家庭智能安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王雷　邢丹　張晗

摘要：安全性的需求是人們家居生活的第一需求。為了實(shí)現(xiàn)家庭安防報(bào)警的自動(dòng)化管理，文章從技術(shù)角度對(duì)家庭安防系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、工作流程、開(kāi)發(fā)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)效果等方面進(jìn)行了介紹，提出了一個(gè)在物聯(lián)網(wǎng)背景下基于ARM和ZigBee技術(shù)的家庭智能安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：家庭安防報(bào)警；智能安防系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；ARM；ZigBee 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文章編號(hào)：1009-2374（2015）22-0027-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.22.014

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟，作為物聯(lián)網(wǎng)具體應(yīng)用之一的家庭智能安防也迎來(lái)了良好的發(fā)展機(jī)遇。安全性的需求是人們家居生活的第一需求，本文主要從技術(shù)角度，研究家庭智能安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

整個(gè)智能安防項(xiàng)目是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，采用的關(guān)鍵技術(shù)有ARM技術(shù)和ZigBee技術(shù)。家庭網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的核心部件，采用嵌入式ARM技術(shù)，該技術(shù)具有小體積、低成本、低功耗、高性能等特點(diǎn)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析和處理。家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)主要采用ZigBee近距離無(wú)線通信技術(shù)，該技術(shù)由ZigBee聯(lián)盟于2004年推出，具有低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)的自組織自愈合能力強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適合在監(jiān)控類(lèi)系統(tǒng)中應(yīng)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能安防系統(tǒng)為用戶(hù)家庭財(cái)產(chǎn)安全提供了保障，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：

整個(gè)系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)為核心，家庭內(nèi)部的煙霧采集節(jié)點(diǎn)、CO采集節(jié)點(diǎn)、霍爾門(mén)磁探測(cè)節(jié)點(diǎn)等信息采集節(jié)點(diǎn)利用ZigBee無(wú)線信號(hào)通過(guò)協(xié)調(diào)器與家庭網(wǎng)關(guān)相互通信，ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)家庭內(nèi)部無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建立和管理，攝像頭節(jié)點(diǎn)通過(guò)有線方式與網(wǎng)關(guān)相連，本地用戶(hù)可以直接通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)上的觸摸屏控制整個(gè)系統(tǒng)，遠(yuǎn)程用戶(hù)可以利用PC機(jī)通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)或利用手機(jī)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)。

煙霧采集節(jié)點(diǎn)利用內(nèi)部的煙霧傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家居環(huán)境的煙霧濃度，CO采集節(jié)點(diǎn)利用內(nèi)部的CO傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)CO等可燃性氣體的濃度，霍爾門(mén)磁探測(cè)節(jié)點(diǎn)利用內(nèi)部的霍爾傳感器監(jiān)測(cè)門(mén)窗磁場(chǎng)的變化情況，判斷是否有人非法侵入。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)防后，一旦有某個(gè)信息采集節(jié)點(diǎn)觸發(fā)報(bào)警，系統(tǒng)馬上將報(bào)警信息以短信的方式發(fā)送到用戶(hù)預(yù)先設(shè)置的手機(jī)中，并開(kāi)啟報(bào)警器鳴響，同時(shí)攝像頭節(jié)點(diǎn)連續(xù)抓拍現(xiàn)場(chǎng)照片數(shù)張存于SD卡中，以備用戶(hù)查看報(bào)警起因，判斷是否誤報(bào)。

1.2 工作流程設(shè)計(jì)

智能安防系統(tǒng)的工作流程如圖2所示，其主要工作過(guò)程描述如下：

第1步：各類(lèi)信息采集節(jié)點(diǎn)（煙霧采集節(jié)點(diǎn)、CO采集節(jié)點(diǎn)、霍爾門(mén)磁探測(cè)節(jié)點(diǎn)）上的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家庭內(nèi)部環(huán)境的參數(shù)變化，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，通過(guò)ZigBee無(wú)線信號(hào)將打包后信息發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。

第2步：ZigBee協(xié)調(diào)器接收信息采集節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的檢測(cè)數(shù)據(jù)后，將其按照預(yù)定協(xié)議格式轉(zhuǎn)發(fā)給家庭網(wǎng)關(guān)。

第3步：家庭網(wǎng)關(guān)在系統(tǒng)計(jì)時(shí)器的作用下周期性的接收串口數(shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)關(guān)從串口接收到ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后，首先判斷數(shù)據(jù)是來(lái)自哪類(lèi)傳感器及判斷數(shù)據(jù)的類(lèi)別，然后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理。如果上報(bào)數(shù)據(jù)超過(guò)系統(tǒng)預(yù)設(shè)閾值，則觸發(fā)報(bào)警，系統(tǒng)首先讀取預(yù)先配置的報(bào)警手機(jī)號(hào)碼，將報(bào)警信息以短信的方式發(fā)送給用戶(hù)，并循環(huán)檢測(cè)確保短信發(fā)送成功，然后再檢測(cè)若報(bào)警器沒(méi)有開(kāi)啟，則發(fā)送報(bào)警器打開(kāi)指令并更新用戶(hù)界面，最后打開(kāi)攝像頭連續(xù)抓拍現(xiàn)場(chǎng)照片數(shù)張存于SD卡中，以備用戶(hù)查看報(bào)警起因。如果上報(bào)數(shù)據(jù)未超過(guò)閾值，則不觸發(fā)報(bào)警，系統(tǒng)不做任何處理。

第4步：ZigBee協(xié)調(diào)器接收到家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)備控制指令后，對(duì)指令進(jìn)行解析，將其發(fā)送給相應(yīng)的控制執(zhí)行節(jié)點(diǎn)。

第5步：控制執(zhí)行節(jié)點(diǎn)接收到協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)的指令后，解析并執(zhí)行相應(yīng)指令。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本小節(jié)主要介紹系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境和最終的軟件實(shí)現(xiàn)效果。

2.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

根據(jù)運(yùn)行的位置不同，智能安防系統(tǒng)應(yīng)用程序主要分為兩大類(lèi)：網(wǎng)關(guān)程序和ZigBee節(jié)點(diǎn)程序，前者運(yùn)行在家庭網(wǎng)關(guān)上，后者運(yùn)行在各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)上，包括各種信息采集節(jié)點(diǎn)、控制執(zhí)行節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。兩種程序均是在安裝有Ubuntu操作系統(tǒng)的普通PC機(jī)上開(kāi)發(fā)，然后下載到實(shí)驗(yàn)箱相應(yīng)位置的芯片中運(yùn)行。其中，網(wǎng)關(guān)程序的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)是本文的重點(diǎn)工作。網(wǎng)關(guān)程序主要在PC機(jī)上使用基于Qt 4.7的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Qt Creator 2.0進(jìn)行開(kāi)發(fā)，交叉編譯工具使用arm-Linux-gcc 4.3，使用C++語(yǔ)言編寫(xiě)代碼。網(wǎng)關(guān)程序經(jīng)編寫(xiě)、調(diào)試并最終交叉編譯完成后，通過(guò)串口使用超級(jí)終端方式或通過(guò)網(wǎng)口使用FTP方式下載到實(shí)驗(yàn)箱的嵌入式網(wǎng)關(guān)上授權(quán)運(yùn)行。嵌入式網(wǎng)關(guān)CPU處理器為基于ARM Cortex-A8的Samsung S5PV210芯片，主頻1GHz，內(nèi)存為1GByte，存儲(chǔ)器1GByte，其上運(yùn)行的是嵌入式Linux操作系統(tǒng)（Linux 2.6內(nèi)核）。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)效果

程序最終的測(cè)試運(yùn)行主要是將其下載到物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行，測(cè)試用實(shí)驗(yàn)箱為凌陽(yáng)物聯(lián)網(wǎng)多網(wǎng)技術(shù)教學(xué)科研平臺(tái)（型號(hào)：SP-MNTCE15A），網(wǎng)關(guān)程序的實(shí)現(xiàn)效果如圖3所示：

單擊“智能安防”標(biāo)簽進(jìn)入智能安防界面?！耙绘I布防”：可以通過(guò)該按鈕啟動(dòng)或關(guān)閉整個(gè)智能安防系統(tǒng)，具有一鍵設(shè)防、一鍵撤防功能，方便用戶(hù)操作?！耙曨l監(jiān)控”：?jiǎn)螕粼摪粹o會(huì)轉(zhuǎn)到“視頻監(jiān)控”界面，可以查看家居的實(shí)時(shí)視頻信息?！靶±取卑粹o：當(dāng)報(bào)警觸發(fā)后，小喇叭立即開(kāi)始鳴響報(bào)警，用戶(hù)可以通過(guò)該按鈕關(guān)閉正在鳴響的喇叭，如有需要也可通過(guò)觸摸該按鈕，打開(kāi)喇叭使其鳴響。煙霧報(bào)警功能：可任意設(shè)定或修改接收煙霧報(bào)警信息的手機(jī)號(hào)碼，當(dāng)系統(tǒng)觸發(fā)煙霧報(bào)警時(shí)，小喇叭開(kāi)始鳴響，并向預(yù)設(shè)的手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，通過(guò)“啟用煙霧報(bào)警功能”按鈕開(kāi)啟或關(guān)閉安防系統(tǒng)對(duì)煙霧及有害氣體濃度的監(jiān)控。門(mén)窗防盜功能：可任意設(shè)定或修改接收門(mén)窗報(bào)警信息的手機(jī)號(hào)碼，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到門(mén)窗有人非法入侵時(shí)，小喇叭開(kāi)始鳴響，并向預(yù)設(shè)的手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，通過(guò)“啟用門(mén)窗防盜功能”按鈕開(kāi)啟或關(guān)閉霍爾門(mén)磁對(duì)門(mén)窗的監(jiān)控。

單擊“視頻監(jiān)控”標(biāo)簽進(jìn)入視頻監(jiān)控界面。左半側(cè)區(qū)域：左上方視頻區(qū)域用于顯示攝像頭的實(shí)時(shí)視頻信息，下方兩個(gè)按鈕“打開(kāi)視頻”和“關(guān)閉視頻”控制攝像頭的開(kāi)關(guān)。云臺(tái)控制：可控制攝像頭的云臺(tái)上、下、左、右移動(dòng)，方便觀察。焦距控制：可控制攝像頭的焦距，使鏡頭拉近和推遠(yuǎn)，方便觀察。抓拍照片：由于嵌入式系統(tǒng)資源的限制，本系統(tǒng)不具有視頻保存功能，攝像頭開(kāi)啟后，可通過(guò)該按鈕人工抓拍實(shí)時(shí)照片，系統(tǒng)自動(dòng)保存，另外，當(dāng)安防報(bào)警觸發(fā)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)抓拍照片。查看照片：查看系統(tǒng)保存之前抓拍的照片。

3 結(jié)語(yǔ)

為了保證智能安防系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性，在系統(tǒng)集成后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功能測(cè)試、性能測(cè)試和穩(wěn)定性測(cè)試。經(jīng)過(guò)測(cè)試后可知，系統(tǒng)滿(mǎn)足了功能設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了家庭安防報(bào)警的自動(dòng)化管理，而且在系統(tǒng)的性能以及穩(wěn)定性上也達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：王雷（1981-），男，河北衡水人，河北傳媒學(xué)院講師，網(wǎng)絡(luò)工程師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

（責(zé)任編輯：周 瓊）