劉志云

(阜陽職業(yè)技術學院 工程科技學院，安徽 阜陽 236031)

0 引言

隨著電子技術、網(wǎng)絡技術的逐步成熟，人們生活水平的提高，防盜意識也逐漸增強，對防盜報警裝置已不滿足于本地報警的功能，產(chǎn)品的便捷化、網(wǎng)絡化、智能化成為消費者的追求.我們身邊的生活小區(qū)無一不標榜安防級別有多高，防盜門、防盜鎖的質量有多好，但總時不時出現(xiàn)有小偷入侵，錢財被盜的現(xiàn)象.究其原因，小偷大多是趁家里無人的時候入室的.以此看來，只要現(xiàn)場沒人，再高級的機械鎖都能被強行打開，再大的報警聲都沒人能聽到，前來處理，防盜設備也就形同虛設.本文將物聯(lián)網(wǎng)技術引入到防盜報警裝置中，把原本孤立的報警器與主人手機、110報警電話關連，在多個應用終端間搭建無線網(wǎng)絡，使主人和警察能在遠端隨時接收報警信號，達到遠程監(jiān)控、實時處理的目的，真正意義上提升安防效果.

1 擬解決的現(xiàn)實問題

1.1 GPS定位

防盜報警器內嵌的GPS模塊可定位當前位置，而且當小偷觸發(fā)報警時，此定位信息在自動向110報警時，通過網(wǎng)絡傳輸給警察，方便警察直達事發(fā)地.

1.2 遠程報警

當小偷觸碰到入戶門時，報警器內嵌的傳感器受到?jīng)_擊波的影響，觸發(fā)報警，報警器的優(yōu)點在于：除了報警器本身的蜂鳴器發(fā)出報警聲以外，還可以通過Lora通信編碼和ZigBee無線傳輸，以移動手機App為平臺，將報警信息發(fā)送到預先設置的緊急聯(lián)絡人手機上，從而將家里有小偷的信息傳送給不在家的主人；遠程報警的第二功能在于，同時啟動電話撥號系統(tǒng)，向預先設置的報警電話110發(fā)出撥號，并以語音的形式將GPS定位的位置信息告知給警察，實現(xiàn)自動報警.

1.3 錄像，保留小偷作案證據(jù)

小偷觸發(fā)報警器報警時，報警器內嵌的攝像頭開始現(xiàn)場錄像，并將錄像文件傳送到室內電腦保存，從而保留小偷作案證據(jù)，幫助警察破案.

2 物聯(lián)網(wǎng)防盜報警系統(tǒng)組網(wǎng)設計

2.1 組網(wǎng)方案選擇

本設計目標是在家庭入戶門上的報警器和主人手機之間建立無線網(wǎng)絡，家庭成員人數(shù)一般在10個以內，網(wǎng)絡規(guī)模10個節(jié)點[1]，無線傳輸只需將入戶門上報警器信息傳到室內路由器，距離在百米以內，再由路由器通過WiFi轉發(fā).通信數(shù)據(jù)量方面，只需發(fā)送報警信息，網(wǎng)絡通信流量不高，只有外力撞擊，需要報警時，網(wǎng)關設備才會喚醒終端手機App，傳輸一個報警信息，通信數(shù)據(jù)量不大，平時所有終端模塊處于休眠狀態(tài)[1].

根據(jù)以上分析，綜合該報警系統(tǒng)的功能特點和通信需求，參照ZigBee,Bluetooth,UWB,IrDA,homeRF幾種成熟的短距離無線通信技術的應用案例[1]，歸納總結各無線傳輸技術的特點，選定適合本防盜報警系統(tǒng)的組網(wǎng)方案.UWB (Ultra Wideband)技術信號傳輸速度快，高達1 Gbps，而該報警系統(tǒng)的通信量很小，造成流量浪費；Bluetooth技術的數(shù)據(jù)傳輸速度約達1 Mbps，傳輸距離最遠只能到10 m，傳輸距離太短；ZigBee技術數(shù)據(jù)傳輸速度最高250 kbps，剛好能滿足報警信息的傳輸又不造成流量浪費，點對點傳輸距離在10～75 m，且通過路由設備可無限擴充網(wǎng)絡，延長傳輸距離，同時擴充網(wǎng)絡容量.ZigBee無線傳輸頻率為2.4 GHz，調制電路簡單通用，ZigBee最大的優(yōu)勢是功耗低，省電，當沒有通信需求的時候，自動進入休眠省電狀態(tài)，一旦有通信需求，休眠的節(jié)點設備能在60 ms內被迅速喚醒，進入工作模式，收發(fā)數(shù)據(jù).鑒于數(shù)據(jù)流量、傳輸距離、網(wǎng)絡容量、傳輸頻帶，調制電路難度，功耗，延時、成本等方面分析比較，ZigBee無線傳輸技術更適合該防盜報警系統(tǒng)的網(wǎng)絡需求，在此選擇ZigBee技術組網(wǎng).ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示，該防盜報警系統(tǒng)網(wǎng)絡構建如圖2所示.

圖1 ZigBee拓撲結構圖圖2 智能防盜報警系統(tǒng)網(wǎng)絡構建圖

2.2 自組網(wǎng)網(wǎng)絡設備

自組網(wǎng)協(xié)議中，定義兩種設備：

1)節(jié)點設備

節(jié)點設備啟動時主動搜索與之匹配的網(wǎng)關設備，根據(jù)網(wǎng)絡編號識別，連接入網(wǎng).節(jié)點設備中安裝手機App，用于查詢報警器所在現(xiàn)場的狀態(tài).

2)網(wǎng)關設備(協(xié)調器)

網(wǎng)關設備負責進行網(wǎng)絡覆蓋.在廣播信道中發(fā)送報警信息，當壓電傳感器受到?jīng)_擊，需要對節(jié)點設備傳遞警示信息時，觸發(fā)點對點傳輸.通信建立后對綁定的手機發(fā)送報警信息.

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 硬件結構

物聯(lián)網(wǎng)報警器包括觸碰傳感器檢測模塊、超聲波傳感器模塊、GPS模塊、MCU處理器模塊STC15W408AS、Lora+ZigBee無線通信模塊SX1278/CC2530、Android手機App，其系統(tǒng)架構圖如圖3所示.

圖3 智能報警器系統(tǒng)架構圖

基于LoRa(SX1278)的433M無線通訊模塊.對MCU編寫其驅動程序，以及自組網(wǎng)協(xié)議程序.自組網(wǎng)協(xié)議中，定義兩種設備：①節(jié)點設備;②網(wǎng)關設備，

1)設備功能及實現(xiàn)

①節(jié)點設備：

節(jié)點設備啟動時，搜索事先設定的網(wǎng)絡編號與網(wǎng)關連接.當節(jié)點所連的網(wǎng)關上的壓電傳感器檢測到?jīng)_擊信號時，節(jié)點會立即發(fā)出報警音.

②網(wǎng)關設備：

當網(wǎng)關上的壓電傳感器受到?jīng)_擊時，通過后續(xù)兩種途徑向節(jié)點設備發(fā)出報警消息：

a)立即上傳到事先綁定的一個或多個手機終端上，從而讓手機用戶立刻得到報警信息.

b)如果用戶沒有開手機App，則通過服務器上的網(wǎng)絡電話或短信模塊，通知預先設定的用戶.

2) 硬件需求

①節(jié)點設備:MCU：AT89S52；通信部分：LoRa(SX1278)模塊.

②網(wǎng)關設備:MCU：STM32；通信部分：LoRa(SX1278)+ZigBee(CC2530)無線模塊、網(wǎng)口模塊、GPS模塊.當報警發(fā)生，實時轉發(fā)通信服務器，實現(xiàn)手機終端與網(wǎng)關的即時通信.

③服務器設備:

a)如果發(fā)生報警，通過實時轉發(fā)報警信息，實現(xiàn)手機終端與網(wǎng)關的即時通信.

b) 如果發(fā)生報警，并且手機App未開啟的前提下，通過服務器端的網(wǎng)絡電話模塊或短信模塊，實現(xiàn)對用戶的即時通知.

3.2 智能防盜報警器功能模塊

1)報警信息的采集

本報警器的觸發(fā)信號由壓電傳感器提供，當小偷觸碰到入戶門上報警器內嵌的壓電傳感器時，壓電傳感器因受到力的作用發(fā)生形變，產(chǎn)生壓電效應，從而觸發(fā)報警器上的蜂鳴器發(fā)聲報警，同時通過無線網(wǎng)絡傳輸，向主人手機報警.

2)GPS模塊

GPS模塊是集成了RF射頻芯片、基帶芯片和核心CPU，并加上相關外圍電路而組成的一個集成電路，本設計采用SIRF三代芯片組的GPS模塊.

3)蜂鳴報警器

當入侵檢測模塊的壓電傳感器發(fā)出觸發(fā)信號后，報警器上內嵌的蜂鳴器開始蜂鳴報警.

4)通信模塊

該智能防盜報警系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，將獨立的入戶門上的報警器與主人手機組成無線網(wǎng)絡，本設計選用TI公司生產(chǎn)的CC2530 ZigBee通信模塊，網(wǎng)關設備上CC2530芯片配合相應軟件程序，完成信號發(fā)射，網(wǎng)絡總控、喚醒節(jié)點的功能；節(jié)點設備上的CC2530芯片搭配相應軟件程序，接收網(wǎng)關設備發(fā)來的時間信息，傳輸過程遵循ZigBee通信協(xié)議.

本系統(tǒng)使用了高效能LoRa擴展芯片SX1278.VT-SX1278-433M無線模塊是基于SEMTECH的SX1278設計，支持FSK/OOK和LoRa調制模式，SX1278抗干擾能力強而且接收靈敏度很高.同時SX1278采用FEC前向糾錯算法大大增加了其糾錯能力，信息傳輸效率高.能夠主動地糾正被干擾的數(shù)據(jù)，進一步提高傳輸距離的同時保證了可靠性.

5) 中央處理器

中央處理器俗稱MCU，主要功能是協(xié)調整個時鐘控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡通信、電源監(jiān)控、計時監(jiān)控等模塊間的正常工作，實現(xiàn)通信同步.網(wǎng)關設備上的STM32處理器，兼具網(wǎng)絡監(jiān)聽，組網(wǎng)、信息傳輸?shù)瓤刂乒δ?

3.3 系統(tǒng)工作流程

網(wǎng)關設備通電后進入系統(tǒng)自檢，然后廣播發(fā)送自身的ID號，周圍的節(jié)點設備開機后搜索網(wǎng)關信息，當搜索到網(wǎng)關的ID號時發(fā)送連接請求，網(wǎng)關設備根據(jù)無線通信協(xié)議及網(wǎng)絡安全驗證，準許聯(lián)網(wǎng)，即網(wǎng)絡連接完成[4].

在沒有通信請求時，網(wǎng)絡處于休眠狀態(tài)，每個終端手機App(節(jié)點設備)處于休眠狀態(tài).當有人強行入侵時，網(wǎng)關設備和節(jié)點App開始通信，將網(wǎng)關設備上的報警信息發(fā)送給節(jié)點設備.首先，網(wǎng)關設備(入戶門上的報警器)向節(jié)點設備(手機App)發(fā)出通信請求，節(jié)點設備收到請求后立即被喚醒，進入工作模式，同時向網(wǎng)關發(fā)送應答信號，做好通信準備，然后，網(wǎng)關設備將報警信息傳送給節(jié)點設備，此時，節(jié)點設備收到網(wǎng)關設備傳來的報警信息開始播放報警鈴音.同理，觸發(fā)報警后，網(wǎng)關設備向110公共報警號發(fā)送報警信息.另外，網(wǎng)關設備將攝像頭錄像視頻傳輸?shù)绞覂却鎯ρb置，以備破案.

1)Android手機App平臺

由于當前手機市場Android系統(tǒng)更為普及，且Android是一個開源的平臺，更利于編程，本設計的軟件App選擇了Android平臺.智能防盜報警系統(tǒng)的應用人群廣泛，開發(fā)原則是簡單實用.App手機平臺作為智能防盜報警系統(tǒng)的一部分，自身的安全非常重要，我們對整個智能防盜報警系統(tǒng)的運作方式以程序設計的思維進行了細化，對代碼進行混淆和加密，杜絕了反編譯式的破解，同時對數(shù)據(jù)進行加密傳輸，防止盜取和截斷，保證了智能防盜報警系統(tǒng)自身App的安全可靠.在使用上加入設備綁定的功能，防止多設備的加入導致的安全隱患.

智能防盜報警系統(tǒng)移動應用端在左上角的設置中可以進行設備綁定、一鍵報警電話設置、GPS語音播報設置、應用端系統(tǒng)設置能功能.

用戶可以在App主界面查看系統(tǒng)運行的狀態(tài)，控制臺的下端加入設備綁定、一鍵報警、設備狀態(tài)和系統(tǒng)開關四個快捷開關，方便用戶快速易操作.

當智能防盜報警系統(tǒng)的入侵檢測模塊發(fā)現(xiàn)有入侵事件發(fā)生的時候會向用戶綁定的手機上推送通知.

用戶點擊推送過來的通知就可以對入侵行為進行一鍵報警或者在設置中解除警報的操作.

2)網(wǎng)關平臺

圖4 軟件流程圖

網(wǎng)關平臺用STM32嵌入式Linux操作系統(tǒng)，內核為ARM Cortex-M3，Linux系統(tǒng)的優(yōu)點是代碼結構鮮明，且完全對外開放，軟件設計員可根據(jù)自己需要適當引用源碼，Linux還具備完整工具鏈，可交叉運行，“arm-linux-gcc”交叉編譯器安裝在Linux服務器上，輕松編譯相關軟件，然后將交叉編譯生成的可執(zhí)行鏡像文件下載到STM32平臺上，C語言源程序就編譯成ARM9處理器的obj文件了[4].

網(wǎng)關設備上通過壓電傳感器采集有人想強力入侵的信息，以IAR集成開發(fā)環(huán)境為平臺，集成的ZigBee協(xié)議棧程序支持ZigBee無線傳感網(wǎng)，經(jīng)編譯生成嵌入式obj文件.根據(jù)設備在網(wǎng)絡中的功能差異，分別將網(wǎng)關設備按照協(xié)調器節(jié)點類型(COORD)編譯，節(jié)點設備按照路由器類型(TOUTER)編譯[4]，生成不同類型的exe文件，將exe文件分別燒寫到網(wǎng)關設備和節(jié)點設備的CC2530芯片中.從而，形成了網(wǎng)關、節(jié)點兩種不同功能模塊.系統(tǒng)上電工作后，當有人強行入侵時，系統(tǒng)中的網(wǎng)關設備向節(jié)點設備發(fā)出通信請求、節(jié)點設備立即被喚醒并應答，從而建立無線網(wǎng)絡連接，傳遞報警消息，數(shù)據(jù)傳送結束，設備轉入休眠狀態(tài).報警信息傳感網(wǎng)主節(jié)點軟件運行流程圖如圖4所示.

5 總結

建立了一種新型物聯(lián)網(wǎng)防盜報警系統(tǒng)，在市場現(xiàn)有居家防盜報警裝置的基礎上嵌入GPS模塊實現(xiàn)定位；嵌入無線發(fā)射模塊，實現(xiàn)報警器與移動手機終端間的信息通信，能通過手機App平臺通知主人家中的狀況；可實現(xiàn)自動向警察撥打110報警；嵌入攝像頭，可現(xiàn)場錄像并傳輸?shù)郊抑写鎯ρb置中保存.