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(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳錦煌

（中山大學(xué)新華學(xué)院 廣東 廣州510520）

為了實(shí)現(xiàn)用戶能夠?qū)崟r(shí)遠(yuǎn)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(jìn)行信息采集的住所安防監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)ZigBee無(wú)線組網(wǎng)采集住所環(huán)境信息，使用ARM處理器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送，能夠把住所中的實(shí)時(shí)情況通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至用戶手機(jī)或者終端上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時(shí)對(duì)異常情況進(jìn)行處理，保障住所的安全性。測(cè)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(jìn)行遠(yuǎn)程通信，設(shè)計(jì)成本低，穩(wěn)定性好，具有良好的擴(kuò)展性。

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

隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)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(shí)現(xiàn)安防監(jiān)控，實(shí)時(shí)獲取異常警報(bào)信息并及時(shí)處理。物聯(lián)網(wǎng)是以感知為出發(fā)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)“物物相連”的一種創(chuàng)新技術(shù)[1]，結(jié)合無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信技術(shù)能夠把物件信息通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至用戶手上，構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)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(duì)住所環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，使用各類傳感器實(shí)時(shí)采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee無(wú)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(guò)程中，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閥值時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)通過(guò)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(shí)獲取住所安防情況并及時(shí)對(duì)異常情況做出處理，給住戶帶來(lái)安全的住所環(huán)境，保障人們的生命財(cái)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(jì)

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(yuǎn)程控制終端、無(wú)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(jì)有紅外探測(cè)器、溫度傳感器、氣體傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯饶K實(shí)時(shí)采集住宅中各種安全信息，通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)將信息傳送到ARM內(nèi)核的STM32處理器進(jìn)行分析和處理，檢測(cè)到異常情況即可通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)以短信方式告知住戶，及時(shí)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(jiǎn)便、數(shù)據(jù)傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)，各模塊之間實(shí)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(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程無(wú)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(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)備，各個(gè)傳感器采集到的信息通過(guò)處理器的處理后實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，使用ZigBee通信技術(shù)能更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各模塊的通信。

2.1 信息采集終端的設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)對(duì)住所的布防，需要在信息采集終端上加入多種傳感器檢測(cè)住所環(huán)境的信息，在采集信息完成后模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D的轉(zhuǎn)換，在ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下把數(shù)據(jù)傳送到ZigBee協(xié)調(diào)器再作進(jìn)一步的處理。各傳感器節(jié)點(diǎn)每隔一個(gè)設(shè)定的時(shí)間就會(huì)自動(dòng)對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行采集，當(dāng)發(fā)現(xiàn)了采集到的數(shù)據(jù)超過(guò)了預(yù)先設(shè)計(jì)好的閥值，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行報(bào)警和處理，住戶無(wú)論身處何地都能隨時(shí)通過(guò)移動(dòng)終端接收短信及時(shí)了解住宅情況，并對(duì)發(fā)生的異常情況進(jìn)行處理[4]。

信息采集終端主要收集燃?xì)狻熿F、人員進(jìn)出和溫濕度等信息，該終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)由電源模塊、傳感器模塊、處理器模塊和無(wú)線通信模塊四部分組成[5]，如圖2所示。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)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(gè)傳感器模塊都組成一個(gè)信息采集的終端節(jié)點(diǎn)，對(duì)住宅信息進(jìn)行采集，通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送采集到的信息。表1給出了各個(gè)傳感器的型號(hào)和參數(shù)等信息。

表1 系統(tǒng)中各傳感器的型號(hào)和參數(shù)

2.2 無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)物與物之間的相連，傳感器采集數(shù)據(jù)能夠無(wú)線傳輸，構(gòu)成一個(gè)住宅的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊的設(shè)計(jì)采用德州儀器（TI）公司的一款高性能、低功耗、抗干擾性強(qiáng)、高靈敏度的無(wú)線接收芯片CC2530，該芯片是用于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)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(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9-10]，如圖3所示。本系統(tǒng)中ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊使用星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將住所內(nèi)各個(gè)傳感器組建成一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[11]，無(wú)線通信模塊通過(guò)SPI總線與ARM處理器進(jìn)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(shí)，ZigBee各個(gè)傳感器子節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器，再與處理器實(shí)現(xiàn)通信接收其發(fā)送的控制命令。

圖3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 遠(yuǎn)程控制終端

系統(tǒng)通過(guò)信息采集終端和無(wú)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(duì)采集信息進(jìn)行分析并將異常情況以短信的形式通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程住戶的手機(jī)中，讓住戶能夠隨時(shí)隨地獲取住宅中的安全情況。

2.3.1 處理器模塊的設(shè)計(jì)

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(dá)72 MHz，內(nèi)置512 K字節(jié)的閃存，更有112個(gè)快速多功能I/O口，3個(gè)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(jī)，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(yuǎn)程接收信息的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)對(duì)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(dòng)性較大，要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程的通信，所以設(shè)計(jì)采用GSM網(wǎng)絡(luò)通過(guò)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(dá)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(shí)現(xiàn)TCP連接，還能向指定手機(jī)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(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要是對(duì)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)和短信發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)的，程序使用C語(yǔ)言編寫，增加程序的可讀性，對(duì)于無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，而短信發(fā)送模塊則通過(guò)簡(jiǎn)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(jì)

采用ZigBee無(wú)線自組網(wǎng)實(shí)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(gè)部份的分別以有線或無(wú)線方式相互聯(lián)系，同時(shí)又相互獨(dú)立，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各個(gè)部件間通過(guò)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(huì)自動(dòng)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(jìn)網(wǎng)請(qǐng)求，同時(shí)對(duì)串口進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，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(diǎn)發(fā)送該命令；如果節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，協(xié)調(diào)器會(huì)將全部節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后發(fā)送出去[15]。其程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 ZigBee協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)流程圖

3.2 短信發(fā)送模塊的設(shè)計(jì)

住戶與住所的通信使用移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)，通過(guò)GSM模塊實(shí)現(xiàn)警報(bào)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(guò)串口的方式與處理器實(shí)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(cè)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(duì)系統(tǒng)各傳感器進(jìn)行測(cè)試，觀察其信息采集的正確性，然后再測(cè)試ZigBee網(wǎng)絡(luò)的連通性，最后對(duì)系統(tǒng)各模塊實(shí)現(xiàn)聯(lián)合調(diào)試，模擬系統(tǒng)產(chǎn)生的異常情況，向手機(jī)終端發(fā)送報(bào)警短信，在手機(jī)端接收到的報(bào)警短信界面如圖6所示。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)異常信息的及時(shí)報(bào)警，并且能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的管理，短信發(fā)送的延時(shí)平均在5s的時(shí)間以內(nèi)，收到的短信內(nèi)容為預(yù)先設(shè)定的相應(yīng)報(bào)警內(nèi)容，系統(tǒng)各功能模塊能夠正常運(yùn)作，滿足了系統(tǒng)對(duì)住宅安全信息的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控和住戶對(duì)住宅異常信息的實(shí)時(shí)處理，其移植性較高，能夠?yàn)橹悄芗揖酉到y(tǒng)提供良好的安防子系統(tǒng)的支持。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹的遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)了防盜、防火、防氣體泄漏、異常警報(bào)等功能，同時(shí)詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分的設(shè)計(jì)，住戶能夠不受時(shí)間和空間的限制就能按照自己的需求對(duì)住宅環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，確保了住宅的安全，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明系統(tǒng)滿足住宅安全的遠(yuǎn)程監(jiān)控要求，整體設(shè)計(jì)成本低、無(wú)需布線、運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性高、維護(hù)簡(jiǎn)易，采用低功耗的模塊使得系統(tǒng)工作時(shí)間更長(zhǎng)，為住宅等場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)智能化的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)為智能家居安防子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一種簡(jiǎn)易、科學(xué)、可靠的參考方案。

圖6 火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到火源后系統(tǒng)發(fā)送警報(bào)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(hào)：201512195

實(shí)驗(yàn)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。