基于智能物聯(lián)網(wǎng)的家庭安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

張超

摘 要：文章結(jié)合藍(lán)牙低功耗模塊的低功耗性、WiFi的通用性、云平臺(tái)豐富的擴(kuò)展性等特點(diǎn)，提出了一種基于BLE和WiFi的家庭物聯(lián)網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，用戶可以在手機(jī)、平板等智能設(shè)備上，使用相應(yīng)的APP或統(tǒng)一的微信公眾號(hào)，實(shí)時(shí)查看家中安全狀況并可以檢測(cè)老人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)從而在老人跌倒時(shí)向用戶發(fā)出提示信息；此外用戶還可以控制一些節(jié)點(diǎn)模塊，從而控制和該節(jié)點(diǎn)相連接的家中設(shè)備，為居民提供更加便利的生活。

關(guān)鍵詞：安全監(jiān)測(cè)；物聯(lián)網(wǎng)；藍(lán)牙低功耗；WiFi；云平臺(tái)；遠(yuǎn)程控制；實(shí)時(shí)查看

文章利用目前較為成熟的物聯(lián)網(wǎng)體系，設(shè)計(jì)了一套基于各個(gè)藍(lán)牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）模塊和WiFi的物聯(lián)網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的目的是讓用戶能實(shí)時(shí)獲知家中的安全狀況（如門(mén)窗的開(kāi)關(guān)，老人是否發(fā)生意外，家中的環(huán)境等）并可以遠(yuǎn)程控制家中設(shè)備，利用物聯(lián)網(wǎng)云端強(qiáng)大的計(jì)算能力，為用戶提供了一種方便、人性化的操作界面。用戶在該界面中可以自由定制一些帶觸發(fā)條件的動(dòng)作，當(dāng)滿足條件時(shí)觸發(fā)該動(dòng)作，從而方便用戶操作，為用戶提供一種更加安全、舒適的居住環(huán)境。

1 系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，A節(jié)點(diǎn)是一個(gè)BLE接收和WiFi轉(zhuǎn)發(fā)模塊，需要接入家中的無(wú)線路由器，用于接收BLE子模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)并與云端進(jìn)行通訊；B，C，D，E，F(xiàn)是BLE監(jiān)測(cè)模塊，配合不同的傳感器可以實(shí)現(xiàn)不同的功能：B，C，D，E用于門(mén)窗防盜，室內(nèi)紅外感應(yīng)功能，用戶通過(guò)客戶端可以隨時(shí)了解這些節(jié)點(diǎn)附近環(huán)境的安全狀況；F節(jié)點(diǎn)用于老人、小孩的監(jiān)護(hù)功能，當(dāng)發(fā)生意外時(shí)會(huì)通知外出的用戶。用戶可以根據(jù)需求選配不同數(shù)量和不同功能的BLE監(jiān)測(cè)模塊。上述的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)也自帶遠(yuǎn)程控制功能，用戶使用配套的客戶端，可以控制與這些節(jié)點(diǎn)相連接的設(shè)備。安全監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)上傳，遠(yuǎn)程查看，遠(yuǎn)程控制構(gòu)成了本設(shè)計(jì)中的物聯(lián)網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最主要的功能。

1.1 設(shè)備綁定

如圖1所示，圖中所有的設(shè)備和APP在開(kāi)始工作之前需要先進(jìn)行設(shè)備配對(duì)綁定的工作主要過(guò)程分成BLE設(shè)備間的配對(duì)綁定過(guò)程和APP，云端及本地網(wǎng)關(guān)之間的帳號(hào)綁定過(guò)程。

1.1.1 本地設(shè)備的配對(duì)和綁定

圖1中數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)（B，D，C，E，作為Server節(jié)點(diǎn)）在上電之后首先要進(jìn)行與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（A，作為Client節(jié)點(diǎn)）進(jìn)行設(shè)備的配對(duì)和綁定操作才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸。另外一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)同時(shí)只能綁定到一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中，而網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)綁定多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)。對(duì)于已經(jīng)進(jìn)行過(guò)配對(duì)和綁定的設(shè)備，重新上電后不需要重新進(jìn)行此過(guò)程會(huì)自動(dòng)進(jìn)行重連操作。

1.1.2 云端，APP和本地網(wǎng)關(guān)的綁定

要完成這三者的綁定，首先需要在云端建立用戶數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)和用戶—設(shè)備交互數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶數(shù)據(jù)庫(kù)保存用戶信息以及APP綁定的信息；設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)存儲(chǔ)本地設(shè)備信息和其所采集的數(shù)據(jù)；用戶—設(shè)備交互數(shù)據(jù)庫(kù)則保存他們之間的關(guān)系。

APP進(jìn)行操作前要先進(jìn)行登錄操作，一個(gè)APP只能綁定到云端一個(gè)帳號(hào)上，一個(gè)帳號(hào)同時(shí)只能在一個(gè)設(shè)備上登錄，登錄后用戶可以添加設(shè)備操作，云端進(jìn)行處理，如果成功，則在云端用戶數(shù)據(jù)庫(kù)中則添加此用戶和該設(shè)備的交互關(guān)系到用戶-設(shè)備交互數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后用戶可以與該設(shè)備進(jìn)行交互。若要取消關(guān)注該設(shè)備則在刪除此項(xiàng)，云端對(duì)應(yīng)刪除兩者之間的關(guān)系項(xiàng)。另外用戶和設(shè)備之間是多對(duì)多的綁定關(guān)系。

網(wǎng)關(guān)設(shè)備收集到數(shù)據(jù)后會(huì)通過(guò)路由器發(fā)送到云端，云端判別數(shù)據(jù)歸屬，處理后存入對(duì)應(yīng)的設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)中。而APP在連接云端后，云端也需要判斷APP的用戶歸屬，再根據(jù)APP進(jìn)行的操作，從對(duì)應(yīng)的設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋或發(fā)送命令到本地網(wǎng)關(guān)。

1.2 數(shù)據(jù)采集

B，C，D，E，F(xiàn)，G節(jié)點(diǎn)是采用CC2650芯片的監(jiān)測(cè)模塊，該模塊主要包含若干傳感器、電池、CC2650芯片。該模塊可以采集傳感器的信息，并將該信息通過(guò)BLE模式發(fā)送到具有數(shù)據(jù)上傳功能的A節(jié)點(diǎn)中。由于采用了BLE和經(jīng)過(guò)優(yōu)化的低功耗微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）睡眠模式，并且將部分?jǐn)?shù)據(jù)處理和解析工作轉(zhuǎn)移到物聯(lián)網(wǎng)云端，因此采用電池供電時(shí)，CC2650檢測(cè)模塊具有極長(zhǎng)的使用時(shí)間，用戶無(wú)需頻繁更換電池。該模塊配合不同的傳感器后可以起到門(mén)窗防盜、老人兒童監(jiān)護(hù)、室內(nèi)紅外感應(yīng)燈作用。

1.3 數(shù)據(jù)接收和上傳

A節(jié)點(diǎn)起到數(shù)據(jù)接收和上傳功能，它可以與家中若干個(gè)CC2650檢測(cè)器件進(jìn)行配對(duì)，配對(duì)成功后，該節(jié)點(diǎn)可以接受每個(gè)CC2650檢測(cè)模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并整合接收到的數(shù)據(jù)，隨后利用節(jié)點(diǎn)中的WiFi模塊，接入家中路由器，將數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)云端中。

1.4 遠(yuǎn)程查看

用戶只需在智能設(shè)備中使用配套的APP應(yīng)用，并根據(jù)提示綁定家中設(shè)備，配置家中設(shè)備使其聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)后就可以在有網(wǎng)絡(luò)的情況下，隨時(shí)隨地查看家中情況。用戶還可以定制云端的信息推送功能，按需推送家中的安全信息，防止遺漏某些重要信息。

1.5 遠(yuǎn)程控制

本設(shè)計(jì)允許用戶通過(guò)APP，隨時(shí)隨地控制系統(tǒng)中處于在線狀態(tài)的一些模塊和節(jié)點(diǎn)，配合家中已有的一些智能/非智能設(shè)備，可以大大方便用戶的日常生活。遠(yuǎn)程控制功能可以將一些本地設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)化，提升用戶的使用體驗(yàn)，這增強(qiáng)了系統(tǒng)的使用范圍和應(yīng)用場(chǎng)景。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中所涉及的各種物聯(lián)網(wǎng)核心控制、外圍感知組件、機(jī)械控制等以及他們之間的聯(lián)系如圖2所示。

圖2描述了本設(shè)計(jì)中要使用的各個(gè)硬件，并描述了它們之間的關(guān)系。

2.1 CC2650

CC2650是一個(gè)集成了Bluetooth Smart，ZigBee，6LoWPAN和ZigBee RF4CE遠(yuǎn)程控制應(yīng)用的無(wú)線MCU設(shè)備。該傳感處理器能在系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式時(shí)，獨(dú)立完成外部傳感器收集的模擬或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的處理。endprint

2.2 CC3200

CC3200是業(yè)界首款內(nèi)置WiFi連接的單片機(jī)。為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的SimpleLink CC3200設(shè)備是一個(gè)集成了高性能ARM Cortex-M4芯片的無(wú)線單片機(jī)，允許用戶在單個(gè)集成電路上開(kāi)發(fā)完整的應(yīng)用。

2.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器

系統(tǒng)中使用的各種傳感器來(lái)檢測(cè)環(huán)境和收集各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。配合不同的傳感器，各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。

2.3.1 霍爾傳感器

本設(shè)計(jì)使用霍爾傳感器作為門(mén)窗安全狀態(tài)的檢測(cè)傳感器。利用該傳感器可以檢測(cè)門(mén)窗的開(kāi)合狀態(tài)。

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器。其精度高、線性度好；霍爾開(kāi)關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)μm級(jí)）。取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)-55 ℃～150 ℃。

2.3.2 紅外傳感器

采用紅外傳感器作為室內(nèi)紅外感應(yīng)模塊的傳感器。這種傳感器無(wú)需紅外線發(fā)射源且靈敏度高、控制范圍大、隱蔽性好。因此在安防領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

2.3.3 加速度傳感器

加速度傳感器主要用作老人跌倒檢測(cè)，利用老人跌倒時(shí)加速度的變化結(jié)合一定的識(shí)別方式，就可以判斷出老人是否跌倒。加速度傳感器是一種能夠測(cè)量加速力的電子設(shè)備。主要感應(yīng)方式是對(duì)微小物理量的變化進(jìn)行測(cè)量，再通過(guò)電壓信號(hào)來(lái)表示這些變化量。

3 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖3所示，主要分為兩個(gè)部分：客戶端、服務(wù)端?？蛻舳税ㄊ謾C(jī)、平板電腦和PC端，用戶通過(guò)客戶端查看家中安全狀況、遠(yuǎn)程控制某些模塊。服務(wù)端主要由兩個(gè)部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集部分、云端數(shù)據(jù)處理部分。數(shù)據(jù)采集部分負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至云端；云端部分負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的保存和處理，使客戶端與家中設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程溝通的橋梁。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)通過(guò)搭配不同的傳感器，各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不同的功能，用戶按照需求在合適的位置放置各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。各個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)配對(duì)后便可以將數(shù)據(jù)通過(guò)BLE發(fā)送到數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)中，隨后數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)再通過(guò)WiFi連接家中路由器，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)中。數(shù)據(jù)采集模塊如圖4所示。

3.2 數(shù)據(jù)處理及交互模塊

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及交互流程如圖5所示。

云平臺(tái)存儲(chǔ)家中設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)，如果有多個(gè)用戶使用該產(chǎn)品，那么就會(huì)保存分屬于不同用戶的多個(gè)設(shè)備所上傳的信息，因此需要設(shè)備歸屬判斷機(jī)制，將不同用戶的設(shè)備區(qū)別開(kāi)來(lái)。通過(guò)設(shè)備歸屬判斷后，用戶與用戶之間完全隔離開(kāi)來(lái)，不會(huì)出現(xiàn)某個(gè)用戶家中設(shè)備檢測(cè)的信息反饋給另一個(gè)用戶這種現(xiàn)象。隨后，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)按照類型進(jìn)行判斷，最后在不同的處理模塊中處理這些數(shù)據(jù)，并將這些信息呈現(xiàn)給用戶。

3.3 設(shè)備運(yùn)行結(jié)構(gòu)

一個(gè)系統(tǒng)中可能會(huì)有一個(gè)或多個(gè)CC2650監(jiān)測(cè)模塊，配合不同種類的傳感器可以實(shí)現(xiàn)不同類型數(shù)據(jù)的采集。每個(gè)CC2650檢測(cè)器件都可以獨(dú)自采集與之相連的傳感器信息（例如，配合霍爾傳感器，就可以測(cè)量與門(mén)窗開(kāi)合程度相關(guān)的物理量）。當(dāng)與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收模塊配對(duì)后，每個(gè)CC2650監(jiān)測(cè)模塊都會(huì)通過(guò)BLE將數(shù)據(jù)發(fā)送到該接收節(jié)點(diǎn)中，該節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和整合后，利用節(jié)點(diǎn)中的WiFi模塊，通過(guò)家中的路由器，將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到物聯(lián)網(wǎng)云端上，最后，用戶可以利用客戶端隨時(shí)查詢家中情況，并根據(jù)需求控制某些模塊的動(dòng)作。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)分析

4.1 系統(tǒng)APP實(shí)現(xiàn)

移動(dòng)終端APP實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行如圖6所示。

4.2 功能測(cè)試

系統(tǒng)功能測(cè)試結(jié)果如下。

以一節(jié)紐扣電池500 mAh電量計(jì)算，（睡眠模式則以5 μA計(jì)算）。對(duì)于門(mén)磁傳感器（2 s檢測(cè)一次）：（500× 3 600×1 000）/（（4+6+6）×1.4+10）×2/3 600/24/365≈3.5年；對(duì)于溫度傳感器（2 s檢測(cè)一次）：（500×3 600×1 000）/（（1+6+6）×1.4+10）×2/3 600/24/365≈4.4年；對(duì)于紅外傳感器（持續(xù)檢測(cè)）：（500×3 600×1 000）/（6×1.4+10+ 2 000）×2/3 600/24≈20天；對(duì)于加速度傳感器（0.2 s檢測(cè)一次）：（500×3 600×1 000）/（6×1.4+10+150）×2/ 3 600/24≈247天。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)連接后功耗主要由4方面的消耗構(gòu)成：（1）需要發(fā)送信息到接收節(jié)點(diǎn)時(shí)（根據(jù)傳感器類型）；（2）接收節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)連接維持事件（2 s/次）；（3）傳感器的消耗（根據(jù)傳感器類型）；（4）低功耗模式耗電（幾個(gè)μA）。

4.3 與以往監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)比較

本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)還存在很多的不足和局限，但與以往的檢測(cè)系統(tǒng)相比較存在一定的優(yōu)勢(shì)。比較結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究提出并設(shè)計(jì)完成一種基于智能物聯(lián)網(wǎng)的家庭安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究，分別從系統(tǒng)系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件架構(gòu)和設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)分析等方面分析智能物理網(wǎng)在家庭安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。將無(wú)線單片微型計(jì)算機(jī)設(shè)備CC2650和CC3200以及數(shù)據(jù)云應(yīng)用于家庭智能安全監(jiān)測(cè)中實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗、智能化的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信。用戶可以實(shí)時(shí)獲知家中的環(huán)境安全狀況，并可以遠(yuǎn)程控制家中設(shè)備，利用物聯(lián)網(wǎng)云端強(qiáng)大的計(jì)算能力，為用戶提供了一種方便、人性化的操作界面。且用戶在該界面中可以自由定制一些帶觸發(fā)條件的動(dòng)作，當(dāng)滿足條件時(shí)觸發(fā)該動(dòng)作，從而方便用戶操作，為用戶提供一種更加安全、舒適的安全居住環(huán)境。

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