基于數(shù)據(jù)融合的家庭遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研究

苗喚舟++唐旺++龐允建++王朗

摘 要

本文提出一種基于視頻和安防數(shù)據(jù)的家庭遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由無線傳感器與嵌入式報(bào)警終端連接，報(bào)警終端通過GPRS與后臺服務(wù)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息交互。同時(shí)手機(jī)用戶利用開發(fā)的APP軟件與遠(yuǎn)程服務(wù)器相連，完成家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。通過這種基于數(shù)據(jù)融合的遠(yuǎn)程家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，滿足了家中特殊人群的健康關(guān)注和安防需求。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)融合 無線傳感 遠(yuǎn)程監(jiān)控

智慧家居是一個(gè)典型的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems， CPS），來自學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的許多國際著名專家學(xué)者已經(jīng)指出，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將改變?nèi)伺c自然交互的方式，就像Internet 改變了人與人交流、溝通的方式一樣。本文介紹了一種基于數(shù)據(jù)融合的家庭遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，它通過安裝在家中的無線傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測家中情況，如有意外發(fā)生，傳感器會(huì)發(fā)出信號，傳遞到嵌入式系統(tǒng)，再通過GPRS信息傳遞系統(tǒng)將報(bào)警信息及時(shí)傳遞到用戶手機(jī)或電腦上，實(shí)現(xiàn)了信息的及時(shí)反饋。本文首先介紹了該系統(tǒng)的主要架構(gòu)，然后具體介紹了實(shí)現(xiàn)架構(gòu)的各模塊的主要設(shè)計(jì)，最后給出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)分析

1.1 需求分析

從安防角度來講，智能家居安防系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)家居安防的報(bào)警點(diǎn)的等級布防，并采用邏輯判斷，避免系統(tǒng)誤報(bào)警；可采用手機(jī)或者平板電腦對系統(tǒng)進(jìn)行布防、撤防，一旦發(fā)生報(bào)警，系統(tǒng)自動(dòng)確認(rèn)報(bào)警信息、狀態(tài)及位置，而且報(bào)警時(shí)能夠自動(dòng)強(qiáng)制占線。本系統(tǒng)基于以下的主要需求展開研究：

1.1.1 報(bào)警及聯(lián)動(dòng)需求

通過安裝門磁、窗磁，防止非法入侵，主人可通過安裝在住戶室內(nèi)的報(bào)警控制器，在手機(jī)上得到信號從而快速接警處理。同時(shí)，報(bào)警聯(lián)動(dòng)控制可在室內(nèi)發(fā)生報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)向外發(fā)出報(bào)警信息的同時(shí)，可自動(dòng)打開室內(nèi)的照明燈光、啟動(dòng)警號等。

1.1.2 緊急求助需求

安裝在室內(nèi)的報(bào)警控制器具有緊急呼叫功能，小區(qū)管理中心可對住戶的緊急求助信號做出回應(yīng)和救助。

1.1.3 報(bào)警管理顯示需求

住戶離開家時(shí)，設(shè)防進(jìn)入離家模式即防盜報(bào)警狀態(tài)，為有效防止非法入侵，用戶的手機(jī)可實(shí)時(shí)接收報(bào)警信號，自動(dòng)顯示報(bào)警類型，并自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)信息存檔。

1.1.4 設(shè)/撤防聯(lián)動(dòng)控制需求

主人外出前啟動(dòng)安全防范系統(tǒng)的同時(shí)，系統(tǒng)可以聯(lián)動(dòng)切斷某些家用電器的電源，例如：關(guān)掉所有的燈光，切斷電熨斗、電水壺、電視機(jī)等家用電器的插座電源等；主人回家時(shí)可調(diào)整為正常，進(jìn)入在家撤防模式，部分照明燈自動(dòng)打開，門磁和窗磁離線，而室內(nèi)煙感探測器和廚房的可燃?xì)怏w探測器仍在報(bào)警模式。

當(dāng)然，家庭智能安防系統(tǒng)是智能化住宅小區(qū)的重要組成部分，通過小區(qū)與家庭安防系統(tǒng)對小區(qū)及家居重點(diǎn)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控、層層設(shè)防，可讓小區(qū)居民生活在無形防盜網(wǎng)之中，先進(jìn)的人性化防范，也讓智能住宅小區(qū)具備了立體化、全方位的安全保障。

1.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由無線傳感器，嵌入式系統(tǒng)，GPRS信息傳遞系統(tǒng)，互聯(lián)網(wǎng)信息收集系統(tǒng)五個(gè)主要部分組成。前端的無線傳感器可分為無線煙霧傳感器，無線煤氣探測器，無線紅外傳感器，無線紅外對射等。若有人非法入侵或有意外發(fā)生等，無線傳感器便會(huì)立刻將報(bào)警信號傳遞到嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)通過GPRS將信息通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞到警情應(yīng)用管理服務(wù)器上，同時(shí)能傳遞至用戶的手機(jī)或電腦上，手機(jī)軟件和電腦瀏覽器會(huì)記錄下這些信息，以備查閱，如圖1所示。

2 系統(tǒng)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)由硬件與軟件兩大模塊實(shí)現(xiàn)，硬件模塊中由傳感器模塊，主控模塊，通信模塊三個(gè)主要部分組成，具體運(yùn)行流程如圖2所示。

2.1 硬件部分的實(shí)現(xiàn)

2.1.1 傳感器模塊

傳感器模塊由ZigBee模塊來實(shí)現(xiàn)，ZigBee模塊采用CC2530芯片，它是德州儀器生產(chǎn)的、基于2.4 GHz無線發(fā)射與接收器，內(nèi)部包括數(shù)據(jù)的篩選以及地址的識別功能，同時(shí)內(nèi)部集成了8051的CPU核。在ZigBee的節(jié)點(diǎn)模塊中，配置了MQ-2系列的可燃?xì)怏w及煙霧傳感器模塊（檢測可燃?xì)怏w的濃度）、人體紅外感應(yīng)模塊（感應(yīng)到人體活動(dòng)）、電磁繼電器（通過接入電器的零線和火線至繼電器的常閉端以及公共端來控制電器設(shè)備）、DS18B20溫度傳感器（檢測溫度值）以及光敏傳感器（檢測光照值）。而ZigBee的網(wǎng)關(guān)模塊主要接收節(jié)點(diǎn)的傳感信息，并通過串口將收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給主控設(shè)備。

2.1.2 主控模塊

ARM主控模塊采用S3C2440A控制器，S3C2440A是韓國三星公司推出的16/32位RISC微控制器，其CPU采用的是ARM920T內(nèi)核。ARM內(nèi)核對傳送的數(shù)據(jù)接收處理，如圖3所示。

2.1.3 通信模組

該通信模組使用SIM300為主芯片，以無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)GPRS實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)和語音數(shù)據(jù)的傳輸。同時(shí)，模組在網(wǎng)絡(luò)傳輸層具備TCP/IP協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信。模組具有標(biāo)準(zhǔn)的通信串行接口UART，可與主芯片及其他任何具有標(biāo)準(zhǔn)UART串口的控制器實(shí)現(xiàn)連接通信。該模組具備的特性如下：

（1）兼容GSM Phase 2/2+制式，并支持三種主流頻段DCS1800M、PCS1900ME、GSM900M。

（2）可提供PPP連接并集成PAP協(xié)議。

（3）具備TCP/IP協(xié)議棧，可實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)通信功能。

（4）支持PBCCH（包交換廣播控制通道）。

（5）滿足USSD（無限制的輔助服務(wù)數(shù)據(jù)）支持。GPRS模組使用標(biāo)準(zhǔn)串口與主控制器進(jìn)行通訊。模組帶有一個(gè)10針的接口，該接口可以直接和MCU相連接。或者用戶可以通過模組上的RS232接口和PC機(jī)直接相連接使用。GPRS模組需通過J4的電源開關(guān)信號（PWRKEY）輸入引腳向GPRS模組輸入上電時(shí)序GPRS才能被啟動(dòng)，啟動(dòng)后GPRS的信號指示燈會(huì)閃爍。也可以手 動(dòng)按下GPRS模組上的ON/OFF按鍵，大約2秒之后松開，GPRS模組亦可以被啟動(dòng)。GPRS模組啟動(dòng)之后，即可通過UART接口發(fā)送AT指令來控制語音或數(shù)據(jù)收發(fā)。

2.2 軟件部分實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)工作量主要集中在Android客戶端、硬件系統(tǒng)中的主控模塊以及無線通信節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)ZigBee等模塊的數(shù)據(jù)傳輸管理和控制實(shí)現(xiàn)。軟件模塊采用Linux的程序編寫，它是一套 Unix-like 的操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多用戶并發(fā)請求處理，它控制整個(gè)系統(tǒng)基本服務(wù)的核心程序 （kernel）。移動(dòng)客戶端采用Android用于定制開發(fā)，開源豐富，如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該系統(tǒng)具有模式切換的功能。當(dāng)家中無人時(shí)，可利用客戶端將手機(jī)置于“absence”狀態(tài)。此時(shí)，該系統(tǒng)的安防設(shè)備傳感器（如門磁、窗磁、紅外感應(yīng)探測器等防盜傳感器）均處于工作狀態(tài)，有人闖入，即時(shí)觸發(fā)傳感器，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，并自動(dòng)上傳報(bào)警信息給移動(dòng)客戶端。當(dāng)家中有人，客戶端顯示為“present”狀態(tài)，智能網(wǎng)關(guān)自動(dòng)關(guān)閉安防傳感設(shè)備，并打開煤氣、煙霧、火災(zāi)等預(yù)警裝置。該模式切換功能可以保證對家中實(shí)現(xiàn)全天候的監(jiān)控，數(shù)據(jù)無縫傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器，并實(shí)時(shí)顯示到手機(jī)終端。系統(tǒng)功能展示如圖5所示。

（a）求助中心面板。求助中心可以一鍵報(bào)警，也可以發(fā)送圖文報(bào)警和語音報(bào)警，并把報(bào)警信息顯示出來。

（b）撤布防控制面板?？娠@示各監(jiān)控地點(diǎn)的信息與監(jiān)控地的地理位置，提供遠(yuǎn)程對主機(jī)的撤防、布防工作。

（c）視頻播放面板。能夠?qū)崟r(shí)查看各時(shí)段的監(jiān)控畫面，并以2x速度4x速度8x速度播放視頻。

（d）公共信息面板。以瀑布流的形式來展現(xiàn)云平臺中發(fā)布的視頻信息，用戶也可以自行搜索相關(guān)信息。列表中每一個(gè)項(xiàng)都是圖文形式的，帶視頻截圖和文字描述信息。

（e）消息面板。消息列表具有報(bào)警消息，系統(tǒng)消息，用戶消息，商業(yè)消息。

（f）個(gè)人中心面板。個(gè)人中心用來導(dǎo)航到個(gè)人信息設(shè)置，客戶端系統(tǒng)設(shè)置，賬戶設(shè)置等面板。

4 結(jié)論

該智慧家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過安置在家中的無線傳感器與報(bào)警主機(jī)，可將報(bào)警信息通過無線報(bào)警模塊傳遞到用戶的手機(jī)或電腦上，同時(shí)通過GPRS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞與地理位置的顯示。該系統(tǒng)能夠解決家庭中特殊人群的健康關(guān)注和安全防范的問題，今后將隨著各傳感器的更新?lián)Q代，控制系統(tǒng)成本，得到更多的市場認(rèn)同。

（通訊作者：王朗）

參考文獻(xiàn)

[1]胡文山，周洪.智能家居控制系統(tǒng)[J].中國電力出版社，2006.

[2]朱望純，龐少東，董修遠(yuǎn).基于多傳感器的遠(yuǎn)程家庭老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].桂林電子科技大學(xué)，2014.

[3]韓秀峰等.智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

[4]Kirk Zurell[M].C Programing For Embedded Systems

[5]楊海清，周安棟，羅勇，陳牧.嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信中的LCD顯示設(shè)計(jì)方法[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2010（02）.

[6]羅時(shí)飛.精通Spring2.0[M].北京：北京電子工業(yè)出版社，2007.

[7]王倩等.基于C/S結(jié)構(gòu)的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫研究與設(shè)計(jì)[D].長春：東北大學(xué)，2008.

[8]P Perez，J Vermaak，A Blake.Data fusion for visual tracking with particles[J].2010.

[9]J Bleiholder，F(xiàn) Naumann.Data fusion[J].Acm Computing Surveys，2008

[10]D Burns，A Mei，M Scott.Systems and methods for remote monitoring of contaminants in fluids[J].US，2011.

作者簡介

王朗（1980-），男，現(xiàn)為浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)闊o線傳感網(wǎng)絡(luò)。

作者單位

浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院 浙江省寧波市 315100