直径14cm (5.5 英寸)高度8.0cm (3.12英寸)重量310gm (0.7磅)工作温度范围0至49 （32至120）工作湿度范围10%至93%相对湿度报警复位瞬间断电继电器触点参数阻性或感性（60%功率因数）负载A型2.0 A 30VAC/DC表3.4-4 烟雾传感器技术指标 红外传感器的性能指标红外传感器的性能指标主要依据本方案的适用环境，并考虑了业务推广、性价比等因素，综合制定了性能指标。具体请参看下表：范围05%vol（0100%vol 范围内可选）覆盖最大11m（3

41、5）敏感区数量36（18对）安装位置室内（墙壁安装）供电电压9-18VDC 无极性电源消耗25mA报警触点/复位/报警电阻24V/0.25A（AC，DC）N.C.，N.O.可变2秒，1秒3.3防拆触点30VDC/0.1A N.C.脉冲记数有自动复位内存有低电压报警有工作温度范围-10到+50（+14到122）重量120g表3.4-5 红外传感器技术指标 煤气传感器的性能指标煤气传感器的性能指标主要依据本方案的适用环境，并考虑了业务推广、性价比等因素，综合制定了性能指标。具体请参看下表：报警声大于90dB烟雾报警浓度为2% 使用环境湿度2055相对湿度90% RH（402）体积125mm 29m

42、m表3.4-6 煤气传感器技术指标 门磁传感器的性能指标门磁传感器的性能指标主要依据本方案的适用环境，并考虑了业务推广、性价比等因素，综合制定了性能指标。具体请参看下表：动作距离16mm 开关耐压100VDC 负载电流0.5A寿命106次明装式适用安装于非铁质门或窗表3.4-7 门磁传感器技术指标 路由节点和无线传感模块的性能指标路由节点和无线传感模块的性能指标主要依据本方案的适用环境，并考虑了业务推广、性价比等因素，综合制定了性能指标。具体请参看下表：类型具备中继路由和终端设备功能通信距离最大视距传输距离2000米抗干扰能力2.4G DSSS扩频技术485应用最高波特率115200发送模式广

43、播发送或目标地址发送模式可选组网能力星型网、树型网、链型网、网状网网络容量16信道可选，65535个网络ID数据采集定时主动上报或上位机查询表3.4-8 路由节点和无线传感模块技术指标3.5 前端传感测控和视频系统通信协议设计3.5.1 协议架构概述前端传感测控和视频系统的通信主要分为两个部分。一部分是传感信息和控制命令传输所涉及的通信和相关协议，如图3.5-1所示。在测控节点中，传感器模块和测控节点内部通信模块采用RS485接口协议；测控节点和路由节点之间采用的无线通信协议为Zigbee或者ISM315/433；路由节点和M2M家居网关之间采用的无线通信协议为Zigbee或者ISM315/4

44、33。图3.5-1 无线测控系统的通信协议传感信息和控制命令的传输主要涉及到无线测控系统（由无线测控节点和路由节点构成）、M2M家居网关和M2M平台。无线测控节点中的传感器模块通过自身的机制感知到环境数据，将传感数据通过电气信号调制，在物理层采用RS-485协议和测控节点内部通信模块的RS-485连接，无线通信模块将传感数据调制在无线网络上，通过Zigbee协议和路由节点通信，路由节点通过Zigbee协议和M2M家居网关通信，M2M家居网关将Zigbee协议所承载的信息在应用层提取出来。同时，M2M家居网关通过Zigbee协议和路由节点通信，将应用层的控制命令发送至路由节点，路由节点通过Zig

45、bee协议和测控节点内部通信模块通信，将控制命令发送至测控节点，在测控节点内部，通信模块通过RS-485连接将应用层控制命令发送至测控节点内部设备控制模块。另一个部分是视频信息传输所涉及的通信和相关协议，如图3.5-2所示。家居视频节点和路由节点之间采用RS485接口协议；路由节点和M2M家居网关之间采用的无线通信协议为Zigbee或者ISM315/433；家居视频系统和3G网络通信采用H324M协议。图3.5-2 家居视频系统的通信协议家居视频系统的传输主要涉及到家居视频节点、路由节点、M2M家居网关和M2M平台。家居视频节点通过摄像头监控家居环境中的视频，并通过3G网络通信的H324M协议

46、与家居服务平台进行通信，完成视频信息和双音双频指令的传输。同时，M2M家居网关通过Zigbee协议和路由节点通信，将应用层的控制命令发送至路由节点，路由节点通过RS485接口协议，以电气信号的形式将控制命令发送至家居视频节点，触发视频监控功能的开启。以下为两种通信协议架构中所涉及的各种通信协议的简要描述。3.5.2 RS-485协议以下为RS-485接口协议的简要描述。电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(26)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(26)V表示。RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，RS-485接口的最大传输距离标准值实际上可达3000米， RS-485接

47、口在总线上是允许连接多达128个收发器。RS485接口组成的半双工网络一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。 RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端RS485接口采用DB-9（孔），与键盘连接的键盘接口RS485采用DB-9（针）。目的地址源地址长度控制帧净荷数据CRC检验1Byte1Byte1Byte2Bytes由长度字节确定，255Bytes2Bytes表3.5-1 RS-485通信帧格式长度字段不包含控制字段、检验字段。校验字段使用CCITT的CRC16的校验方法。校验字段默认是加上的，只有在发送方的CPU负荷比较大时，并且能够保证本帧出现的错误不会

48、对系统产生潜在的和现实的影响，或者保证影响在可以控制在一定范围内并且可以忍受时，才考虑取消校验字段。当接收方接收到帧的总长度减去长度字段值与帧头的长度之和，得到的结果为2时，表明发送方附带了校验和。3.5.3 Zigbee协议Zigbee协议栈由一组子层构成，每层为其上层提供一组特定的服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体提供全部其他服务。应用IEEE802.15.4信息和应用链路层信息LLC子层MAC子层IEEE802.15.4868/915MHz PHYIEEE802.15.42.4GHz PHYIEEE 802.15.4标准定义了物理层(PHY)和介质接入控制子层(MAC)；Zigbe

49、e联盟定义了信息和应用层(APL)框架的设计。APL使用链路层LLC子层所提供的数据进行传输服务。MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口PHY层由射频收发器以及底层的控制模块构成。图3.5-3 Zigbee协议栈3.5.4 315/433协议数据模块具有较宽的工作电压范围312V，当电压变化时发射频率基本不变，和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收。数据模块采用ASK方式调制，以降低功耗，当数据信号停止时发射电流降为零，数据信号与发射模块输入端可以用电阻或者直接连接而不能用电容耦合，否则发射模块将不能正常工作。数据电平应接近数据模块的实际工作电压，以获得较高的调制效果

50、。315/433协议主要特点如下：1、通讯方式：调幅AM ；2、工作频率：315MHZ/433MHZ ；3、频率稳定度：75KHZ；4、发射功率：500MW；5、静态电流：0.1UA；6、发射电流：350MA；7、工作电压：DC 312V。3.5.5 H.324M协议3GPP采纳H.324M建议作为3G网络传统视频电话的一个标准，被其采纳的建议被命名为3G-324M，并且针对话音、视频和多路复用操作提出了一些要求：要求GSM-AMR成为音频编码的可选编码标准之一；强制规定ITUH.263为视频编码标准；添加H.223附件B用来保护复用数据。3G网络中通过64kbit/s电路载体链路传输3G-3

51、24M视频电话业务。H324M协议的通过过程如下：1） 首先，两个移动电话终端建立连接2） 然后，两个移动电话终端建立数据通讯3） 开始建立视频电话连接a) 使用H.245提供的方法，交换终端的能力。b) 使用H.245提供的方法，确定主叫方和被叫方c) 建立音频，视频，及数据应用的逻辑信道4） 通话：在通话的过程中，可以使用H.245定义的方法来改变信道属性，能力等。5） 结束通话6） 断开连接3.6 前端传感测控和视频系统的节点管理与维护3.6.1 无线测控节点无线测控节点为传感信息测控的最前端，由传感器模块、设备控制模块和无线通信模块共同组成。无线测控节点具备网络的自组织、自愈能力。无需

52、人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络。网络自愈功能包括增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。后台的管理系统中需要为每一个无线测控节点分配一个唯一的标识。3.6.2 家居视频节点摄像头是家居视频节点的核心部件。每一个摄像头对应一个唯一的号码，在系统当中，摄像头的增加、移除和参数的维护工作，均需要通过后台的应用平台操作进行，以达到统一配置和管理的目的。3.6.3 路由节点路由节点是对于不能直接找到网关的测控节点进行数据通信的重要辅助设备，根据场景不

53、同，路由节点可以出现在网络中或者不出现。路由节点具备网络自适应和自我修复功能，即一个路由节点增加或者减少时，周围节点会自动进行识别，同时修改路由表，以达到最有的数据线路调整。3.7 接口要求图3.7-1标出了系统中各模块和设备间接口的类型。图3.7-1 接口协议各设备内部模块间和各设备间接口要求如下： 测控节点内部测控节点为传感器与无线通信模块二者的集成体，传感器采集到的测控数据必须经过无线通信模块传递到后台系统。双方之间通过RS485进行通信。 测控节点与路由节点通常情况下，测控节点经过路由节点把数据送达网关。测控节点与路由节点之间通过Zigbee协议或者ISM315/433进行数据传输。

54、测控节点与网关测控节点也可以不经过路由节点，直接与网关进行通信，将数据送达网关的汇聚节点。测控节点与网关之间通过Zigbee协议进行数据传输。 路由节点之间根据网络的复杂度不同，路由节点之间也可能进行数据的传输，路由节点之间通过Zigbee协议进行数据传输。 网关内部网关包含汇聚节点与M2M模组，数据从汇聚节点通过RS-485协议传递到M2M模组。 摄像头与3G网络视频摄像头通过H324M协议，将视频数据经过3G网络传输给平安家居平台。 路由节点与摄像头路由节点与视频测控系统的摄像头连接。路由节点将测控节点汇聚至网关的开关量信息通过传递给视频采集系统。根据通讯链路的不同，可采用Zigbee或者

55、RS485进行通信。第四部分 家居通信网关4.1 系统概述家居通信网关负责信息传输和设备的管理。家居通信网关具有双向通信传输的功能，负责将前端传感测控系统采集的传感信息通过移动网络传送到M2M管理平台以及平安家居信息服务平台，同时接受来自M2M管理平台以及平安家居信息服务平台的控制信息。家居通信网关可对前端传感测控和视频系统中的设备工作状态进行监控，完成设备管理和升级等功能。4.1.1 网关系统构成家居通信网关由MCU中心处理单元，M2M模组（GPRS/TD模块），家居无线单元，SIM单元，存储单元，状态显示单元，接口单元，电源单元等构成。图4.1-1 网关系统构成MCU中心处理单元是网关的指

56、挥调度中枢，各个相关单元对于总线内存电源等的资源使用均有它来进行分配。M2M模组，负责通信传送，通过无线网络和移动通信网络连接，可以使用的形式有GPRS/EDGE/TD等。家居无线模块单元，负责家居环境里面的通信，一方面将来自前端传感网络的信息进行解析和解码，然后将信息打包封装传送到MCU。同时，完成反向的信息解析工作。接口单元，支持RS485接口协议，可以和支持相同协议的设备进行对接。电源单元，负责将220V市电转换成各个单元需要的电源，稳定向各个单元供电。4.1.2 网关工作原理网关通过接口从采集系统取得数据，通过WMMP协议进行封装，处理后的分组数据发送到2G/3G基站，最后通过2G/3

57、G的核心网将数据发送至M2M管理平台。网关与M2M管理平台间周期性发送心跳连接包，实现M2M管理平台对前端传感测控和视频系统以及网关的状态监控和远程升级等功能。4.1.3 网关的业务信息管理M2M家居网关是前端传感测控和视频系统与后端平台（M2M管理平台和平安家居信息服务平台）的中间通信枢纽，前端和后端经过网关的业务信息主要包括：前端的传感数据信息、家居无线通信网络的信息、后端发出的控制信息。对于这三类的信息，M2M家居网关主要的作用是：信息的各式转换和封装、临时存储、路由计算和配置。前端的传感数据信息，是前端传感器采集的家居环境数据，经过测控节点和路由节点到达M2M家居网关。M2M家居网关将

58、传感信息、传感器类型信息、测控节点编址、路由节点编址以及时间信息、家居无线网络信息进行封装，传送到后台。图4.1-2 传感信息构成家居无线通信网络信息，是家居无线网络的连接信息，包括节点之间的对应关系、路由和编址信息、节点状态信息。M2M家居网关里面的汇聚模块将家居无线网络信息进行封装，传送到后台。图4.1-3 家居无线网络信息构成后端发出的控制信息，是对前端设备的控制信息，包括节点之间的对应关系、路由和编址信息、节点状态信息。M2M家居网关里面的汇聚模块将后端发出的控制信息进行封装，传送到后台。图4.1-4 后端发出的控制信息构成4.2 网关功能要求网关需预置网络承载参数、WMMP协议参数、

59、终端接入网关（HTTP代理服务器）参数等。网关必须支持GPRS通信功能功能，同时建议网关支持EDGE/TD-SCDMA通信能力。终端必需能够处理可能的通信冲突。网关必须支持WMMP协议与M2M管理平台进行通信，具体通信协议参见M2M平台与终端接口规范3.0。4.2.1 M2M通信模组基本功能要求网关必须具有M2M通信模组，并能与M2M平台进行连接，实现网关的注册、登陆、上 报业务数据、主动事件通告、参数管理、注销等功能。M2M通信模组功能具体参见中国移动M2M通信模组规范。4.2.2 AT命令接口网关的中央处理模块与M2M通信模组之间通过AT指令交互，M2M通信模组应至少支持一种AT指令接口（

60、通常为UART或USB接口），建议至少提供UART接口。网关的中央处理模块与M2M通信模组之间的AT指令集详见M2M通信模组规范。4.2.3 前端节点状态上报网关对节点工作状态的好坏进行上报，包括：节点的标识，节点的工作状态。4.2.4 前端节点状态获取网关能够解析、执行服务平台下发的节点状态获取指令，对节点工作状态的好坏进行获取并上报，包括：节点的标识，节点的工作状态。4.2.5 协议转换协议转换功能实现无线传感器通信协议与WMMP协议之间的转换，实现将从前端传感测控和视频系统获得的信息通过M2M模组传输到M2M管理平台。4.2.6 网络管理功能网络管理模块完成对整个无线网络的管理功能，功能

61、包括： 网络地址分配路由节点的地址由网关分配；并接收来自路由节点上报的测控节点、路由节点的网络地址。 路由表配置路由节点加入网络后，由网关统一配置路由节点的路由表。 通信资源配置网关统一配置路由节点的频率和时隙，路由节点再对检测节点、路由节点进行频率和时隙分配。 时钟同步网关维护系统内各前端设备之间的时间同步。 网络运行状态维护网关负责对前端设备运行状态的监控与维护。4.2.7 查询功能 远程状态查询网关能够正确的响应M2M平台对网关工作状态的查询，并将相应结果返回给M2M平台。 网关版本号查询网关能够支持M2M平台对版本进行查询。4.2.8 远程升级 网关软件升级网关能够正确接收、分析执行平台下发的软件升级指示，并根据自身版本号等因素正确的执行后续的软件下载升级流程。当网关软件版本和平台下发的新软件版本不同时，需要进行后续的软件下载升级流程；当网关软件版本和平台下发的新软件版本相同时，则需要给出正确的应答消息后结束远程升级流程。 前端传感测控和视频系统设备应用软件升级（可选）能够通过网关升级路由节点、无线测控节点、家居视频节点应用软件。4.2.9 Flash要求网关应在非易失性存储器中预留