基于物聯(lián)網(wǎng)的住所安全遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

陳錦煌

（中山大學(xué)新華學(xué)院 廣東 廣州510520）

基于物聯(lián)網(wǎng)的住所安全遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

陳錦煌

（中山大學(xué)新華學(xué)院 廣東 廣州510520）

為了實現(xiàn)用戶能夠?qū)崟r遠程監(jiān)控住所環(huán)境的安全，文中提出一種應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行信息采集的住所安防監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過ZigBee無線組網(wǎng)采集住所環(huán)境信息，使用ARM處理器負責(zé)數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送，能夠把住所中的實時情況通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至用戶手機或者終端上實現(xiàn)遠程監(jiān)控，及時對異常情況進行處理，保障住所的安全性。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)住所信息的采集并進行遠程通信，設(shè)計成本低，穩(wěn)定性好，具有良好的擴展性。

物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；遠程監(jiān)控；GSM；安防

隨著人們生活水平的不斷提高，對住所安全性等方面提出更高的要求，住戶希望在離開住所的情況下也能實現(xiàn)安防監(jiān)控，實時獲取異常警報信息并及時處理。物聯(lián)網(wǎng)是以感知為出發(fā)點實現(xiàn)“物物相連”的一種創(chuàng)新技術(shù)[1]，結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)和移動通信技術(shù)能夠把物件信息通過移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至用戶手上，構(gòu)成一個簡單智能的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)[2]。文中利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對住所環(huán)境進行設(shè)置，使用各類傳感器實時采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)把收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至ARM內(nèi)核的STM32處理器上，在處理器分析采集的數(shù)據(jù)過程中，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超過預(yù)先設(shè)定的閥值時，系統(tǒng)能夠及時通過GSM網(wǎng)絡(luò)把異常情況以短信的形式告知用戶，使用戶能夠?qū)崟r獲取住所安防情況并及時對異常情況做出處理，給住戶帶來安全的住所環(huán)境，保障人們的生命財產(chǎn)安全，為智能家居的安防子系統(tǒng)提供了參考，具有一定的研究意義。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的住所安全監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由遠程控制終端、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)和信息采集終端三大部分組成。在信息采集終端上設(shè)計有紅外探測器、溫度傳感器、氣體傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯饶K實時采集住宅中各種安全信息，通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)將信息傳送到ARM內(nèi)核的STM32處理器進行分析和處理，檢測到異常情況即可通過GSM網(wǎng)絡(luò)以短信方式告知住戶，及時做出相應(yīng)的控制，使住戶居所免受損失，該系統(tǒng)具有成本低、耗能少、操作簡便、數(shù)據(jù)傳輸可靠等優(yōu)點，各模塊之間實現(xiàn)協(xié)同工作。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程無線監(jiān)控住所安全信息的系統(tǒng)主要涉及到ARM處理器、各種信息采集傳感器、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)備，各個傳感器采集到的信息通過處理器的處理后實現(xiàn)相應(yīng)的功能，使用ZigBee通信技術(shù)能更好地實現(xiàn)系統(tǒng)各模塊的通信。

2.1 信息采集終端的設(shè)計

住所安全內(nèi)容主要包括防盜、防有毒氣體泄露、防火災(zāi)等方面[3]。要實現(xiàn)對住所的布防，需要在信息采集終端上加入多種傳感器檢測住所環(huán)境的信息，在采集信息完成后模塊對數(shù)據(jù)進行A/D的轉(zhuǎn)換，在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)下把數(shù)據(jù)傳送到ZigBee協(xié)調(diào)器再作進一步的處理。各傳感器節(jié)點每隔一個設(shè)定的時間就會自動對環(huán)境信息進行采集，當(dāng)發(fā)現(xiàn)了采集到的數(shù)據(jù)超過了預(yù)先設(shè)計好的閥值，系統(tǒng)會進行報警和處理，住戶無論身處何地都能隨時通過移動終端接收短信及時了解住宅情況，并對發(fā)生的異常情況進行處理[4]。

信息采集終端主要收集燃氣、煙霧、人員進出和溫濕度等信息，該終端節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)由電源模塊、傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊四部分組成[5]，如圖2所示。

圖2 終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)使用到溫濕度傳感器[6]、紅外熱釋傳感器、光敏傳感器和煙霧傳感器[7]等模塊，每個傳感器模塊都組成一個信息采集的終端節(jié)點，對住宅信息進行采集，通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送采集到的信息。表1給出了各個傳感器的型號和參數(shù)等信息。

表1 系統(tǒng)中各傳感器的型號和參數(shù)

2.2 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)設(shè)計無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)物與物之間的相連，傳感器采集數(shù)據(jù)能夠無線傳輸，構(gòu)成一個住宅的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。無線傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊的設(shè)計采用德州儀器（TI）公司的一款高性能、低功耗、抗干擾性強、高靈敏度的無線接收芯片CC2530，該芯片是用于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案[8]，工作頻段為2.4 GHz，結(jié)合了RF前端和內(nèi)存，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，工作電壓為2～3.6 V，具有工作、中斷和睡眠的3種工作模式，降低整個系統(tǒng)功率的消耗。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有星型、樹型和網(wǎng)狀型 3種拓撲結(jié)構(gòu)[9-10]，如圖3所示。本系統(tǒng)中ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊使用星型的拓撲結(jié)構(gòu)將住所內(nèi)各個傳感器組建成一個無線網(wǎng)絡(luò)[11]，無線通信模塊通過SPI總線與ARM處理器進行通信，ARM處理器接收到相關(guān)的控制信息和命令后把控制信息發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器處理，最終把指令發(fā)送到信息采集終端上，同時，ZigBee各個傳感器子節(jié)點把數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器，再與處理器實現(xiàn)通信接收其發(fā)送的控制命令。

圖3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

2.3 遠程控制終端

系統(tǒng)通過信息采集終端和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)把住宅中安裝的傳感器模塊采集的信息發(fā)送到ARM處理器，接著處理器對采集信息進行分析并將異常情況以短信的形式通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠程住戶的手機中，讓住戶能夠隨時隨地獲取住宅中的安全情況。

2.3.1 處理器模塊的設(shè)計

住宅安全數(shù)據(jù)信息的處理是系統(tǒng)的核心部分，采用ST公司資源豐富、低功耗、處理速度快的ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位STM32F103作為系統(tǒng)采集信息的處理器[12]，其最高工作頻率達72 MHz，內(nèi)置512 K字節(jié)的閃存，更有112個快速多功能I/O口，3個12位模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器和2通道12位數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)化器，工作在2～3.6 V，該處理器設(shè)有3種工作模式，分別為喚醒、睡眠和停機，不僅保證了系統(tǒng)的正常工作還滿足了系統(tǒng)低功耗的要求。

2.3.2 住戶遠程接收信息的設(shè)計

系統(tǒng)對住宅安全狀態(tài)判斷完成后，若發(fā)現(xiàn)異常的情況，需要告知住戶，由于住戶的流動性較大，要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠程的通信，所以設(shè)計采用GSM網(wǎng)絡(luò)通過發(fā)送SMS短信的方式與住戶通信，能夠快速告知用戶。

短信發(fā)送模塊采用的是SIMCOM公司的一款 GSM/ GPRS芯片SIM900A，該芯片具備省電技術(shù)，而且數(shù)據(jù)下行傳輸速率可高達85 kbps，其體積足夠小適合用于各種應(yīng)用的尺寸要求，而且芯片內(nèi)部嵌入了TCP/IP協(xié)議，使用AT指令實現(xiàn)TCP連接，還能向指定手機發(fā)送短信[13]。SIM900A芯片的串口連線圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分主要是對無線傳輸網(wǎng)絡(luò)和短信發(fā)送模塊實現(xiàn)的，程序使用C語言編寫，增加程序的可讀性，對于無線傳輸網(wǎng)絡(luò)主要是對ZigBee協(xié)調(diào)器進行設(shè)計，而短信發(fā)送模塊則通過簡單的連接使模塊正常工作。

圖4 SIM900A芯片的串口連線圖

3.1 ZigBee協(xié)調(diào)器的設(shè)計

采用ZigBee無線自組網(wǎng)實現(xiàn)通信，把住所中的傳感器聯(lián)系成星型網(wǎng)絡(luò)。ZigBee組網(wǎng)由ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端三大部分組成[14]。而這3個部份的分別以有線或無線方式相互聯(lián)系，同時又相互獨立，整個系統(tǒng)運行時各個部件間通過程序?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)的工作。

給系統(tǒng)上電后，ZigBee協(xié)調(diào)器會自動初始化并組建網(wǎng)絡(luò)，建網(wǎng)成功后接受ZigBee終端部分的進網(wǎng)請求，同時對串口進行監(jiān)聽，ZigBee協(xié)調(diào)器一直處于工作狀態(tài)，如果接收到串口傳送的命令則向?qū)?yīng)節(jié)點發(fā)送該命令；如果節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，協(xié)調(diào)器會將全部節(jié)點數(shù)據(jù)進行融合后發(fā)送出去[15]。其程序設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 ZigBee協(xié)調(diào)器程序設(shè)計流程圖

3.2 短信發(fā)送模塊的設(shè)計

住戶與住所的通信使用移動終端實現(xiàn)，通過GSM模塊實現(xiàn)警報信息的發(fā)送和控制命令的接收[8]。

GSM模塊采用的SIM900A芯片通過串口的方式與處理器實現(xiàn)通信，短信發(fā)送采用PDU格式并使用AT命令設(shè)置短信的收發(fā)，程序如下：

4 系統(tǒng)的測試結(jié)果

在整體的硬件模塊連接好后，給系統(tǒng)上電后開始調(diào)試操作。首先對系統(tǒng)各傳感器進行測試，觀察其信息采集的正確性，然后再測試ZigBee網(wǎng)絡(luò)的連通性，最后對系統(tǒng)各模塊實現(xiàn)聯(lián)合調(diào)試，模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的異常情況，向手機終端發(fā)送報警短信，在手機端接收到的報警短信界面如圖6所示。實驗表明，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的住宅安全監(jiān)控系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)對異常信息的及時報警，并且能夠?qū)ο到y(tǒng)進行遠程控制的管理，短信發(fā)送的延時平均在5s的時間以內(nèi)，收到的短信內(nèi)容為預(yù)先設(shè)定的相應(yīng)報警內(nèi)容，系統(tǒng)各功能模塊能夠正常運作，滿足了系統(tǒng)對住宅安全信息的遠程無線監(jiān)控和住戶對住宅異常信息的實時處理，其移植性較高，能夠為智能家居系統(tǒng)提供良好的安防子系統(tǒng)的支持。

5 結(jié)束語

文中介紹的遠程住宅安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，結(jié)合ARM的高性能處理器和GSM網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了防盜、防火、防氣體泄漏、異常警報等功能，同時詳細介紹了系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分的設(shè)計，住戶能夠不受時間和空間的限制就能按照自己的需求對住宅環(huán)境進行監(jiān)控，確保了住宅的安全，通過對系統(tǒng)進行測試，結(jié)果表明系統(tǒng)滿足住宅安全的遠程監(jiān)控要求，整體設(shè)計成本低、無需布線、運行可靠性和穩(wěn)定性高、維護簡易，采用低功耗的模塊使得系統(tǒng)工作時間更長，為住宅等場所實現(xiàn)智能化的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)同時為智能家居安防子系統(tǒng)的設(shè)計提供一種簡易、科學(xué)、可靠的參考方案。

圖6 火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到火源后系統(tǒng)發(fā)送警報短信

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Design of remote wireless residence security system based on the Internet of Things

CHEN Jin-huang
（Xinhua College of Sun Yat-sen University，Guangzhou 510520，China）

To implement real-time remote monitoring the safety of residence environment，this paper presents an application in collecting residence security information by using Internet of tings technology.The environment information of residence is acquiring by ZigBee wireless network，this system using ARM processor is responsible for data processing and corresponding，also be able to send the real-time residence information to householder via GSM network and dispose the abnormal condition in time，guarantee the safety of the residence.Test results show that the system can achieve residence information acquiring and telecommunication，the design is low cost，good stability and good extensibility.

Internet of Things；ZigBee；remote control；GSM；security

TN919

A

1674－6236（2016）24-0190-04

2015-12-18 稿件編號：201512195

實驗教學(xué)示范中心研究規(guī)劃課題（2013S002）

陳錦煌（1988—），男，廣東潮州人，碩士研究生，助理工程師。研究方向：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。