一種基于多場景的可移動式安防系統

周漢達 梁佳 陳廣明 李梓新 房嘉澤 蘇國濤

摘 要：為了滿足人們對室內安全越來越高的需求，以及解決市面現有安防產品的種種弊端，設計一種由ZigBee、WiFi網關、物聯網云平臺、微信平臺組成的可移動式安防系統。該系統設計了全新的設備安裝轉移機制與多級互助的安全反饋機制，更具便捷性與安全性。

關鍵詞：無線傳感技術;安防系統;ZigBee;WiFi網關;物聯網云平臺;微信平臺

中圖分類號：TP309文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-00-04

0 引 言

隨著我國改革開放的推進，人們的生活水平不斷提高，擁有更舒適、更安全的生活成為人們的追求，因此室內安全問題成為人們關注的熱點。然而，目前的安防系統僅以防止非法入侵或監(jiān)測火災為目的，主要采用有線技術進行聯網，不但需要施工布線，成本較高，而且安防模式也較為單一，不能同時兼顧火災與盜竊問題。另外，有線安防系統還存在線路老化、電磁干擾等增加系統誤報率的問題[1]。種種缺陷導致現有有線安防系統漸漸地不能滿足人們的需求。

隨著無線傳輸技術的蓬勃發(fā)展，陸續(xù)出現了各種無線通信協議標準，從無線廣域網到基于 IEEE 802.11 的無線局域網， 以及基于藍牙與ZigBee 的無線個域網，各類設備的互相連接不再局限于有線連接，無線技術的出現解決了有線安防的線路問題，大大增加了安防系統的便捷性、智能性。采用無線網絡的智能安防系統保證了信息的穩(wěn)定傳輸，免除了施工布線的繁瑣，移動端更能讓人時刻關注室內的安全狀況，但是智能安防系統同樣存在獨立設備不能同時兼顧火災與盜竊的問題。同時，智能安防系統雖然采用無線網絡，但由于設備構造等方面因素的影響，空間移動性與場景移動性較差，不能較好地轉移，移動端的反饋也常常因為移動設備不在身邊而錯過安防提醒，導致財產損失。

因此，本文提出一種可在學生宿舍、個人家庭、出租房等多個室內場景間快速安裝部署、轉移的便攜式智能安防系統，在現有無線智能安防系統的基礎上，采用更為靈活的設備設計，方便用戶將系統進行快速轉移，并且系統終端設備集成火災檢測與入侵檢測兩種功能，能夠解決其他安防系統終端設備安防功能單一的弊端。系統采用全新依托微信的安全反饋機制，使智能安防系統移動端通知被錯過的問題能夠很好地得到解決，變“自我保護”為“科技與相互保護”，變“固定安防”為“移動安防”，更加適應人們當今的安防需求。

1 系統總體框架

物聯網跟互聯網的層次結構不同， 從網絡架構上可將其分為三層：最基礎的是感知層， 即通過傳感技術隨時隨地獲取物體本身或周邊各種動態(tài)信息，這些構成了網絡傳遞的基礎數據;第二層是網絡層，即將感知層感知到的信息通過無線或有線網絡進行實時傳送，在技術上必須保證無縫互聯、可靠傳遞;第三層是應用層，通過中央處理器、網絡云計算等技術，對收到的各種實時數據進行處理，實現對物體的智能化管理與控制，真正達到人與物的溝通[2]。

系統依據經典的物聯網架構搭建，主要由感知層、網絡層、應用層三部分組成。

感知層：由安防子設備與安防主設備相結合的主從模式設備構造，兩者間利用2.4 GHz射頻技術進行通信，從模式設備構造更好的適應室內不同地點以及白夜不同的安防需求。

網絡層：采用WiFi技術與物聯網云平臺相連接，對ZigBee無線網絡傳送來的數據進行轉換并上傳至云平臺，云平臺實現數據管理、消息轉發(fā)，而獨立的數據庫服務器提供了數據存儲與挖掘分析，為設備的互聯互通與數據服務提供無限可能。

應用層：微信用戶端提供設備信息查詢顯示、故障提醒、安全情況報警與推送等實時服務，同理，利用微信強大社交能力的特點，構造多級互助模式下的安全反饋機制，大大降低人員反應不及時的安全漏洞。系統主要功能如圖1所示，其整體架構如圖2所示。

2 系統硬件模塊設計

2.1 安防子設備模塊

安防子設備包括核心主控板STM8S103F2P6最小電路、2.4 GHz發(fā)射模塊、按鍵模塊、獨立供電模塊、傳感器模塊及蜂鳴器報警模塊等，適用于門窗等地點，采用獨立充電設備進行供電，用戶可自行根據電量顯示燈進行操作。安防子設備硬件如圖3所示。

2.2 數據采集終端模塊

數據采集終端（安防主設備）包括CC2530最小電路、2.4 GHz接收模塊、蜂鳴器報警模塊、電源供電模塊、按鍵模塊及傳感器模塊等，均采用獨立充電設備進行供電，用戶可自行根據電量顯示燈進行操作。數據終端硬件如圖4所示。

3 系統流程設計

3.1 設備端設計

設備端軟件主要由安防主、從設備兩部分組成。安防主設備主要適用于室內無人狀況，子設備主要適用于夜晚熟睡時門窗的安防擴展。程序設計中，整個無線網絡采用樹狀的網絡拓撲結構，通過ZigBee技術將各安防主設備連接到網絡中。安防子設備通過2.4 GHz無線技術與安防主設備相關聯，形成最終的ZigBee+2.4 GHz安防傳感網絡，實時監(jiān)控室內的環(huán)境狀況。

ZigBee網絡主要基于德州儀器公司Z-Stack協議棧進行開發(fā)，Z-Stack協議棧引入了OSAL（操作系統抽象層）的概念[3]。OSAL通過輪循處理事件的機制形成簡單的多任務操作系統。當同時有多個任務需要處理器處理時，操作系統判斷事件優(yōu)先級，逐次解決[4-5]。多任務操作系統適合室內網絡任務與數據處理，為數據采集與傳輸提供較好的網絡支持。

安防主設備進行設備初始化后，發(fā)起網絡發(fā)現的相關操作，申請加入相應的無線網絡。入網成功后，設備被定時喚醒，采集相關環(huán)境數據，通過ZigBee網絡與網關進行信息交互、并進行數據傳輸、上報與存儲，便于日后數據分析等操作。繼而設備判斷是否觸發(fā)相應的報警模塊，流程結束后進入休眠狀態(tài)降低功耗。

安防子設備通過按鍵開啟，按下按鍵后，開啟傳感器模塊，對當前環(huán)境進行監(jiān)測。當有人員入侵時，開啟報警模塊，并將信息發(fā)送到主設備，由主設備進行報警信息的上報等操作。安防主設備與子設備程序流程如圖5所示。

3.2 數據主要流程

物聯網是一種由智能實體持續(xù)不斷產生數據、物體與物體之間互聯互通以及通過互聯網將數據進行傳輸的網絡范例[6]。數據是物聯網流動的血液，因此數據的流通與管理是物聯網系統架構中的重要環(huán)節(jié)。

本文系統采用成熟的ZigBee無線傳感技術采集各個傳感器的信息，再通過WiFi網關將信息數據上傳至相應的云平臺進行數據篩選分析，依據相應的規(guī)則邏輯進行消息轉發(fā)或轉儲到專門的數據庫服務器進行保存與后續(xù)操作。微信端可發(fā)送、接收云平臺的消息，且可直接與數據庫服務器通信進行相應的數據操作。數據流向如圖6所示。

3.3 移動端流程設計

本文系統移動端（微信小程序）處理流程如圖7所示。一方面從百度天氣端獲取當前地區(qū)相應的天氣信息，并將所在地天氣信息以天氣預報信息的方式顯示，以提醒用戶。另一方面，從云端獲取終端設備采集上報的室內環(huán)境數據信息，根據環(huán)境數據判斷是否需要直接顯示傳感器信息或根據用戶設置的安防等級進行報警信息的輸出，并在用戶未在第一時間做出反應的情況下自動采取多人互助模式。

4 系統的響應與報警機制

4.1 設備報警機制

安防子設備采用獨立自主供電設計，主要用于監(jiān)測用戶在室內熟睡時門窗的防盜報警。由用戶自行選擇放置地點，開啟設備后，傳感器對設備周圍情況進行監(jiān)測。當有人員經過時，延遲一定時間后開啟報警模塊，并將信息發(fā)送到主設備，如果一段時間內未解除警報，子設備將發(fā)送更高級安防響應，提升安防等級，啟用更高級響應策略。

安防主設備同樣采用獨立自主供電設計，主要用于用戶不在室內時室內火災、入侵等情況的監(jiān)測，由用戶自行選擇放置地點。主設備對室內溫度、煙霧、火焰、人員等環(huán)境因素進行采集比對，當采集數值超過設定值時，立即主動上報數據，延遲一定時間后開啟報警模塊，如果應用端一段時間內未解除警報，平臺端將采取更高級響應策略，觸發(fā)多級互助的響應機制，及時挽救用戶損失。

4.2 多級互助響應機制

市面上存在的大多數安防系統存在通知不及時的弊端，只有單一的手機用戶會接收到警報信息，很多情況下往往會錯過警報，造成不可挽回的損失。本文系統基于此弊端，利用微信平臺的社交屬性，打造多用戶互助的安全反饋機制。

當設備將警報數據上傳至云平臺后，通過消息轉發(fā)機制通知對應的微信用戶端，等待用戶解除警報響應。若一定時間內用戶未在微信端解除警報響應，則觸發(fā)更高一級響應策略，將警報信息通過云平臺轉發(fā)至其他地點相近的其他用戶，或者由用戶指定的備用用戶，由他們進行進一步確認，變“自我保護”為“科技與相互保護”，從而達到一種互相幫助、共同安防的模式。多級互助模式如圖8所示。

5 結 語

本文針對目前安防系統的不足，依托成熟的ZigBee無線網絡傳輸技術、WiFi技術、物聯網云平臺、數據庫服務器、微信小程序，設計一種可在多個建筑場景下自由遷移的便攜式安防系統。該系統可由用戶自行設置與拆卸，方便快捷，克服了施工人員上門布線安裝等弊端。主從模式安防設備的設計與實現更具靈活性，適用于多種安防場景。全新的微信安全反饋機制相較于其他安防系統更具安全性，更能保障用戶財產安全，具有較大的市場應用價值。

參 考 文 獻

[1]賀小艷.基于物聯網無線傳感的小區(qū)安防系統設計[J].電子測試，2018（7）：38-40.

[2]李園園，畢曉冬，張永勝，等.物聯網框架安全威脅及相應策略研究[J].計算機技術與發(fā)展，2011，21（12）：148-151.

[3]周海鴻，周嘉奉.基于ZigBee技術的溫濕度監(jiān)測系統[J].國外電子測量技術，2015（7）：75-79.

[4]奇華，李錚，劉軍.基于ZigBee的污水監(jiān)測系統節(jié)點軟件設計[J].國外電子測量技術，2014，33（12）：26-30.

[5]葛年明，周泉，沈春梅.基于STM32的物聯網開發(fā)應用系統設計[J].微型機與應用，2012，31（17）：80-83.

[6]史俊茹，黑敏星，楊軍.一種物聯網數據管理框架研究[J].計算機科學，2015，42（z1）：294-298.

[7]王菁藝，李斌勇，姚瑤.基于物聯網的家庭消防安全監(jiān)控系統[J].網絡安全技術與應用，2018（3）：100-101.

[8] JAHNAVI V S，AHAMED S F.Smart wireless sensor network for autonated greenhouse[J].IETE journal of research，2015（2）：180-185.

[9]劉敏，單志勇.基于ZigBee的小區(qū)無線安防系統設計[J].電子測量技術，2012（11）：28-31.

[10] WANG G W，LU S L.Smart home gateway based on ZigBee technology[J].International journal of plant engineering and management，2015，20（4）：240-249.