基于WSNs 和3G 網(wǎng)絡(luò)的無線遠(yuǎn)程安防監(jiān)控系統(tǒng)*

楊國斌，李秋紅，王太宏

(湖南大學(xué) 微納光電器件及應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙410082)

0 引 言

居家安全是人們安居樂業(yè)的基礎(chǔ)，也是共建和諧社會的重要環(huán)節(jié)。隨著計(jì)算機(jī)、通信和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對于居住環(huán)境的安全性與可管理性也有了更高的要求。傳統(tǒng)的安防系統(tǒng)，控制中心與終端多采用基于總線的有線連接方式，這種連接方式具有布線復(fù)雜、線路易腐蝕、維護(hù)不方便等缺點(diǎn);遠(yuǎn)程用戶與控制中心之間的通信多采用電話線和網(wǎng)線的通信方式，這種種通信方式通信質(zhì)量不高，并且通信速率也受到很大的限制。

目前，迅速發(fā)展的第三代移動(dòng)通信技術(shù)和日益成熟的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)技術(shù)分別得到了廣泛的應(yīng)用，為新一代安防系統(tǒng)提供了有力的技術(shù)保障。文獻(xiàn)［1～3］基于3G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，文獻(xiàn)［4～6］設(shè)計(jì)了一種基于 Zig Bee 的 WSNs 網(wǎng)關(guān)并應(yīng)用于家居網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)［7］設(shè)計(jì)了一種基于Zig Bee 和GPRS 的溫度控制系統(tǒng)，文獻(xiàn)［8］設(shè)計(jì)了一種基于 Zig Bee 與GPRS 的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)等。目前，大多數(shù)應(yīng)用沒有將WSNs 和3G網(wǎng)絡(luò)有機(jī)的統(tǒng)一起來，而應(yīng)用于安防系統(tǒng)也是初步，也沒有達(dá)到智能監(jiān)測和控制。

本文提出一種智能無線遠(yuǎn)程安防監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了基于Zig Bee 的 WSNs 和基于 GPRS 的3G 網(wǎng)絡(luò)以及Internet，采取ARM 為服務(wù)器，PC 和智能手機(jī)為客戶端的混合C-S 和B-S 體系結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)既可以使用PC 進(jìn)行控制訪問，也可以通過智能手機(jī)訪問，當(dāng)用戶在監(jiān)控室時(shí)可以直接用PC 控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，當(dāng)用戶在出門在外時(shí)可以通過智能手機(jī)實(shí)時(shí)察看室內(nèi)情況，而且當(dāng)室內(nèi)環(huán)境異常時(shí)，該系統(tǒng)會自動(dòng)運(yùn)行短信報(bào)警程序，實(shí)現(xiàn)真正的智能安防。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由無線傳感器、Internet、GPRS 網(wǎng)絡(luò)和ARM 服務(wù)器及PC 和智能手機(jī)客戶端組成。WSNs 采用Zig Bee 技術(shù)組網(wǎng)，不同類型的傳感器置于網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)上，采集數(shù)據(jù)，并由基站傳到ARM 服務(wù)器。同時(shí)，視頻監(jiān)控設(shè)備采集視頻信息也傳到ARM 服務(wù)器，存儲在數(shù)據(jù)庫中并進(jìn)行處理。PC和智能手機(jī)分別通過Internet 和3G 網(wǎng)絡(luò)訪問ARM 服務(wù)器，讀取或發(fā)送信息，從而監(jiān)控整個(gè)家居環(huán)境。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig 1 Architecture of system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由WSNs、S3C6410 核心處理器、GPRS 通信模塊、視頻和音頻采集設(shè)備、電源管理模塊等部分構(gòu)成。本系統(tǒng)選用韓國三星電子的32 位處理器S3C6410 作為系統(tǒng)控制的核心處理器。該處理器采用 ARM1176JZF-S 的核，包含16kB 的指令數(shù)據(jù) Cache 和16kB 的指令數(shù)據(jù) TCM，ARM Core 電壓為 1.1 V 的時(shí)候，可以運(yùn)行到 553 MHz，在 1.2 V 的情況下，可以運(yùn)行到667 MHz。基于Zig Bee 的WSNs 部分選用TI 公司的CC2530 芯片。3G 無線上網(wǎng)卡選用了華為EC122 卡。系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Overall hardware structure of system

2.2 WSNs

傳感器節(jié)點(diǎn)主要由傳感器、單片機(jī)、電源模塊和Zig Bee 模塊構(gòu)成。本系統(tǒng)采用溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器及煤氣傳感器等多個(gè)傳感器。傳感器采集信息并將采集的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳感器與單片機(jī)之間通過I/O 口通信，單片機(jī)收集傳感器采集的數(shù)據(jù)，并通過Zig Bee網(wǎng)絡(luò)傳遞給ARM 服務(wù)器，單片機(jī)與Zig Bee 模塊采用串口通信，電源模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)供電。傳感器節(jié)點(diǎn)硬件如圖3 所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Hardware structure diagram of sensor node

2.3 無線視頻監(jiān)控

視頻采集設(shè)備采用中微星ZC301 攝像頭，實(shí)現(xiàn)無線視頻監(jiān)控的無線網(wǎng)卡設(shè)備為水星MW54U USB 無線網(wǎng)卡，采用 IEEE 802.11g，IEEE 802.11b 標(biāo)準(zhǔn)，支持 WPA-/WPA-PSK，WPA2/WPA2-PSK 等高級加密機(jī)制，即插即用并支持Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部芯片型號為 ATHEROS 的 AR9271，為內(nèi)核添加該設(shè)備驅(qū)動(dòng)，配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)后即可使用。

2.4 無線音頻監(jiān)控

音頻模塊采用nRF24Z1，它是挪威Nordic 半導(dǎo)體公司于2005 年推出的單片式光盤(compact disc，CD)音質(zhì)無線數(shù)字音頻芯片，其工作于2.4 GHz 自由頻段，工作電壓為2.0～3.6 V，片內(nèi)集成了電壓管理器，能夠最大限度地抑制噪聲。該模塊還提供了控制信息，如音量、平衡、顯示等雙向傳輸?shù)墓δ堋?/p>

2.5 GPRS 通信模塊

GPRS 模塊采用 SIM300，它是 SIMCOM 公司推出的GSM/GPRS 三頻/四頻模塊，集成了完整的射頻電路和GSM的基帶處理器，內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議棧，適合開發(fā)無線應(yīng)用產(chǎn)品，應(yīng)用范圍十分廣泛。嵌入式處理器發(fā)出的報(bào)警信息通過RS-232 傳送到SIM300 模塊，然后再由SIM300 發(fā)送相應(yīng)的報(bào)警短信到用戶的手機(jī)終端。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的模塊

WSNs 節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)系統(tǒng)最基礎(chǔ)最重要的一部分，主要完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、部分處理，以及發(fā)送。傳感器節(jié)點(diǎn)通電后，首先進(jìn)行各項(xiàng)初始化工作，檢查是否有來自上層的配置命令，如果有，對命令進(jìn)行解析，然后采集各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，最終將采集到的數(shù)據(jù)通過Zig Bee 無線通信模塊發(fā)送出去;如果沒有，則采用系統(tǒng)默認(rèn)的方式采集數(shù)據(jù)。流程圖如圖4 所示。

3.2 無線視頻監(jiān)控模塊

PC 與無線視頻通訊采用Ad Hoc 模式，實(shí)現(xiàn)PC 與視頻的點(diǎn)對點(diǎn)通信，省去了無線AP，并且無線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架設(shè)過程十分簡單，同時(shí)它還為內(nèi)部LAN 或Internet 連接的用戶提供了一種更為簡單的數(shù)據(jù)和文檔共享方式。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸流程圖Fig 4 Flow chart of data transmission of sensor node

系統(tǒng)具有手動(dòng)捕捉監(jiān)控畫面，現(xiàn)場運(yùn)動(dòng)檢測并保存動(dòng)態(tài)畫面的功能。編寫的捕捉畫面程序 mouse_capture 與Web 服務(wù)器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)捕捉現(xiàn)場畫面，用戶點(diǎn)擊控制界面按鈕實(shí)現(xiàn)抓圖和保存。當(dāng)用戶不在現(xiàn)場時(shí)，通過motion 運(yùn)動(dòng)檢測模塊與Web 服務(wù)器，系統(tǒng)可以自動(dòng)記錄現(xiàn)場照片并保存。

3.3 服務(wù)器模塊

服務(wù)器主要接收并存儲WSNs 以及視頻和音頻設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)定的各項(xiàng)報(bào)警閾值，通過GPRS 通信模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警功能。主要設(shè)計(jì)如下:

1)Web 服務(wù)器:操作系統(tǒng)采用Linux 2.6.32，數(shù)據(jù)庫采用SQLite，它是一種中小型嵌入式數(shù)據(jù)庫。Web 服務(wù)器通過HTTP 協(xié)議與監(jiān)控端瀏覽器軟件進(jìn)行信息交互，提供其他應(yīng)用程序模塊的接口和視頻數(shù)據(jù)瀏覽界面以及系統(tǒng)控制界面。本系統(tǒng)采用適合于嵌入式系統(tǒng)的Boa Web 服務(wù)器。Boa 是一個(gè)單任務(wù)的HTTP 服務(wù)器，支持能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)Web技術(shù)的CGI 技術(shù)，源代碼開放、性能高。服務(wù)器程序本身所占空間很小，適用于嵌入式系統(tǒng)。根據(jù)開發(fā)環(huán)境將Boa 源碼交叉編譯，得到可執(zhí)行文件Boa，根據(jù)Boa.conf 這個(gè)文件配置好系統(tǒng)Boa 服務(wù)器相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，將服務(wù)器設(shè)置為自啟動(dòng)，等待客戶端的連接請求并與之交互。

2)CGI 接口:CGI 即通用網(wǎng)關(guān)接口，它是網(wǎng)頁的后臺處理程序，運(yùn)行在Web 服務(wù)器上。CGI 程序可以用來在Web內(nèi)加入動(dòng)態(tài)的內(nèi)容，通過接口，瀏覽器能夠發(fā)送一個(gè)可執(zhí)行應(yīng)用程序的HTTP 請求，而不僅僅只是靜態(tài)的HTML 文件。CGI 程序運(yùn)行結(jié)束，生成 HTML 頁面，Web 服務(wù)器把 CGI 程序運(yùn)行的結(jié)果送回用戶瀏覽器。CGI 結(jié)合Web 服務(wù)器，可以有效地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控并發(fā)送控制信號，充分體現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

3)自動(dòng)報(bào)警:當(dāng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)超過系統(tǒng)設(shè)定的閾值，ARM服務(wù)器會啟動(dòng)GRPS 模塊，向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。首先，由ARM 發(fā)送AT 命令對SIM300 初始化，使其處于等待發(fā)送短信的狀態(tài)。系統(tǒng)開啟后，每隔一定的時(shí)間查詢一次傳感數(shù)據(jù)信息，并與預(yù)設(shè)的限度進(jìn)行比較，如果超出限度，則通過串口發(fā)送相應(yīng)的報(bào)警命令給ARM 服務(wù)器。ARM 服務(wù)器將收到的報(bào)警信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)彩信，并通過SIM300 發(fā)送到用戶的手機(jī)。流程如圖5 所示。

圖5 自動(dòng)報(bào)警流程圖Fig 5 Flow chart of automatic warning

4)Web 控制界面:該部分包括系統(tǒng)的登陸界面和控制界面，采用HTML 超文本標(biāo)記語言實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，在瀏覽器上輸入系統(tǒng)IP 地址就可以打開系統(tǒng)登陸界面，登陸后出現(xiàn)系統(tǒng)控制界面，視頻圖像可以直接在該界面實(shí)現(xiàn)輸出，并與系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互。

3.4 智能手機(jī)客戶端

智能手機(jī)客戶端是整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測與控制終端之一，主要是數(shù)據(jù)的監(jiān)測顯示并并發(fā)出控制信息。傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)傳到基站，然后通過RS-232 上傳到服務(wù)器，智能手機(jī)作為客戶端，通過3G 網(wǎng)絡(luò)訪問系統(tǒng)服務(wù)器。服務(wù)器將數(shù)據(jù)通過3G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到客戶端。用戶通過智能手機(jī)查看所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以通過發(fā)送配置命令來控制傳感器的工作方式，程序流程圖如圖6 所示。

圖6 手機(jī)客戶端軟件流程圖Fig 6 Software flow chart of mobile phone client

客戶端控制界面采用QT 進(jìn)行編寫。用戶可以通過多種方式查看監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，比如:實(shí)時(shí)查詢，歷史查詢等。用戶也可以表格的方式察看監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，以表格的方式顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測試

將整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)通進(jìn)行測試，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)傳到基站，然后通過RS-232 上傳到服務(wù)器，視頻數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳到服務(wù)器，用戶使用PC 機(jī)或手機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)訪問系統(tǒng)服務(wù)器。測試時(shí)每2 min 獲取一次數(shù)據(jù)，用戶可以查看實(shí)時(shí)的傳感數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控測試數(shù)據(jù)Tab 1 Realtime dynamical monitoring and test datas

測試時(shí)，通過人為方式改變室內(nèi)溫度使其超過系統(tǒng)設(shè)定的最大限度，改變室內(nèi)濕度超過系統(tǒng)設(shè)定的最大值，人為增加室內(nèi)的煤氣濃度和煙霧濃度超過系統(tǒng)設(shè)定的最大限度，此時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)短信報(bào)警程序，向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。

5 結(jié)束語

本文從硬件和軟件上系統(tǒng)介紹了一種基于WSNs 和3G 網(wǎng)絡(luò)的無線安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ARM 嵌入式處理器為服務(wù)器，通過WSNs 采集數(shù)據(jù)，以PC 和智能手機(jī)為客戶端，實(shí)現(xiàn)了PC 和智能手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控與短信主動(dòng)報(bào)警的功能。該系統(tǒng)組網(wǎng)方式簡便、可靠、功耗低、成本小、容易擴(kuò)充、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能夠較好地解決WSNs 大量信息的采集問題。同時(shí)Ad Hoc 模式在沒有無線路由的情況下實(shí)現(xiàn)無線通訊，降低了系統(tǒng)成本。軟件上各個(gè)功能模塊的獨(dú)立運(yùn)行，相互不干擾，增加了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。相比傳統(tǒng)的有線視頻監(jiān)測，該系統(tǒng)應(yīng)用更加靈活，也更廣泛。

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