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(nèi)安全越來越高的需求，以及解決市面現(xiàn)有安防產(chǎn)品的種種弊端，設計一種由ZigBee、WiFi網(wǎng)關、物聯(lián)網(wǎng)云平臺、微信平臺組成的可移動式安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)設計了全新的設備安裝轉(zhuǎn)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(tǒng);ZigBee;WiFi網(wǎng)關;物聯(lián)網(wǎng)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(nèi)安全問題成為人們關注的熱點。然而，目前的安防系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)，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(tǒng)還存在線路老化、電磁干擾等增加系統(tǒng)誤報率的問題[1]。種種缺陷導致現(xiàn)有有線安防系統(tǒng)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(xiàn)了各種無線通信協(xié)議標準，從無線廣域網(wǎng)到基于 IEEE 802.11 的無線局域網(wǎng)， 以及基于藍牙與ZigBee 的無線個域網(wǎng)，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(xiàn)解決了有線安防的線路問題，大大增加了安防系統(tǒng)的便捷性、智能性。采用無線網(wǎng)絡的智能安防系統(tǒng)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(nèi)的安全狀況，但是智能安防系統(tǒng)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(tǒng)雖然采用無線網(wǎng)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(zhuǎn)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(chǎn)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(nèi)場景間快速安裝部署、轉(zhuǎn)移的便攜式智能安防系統(tǒng)，在現(xiàn)有無線智能安防系統(tǒng)的基礎上，采用更為靈活的設備設計，方便用戶將系統(tǒng)進行快速轉(zhuǎn)移，并且系統(tǒng)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(tǒng)終端設備安防功能單一的弊端。系統(tǒng)采用全新依托微信的安全反饋機制，使智能安防系統(tǒng)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(tǒng)總體框架

物聯(lián)網(wǎng)跟互聯(lián)網(wǎng)的層次結構不同， 從網(wǎng)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(wǎng)絡傳遞的基礎數(shù)據(jù);第二層是網(wǎng)絡層，即將感知層感知到的信息通過無線或有線網(wǎng)絡進行實時傳送，在技術上必須保證無縫互聯(lián)、可靠傳遞;第三層是應用層，通過中央處理器、網(wǎng)絡云計算等技術，對收到的各種實時數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)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(tǒng)依據(jù)經(jīng)典的物聯(lián)網(wǎng)架構搭建，主要由感知層、網(wǎng)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(nèi)不同地點以及白夜不同的安防需求。

網(wǎng)絡層：采用WiFi技術與物聯(lián)網(wǎng)云平臺相連接，對ZigBee無線網(wǎng)絡傳送來的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換并上傳至云平臺，云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、消息轉(zhuǎn)發(fā)，而獨立的數(shù)據(jù)庫服務器提供了數(shù)據(jù)存儲與挖掘分析，為設備的互聯(lián)互通與數(shù)據(jù)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(tǒng)主要功能如圖1所示，其整體架構如圖2所示。

2 系統(tǒng)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(jù)電量顯示燈進行操作。安防子設備硬件如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集終端模塊

數(shù)據(jù)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(jù)電量顯示燈進行操作。數(shù)據(jù)終端硬件如圖4所示。

3 系統(tǒng)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(nèi)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(wǎng)絡采用樹狀的網(wǎng)絡拓撲結構，通過ZigBee技術將各安防主設備連接到網(wǎng)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(lián)，形成最終的ZigBee+2.4 GHz安防傳感網(wǎng)絡，實時監(jiān)控室內(nèi)的環(huán)境狀況。

ZigBee網(wǎng)絡主要基于德州儀器公司Z-Stack協(xié)議棧進行開發(fā)，Z-Stack協(xié)議棧引入了OSAL（操作系統(tǒng)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(tǒng)。當同時有多個任務需要處理器處理時，操作系統(tǒng)判斷事件優(yōu)先級，逐次解決[4-5]。多任務操作系統(tǒng)適合室內(nèi)網(wǎng)絡任務與數(shù)據(jù)處理，為數(shù)據(jù)采集與傳輸提供較好的網(wǎng)絡支持。

安防主設備進行設備初始化后，發(fā)起網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)的相關操作，申請加入相應的無線網(wǎng)絡。入網(wǎng)成功后，設備被定時喚醒，采集相關環(huán)境數(shù)據(jù)，通過ZigBee網(wǎng)絡與網(wǎng)關進行信息交互、并進行數(shù)據(jù)傳輸、上報與存儲，便于日后數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)主要流程

物聯(lián)網(wǎng)是一種由智能實體持續(xù)不斷產(chǎn)生數(shù)據(jù)、物體與物體之間互聯(lián)互通以及通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)木W(wǎng)絡范例[6]。數(shù)據(jù)是物聯(lián)網(wǎng)流動的血液，因此數(shù)據(jù)的流通與管理是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構中的重要環(huán)節(jié)。

本文系統(tǒng)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(wǎng)關將信息數(shù)據(jù)上傳至相應的云平臺進行數(shù)據(jù)篩選分析，依據(jù)相應的規(guī)則邏輯進行消息轉(zhuǎn)發(fā)或轉(zhuǎn)儲到專門的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫服務器通信進行相應的數(shù)據(jù)操作。數(shù)據(jù)流向如圖6所示。

3.3 移動端流程設計

本文系統(tǒng)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(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)信息，根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)判斷是否需要直接顯示傳感器信息或根據(jù)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(tǒng)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(nèi)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(jīng)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(nèi)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(nèi)時室內(nèi)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(nèi)溫度、煙霧、火焰、人員等環(huán)境因素進行采集比對，當采集數(shù)值超過設定值時，立即主動上報數(shù)據(jù)，延遲一定時間后開啟報警模塊，如果應用端一段時間內(nèi)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(shù)安防系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)上傳至云平臺后，通過消息轉(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)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(tǒng)的不足，依托成熟的ZigBee無線網(wǎng)絡傳輸技術、WiFi技術、物聯(lián)網(wǎng)云平臺、數(shù)據(jù)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(tǒng)。該系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)更具安全性，更能保障用戶財產(chǎn)安全，具有較大的市場應用價值。

參 考 文 獻

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