基于物聯(lián)網(wǎng)的家居無人車安防系統(tǒng)

馬 靜 張 雪 王佳斌

（西安工業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

基于物聯(lián)網(wǎng)的家居無人車安防系統(tǒng)

馬 靜 張 雪 王佳斌

（西安工業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

隨著人們生活質(zhì)量的提高，家居安全已經(jīng)成為人們普遍關(guān)注的問題。文章通過以ARM Cotex-M3系列處理器為核心，利用物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程控制以及紅外發(fā)射與接收等技術(shù)，結(jié)合攝像頭、WIFI、溫濕度等相關(guān)環(huán)境感知模塊，實(shí)現(xiàn)以無人車為載體的家居安防系統(tǒng)。系統(tǒng)通過無人車對環(huán)境的實(shí)時監(jiān)察，從而完成APP與系統(tǒng)的遠(yuǎn)程交互。

智能家居；物聯(lián)網(wǎng)；無人車；嵌入式系統(tǒng)；WIFI；手機(jī)APP

智能家居[1]作為智能生活重要的標(biāo)識，其中人們最為關(guān)注的是智能安防系統(tǒng)部分。美國于1984年建造的第一個智能建筑，其將智能化融入建筑物之中，至此，世界智能家居的帷幕正式揭開。繼美國之后，歐洲、韓國、新加坡、日本等國家的住宅智能化也得到了飛速的發(fā)展。而在我國，智能住宅的概念推廣相對較晚，國內(nèi)第一家智能家居企業(yè)出現(xiàn)于90年代末21世紀(jì)初。直到目前，已經(jīng)將智能化小康示范區(qū)的建設(shè)列入國家重點(diǎn)發(fā)展方向。

智能安防系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)[2]為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，實(shí)時獲取家居信息，能夠?qū)Νh(huán)境狀況進(jìn)行反饋、警報，并能保存相關(guān)視頻信息，能夠有效地完成家居安防任務(wù)。系統(tǒng)采用無人車作為移動監(jiān)測點(diǎn)，擺脫了安防系統(tǒng)的位置固定的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)監(jiān)察，靈活調(diào)動的作用，同時也方便了后續(xù)的系統(tǒng)更換與模塊維修等。

本系統(tǒng)以自制的無人車“西工2號”作為研究平臺，ARM Cotex-M3[3]系列處理器為無人車的處理核心，keil uvision4 和JDK為開發(fā)平臺，外加攝像頭、煙霧傳感器、溫濕度傳感器和移動物體檢測傳感器作為環(huán)境感知模塊，WIFI模塊作為通信基礎(chǔ)模塊。利用WEB服務(wù)器[4]作為中間媒介實(shí)現(xiàn)手機(jī)和無人車的遠(yuǎn)程通信。

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖 1所示，主要分為三個部分：無人車硬件部分、服務(wù)器處理部分以及手機(jī)客戶端部分，通過這三個部分的信息實(shí)時交互，實(shí)現(xiàn)手機(jī)對家庭環(huán)境的實(shí)時監(jiān)控，確切保障家居安全。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 無人車系統(tǒng)方案

無人車是整個系統(tǒng)的重要組成部分，它主要負(fù)責(zé)采集整個家庭環(huán)境中的各類環(huán)境信息并上傳到服務(wù)器。無人車安裝并使用多種模塊，包括WIFI通信模塊、攝像頭模塊、紅外循跡模塊以及相關(guān)其他環(huán)境檢測模塊，能夠獲得家庭空間中的多種環(huán)境信息。

1.1.1 WIFI通信模塊[5]

WIFI通信采用 USI MR09WIFI模塊，WiFi芯片支持802.11b/g無線網(wǎng)絡(luò)模式，包含了WIFI協(xié)議棧、lwip協(xié)議棧、Uip協(xié)議棧和OSI七層協(xié)議棧，信號穩(wěn)定，覆蓋范圍廣。它有SDIO和SPI兩種接口，本系統(tǒng)采用的是SDIO接口，可以提供比SPI更高的傳輸速率，能夠?qū)崟r進(jìn)行各類信息的傳輸。

1.1.2 攝像頭模塊

攝像頭采用的是鷹眼OV2640攝像頭[6]，120度視角、速度快、穩(wěn)定性好和微光靈敏度高、是ov系列三十萬像素當(dāng)中成像質(zhì)量最棒的攝像頭。用它作為圖像采集的工具，能夠獲得清晰的視頻信息

1.1.3 環(huán)境因素檢測模塊

環(huán)境因素檢測模塊主要由 MQ-2煙霧傳感器[7]、DHT11溫濕度傳感器[8]和移動物體檢測傳感器[9]組成，使得無人車能夠在巡查過程中獲得家庭環(huán)境的各項信息，如相關(guān)氣體濃度、溫濕度以及對移動物體的自主監(jiān)察，通過無人車處理器處理并可以通過手機(jī)客戶端進(jìn)行信息查詢，從而有效判斷是否有意外突發(fā)情況。

1.2 尋徑方案

無人小車在家庭空間進(jìn)行安防工作時，需要一條固定并且能夠全面檢測家庭環(huán)境的行駛路徑，如果采用路徑規(guī)劃[10]的方式，那樣可能會導(dǎo)致覆蓋點(diǎn)不全面，并且家庭空間中的家具變動也會帶來一些問題。紅外循跡模塊[11]DOFLY LY-0040，用于小車走黑線、數(shù)字信號輸出，感應(yīng)范圍為2mm——20mm。利用該模塊，能夠靈活地變動無人小車的行駛路徑，自行根據(jù)物品擺放路循跡模塊，用于小車走黑線，數(shù)字信號輸出，電位器用于調(diào)節(jié)靈敏度，LED燈指示確定最佳行駛路徑，并且設(shè)定起點(diǎn)和終點(diǎn)，到達(dá)終點(diǎn)后自動調(diào)頭再回到起點(diǎn)，以最簡單最全面的路徑使無人車能獲取到整個家庭空間的視頻信息和其他環(huán)境因素信息。

無人車在家庭環(huán)境中的尋徑路線如圖2：

圖2　尋徑路線

1.3 無人車工作模式設(shè)置

無人車有三種工作模式，即休眠模式、安防模式和自動控制模式。

休眠模式：無人小車僅開啟煙霧傳感器、溫濕度傳感器、移動物體檢測傳感器，攝像頭以及WIFI模塊在該模式處于被動觸發(fā)狀態(tài)。即當(dāng)這三類傳感器任意一個反饋異常信息到處理器時，自動觸發(fā)攝像頭和WIFI模塊進(jìn)行響應(yīng)，從而進(jìn)入安防模式，并且向手機(jī)客戶端發(fā)送警報。

安防模式：將沿著固定的巡查路徑進(jìn)行環(huán)境信息的采集，在行駛的過程中，無人小車會不停采集周圍的環(huán)境信息，如果一切正常，那么就在一次巡查結(jié)束后向手機(jī)客戶端反饋一切正常的信息，如果有異常情況，則在巡查過程中及時向手機(jī)客戶端發(fā)出報警信息。一次巡查完成后，無人小車自動進(jìn)入休眠模式。

自動控制模式：用戶可利用手機(jī)控制無人車的行駛方式、行駛狀態(tài)以及各模塊的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自主控制。

1.4 遠(yuǎn)程通信的實(shí)現(xiàn)

1.4.1 遠(yuǎn)程信息交互

手機(jī)和無人車之間的通信，以服務(wù)器作為中間媒介，實(shí)現(xiàn)手機(jī)和無人車的遠(yuǎn)程信息交互[12]。實(shí)現(xiàn)過程如圖3：

圖3　實(shí)現(xiàn)過程

無人車上安裝的 WIFI模塊借助家庭內(nèi)的路由器[13]訪問外網(wǎng)連接服務(wù)器，將采集到的環(huán)境信息（如有毒氣體濃度、移動物體信息和溫度等）以及視頻信息傳到服務(wù)器。手機(jī)移動客戶端連接互聯(lián)網(wǎng)后，通過訪問服務(wù)器與無人小車進(jìn)行互聯(lián)，獲取相應(yīng)的傳感器信息，以及視頻信息，并且能夠?qū)o人小車進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

服務(wù)器后臺對信息進(jìn)行處理和存儲，并且創(chuàng)建一個用于實(shí)時查看視頻信息的接口，便于在手機(jī)移動端進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控。利用數(shù)據(jù)庫SQLITE[14]，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的大規(guī)模存儲，并運(yùn)用 JAVA語言[15]對其進(jìn)行操作做一些簡單的分析為了實(shí)現(xiàn)更便捷的管理，添加一個可以生成時間列表的模塊（即生成一個TIMEDATA.XLS文件），以時間間隔為參考，以每3小時的時間間隔來對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分段處理。利用服務(wù)端的時間列表模塊，在手機(jī)端可以很輕松的查看一天中任意時間段家庭內(nèi)的情況。

1.4.2 報警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

無人小車的各個環(huán)境傳感器模塊均能夠給小車的處理器反饋環(huán)境信息，利用軟件設(shè)定環(huán)境因素異常的值，當(dāng)環(huán)境因素返回處理器的值異常后，處理器生成報警信號，利用WIFI模塊將異常值和報警信號發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器及時發(fā)送給手機(jī)客戶端，手機(jī)客戶端接收到該報警信號后手機(jī)將會產(chǎn)生連續(xù)震動或響鈴，以提醒異常情況的發(fā)生。此時，可以手機(jī)遠(yuǎn)程遙控?zé)o人小車，根據(jù)實(shí)時視頻控制無人小車進(jìn)行定點(diǎn)的環(huán)境查看。

2 手機(jī)客戶端的設(shè)計

手機(jī)客戶端利用JDK開發(fā)，分為五個功能模塊，如圖4所示，通過登錄遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器，獲取傳感器信息、控制小車的狀態(tài)。

用戶登陸模塊：限制權(quán)限，即設(shè)置賬號、密碼和驗證碼三個服務(wù)器訪問機(jī)制，從而有效地保證軟件使用時的安全性。

模式選擇模塊：利用手機(jī)可以任意切換無人車的休眠模式、安防模式和自動控制模式。

實(shí)時監(jiān)控模塊：可實(shí)時查看無人車的安防過程視頻和當(dāng)前家庭環(huán)境中各環(huán)境因素的狀況。實(shí)時監(jiān)控界面如圖5所示：

圖5　實(shí)時監(jiān)控界面

視頻回放模塊：通過日期選擇所需回放的安防視頻。在點(diǎn)擊選擇想要查詢的日期時，軟件會到數(shù)據(jù)庫中查詢，并找到相應(yīng)時間名稱的表，再從表中選擇中對應(yīng)的時刻，實(shí)現(xiàn)手機(jī)觀看安防視頻的回放。

自主控制模塊：當(dāng)無人車的工作模式為自動控制模式時，手機(jī)客戶端可以切換無人車的行駛方式是自主循跡還是人工控制，手機(jī)界面如圖6，能夠控制無人車的行駛狀況，如前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止，無人小車能實(shí)時做出調(diào)整，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)巡查。

圖6　手機(jī)界面

3 安防系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程

本系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)過程流程圖，如圖7所示：

圖7　實(shí)現(xiàn)過程流程圖

當(dāng)用戶手機(jī)連接互聯(lián)網(wǎng)，然后打開客戶端并登錄，實(shí)現(xiàn)無人車與手機(jī)的遠(yuǎn)程連接，并且選擇無人車的工作模式，確定無人車的運(yùn)行狀態(tài)。如果選擇休眠模式，無人車將只開啟煙霧傳感器、溫濕度傳感器和移動物體檢測傳感器，攝像頭和WIFI模塊處于休眠狀態(tài)，這樣延長無人車待機(jī)時間；一旦所檢測到的環(huán)境因素異常，無人車將啟動攝像頭和 WIFI模塊，及時向手機(jī)報警。如果選擇自動安防模式，無人車將沿行駛路徑自主尋徑進(jìn)行安防巡查，巡查時若檢測到異常信息，將立馬發(fā)送到手機(jī)，并向手機(jī)報警，知道手機(jī)響應(yīng)，然后繼續(xù)安防巡查工作，到達(dá)終點(diǎn)后自動調(diào)頭再回到起點(diǎn)，并自動置為休眠模式。如果選擇自動控制模式，則無人車的所有模塊均受到手機(jī)控制，可進(jìn)行人為控制的安防巡查工作。

4 結(jié)束語

家居智能安防系統(tǒng)作為人工智能的重要開發(fā)方向，在未來有很廣的拓展空間，提高了人們的生活質(zhì)量。本系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)為載體，采用ARM-Cortex-M3作為核心處理器，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程人機(jī)交互，但是很多細(xì)節(jié)有待于后期提升和調(diào)整。作者設(shè)想主要從以下幾個方面進(jìn)行改進(jìn)：第一，居室環(huán)境應(yīng)該實(shí)現(xiàn)自主巡查和循跡巡查協(xié)同模式，避免單一循跡的局限性。第二，可以實(shí)現(xiàn)自主充電進(jìn)而實(shí)現(xiàn)持久工作。第三，通過添加舵機(jī)，可以增大攝像頭的視覺范圍，并在其基礎(chǔ)上通過與移動物體識別模塊結(jié)合，來完成對移動物體的圖像自主抓取功能。對于以上幾點(diǎn)的可行分析性有待后期研究加以論證。

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Home unmanned vehicle security system based on the internet of things

With the improvement of people's living quality, home security has become a widespread concern. This paper introduces home security system of ARM Cortex-M3-based unmanned vehicle, which uses internet of things, remote control technology and emission and receiving of infrared technology and combines some environmental perception modules like camera, WIFI, temperature and humidity sensor and so on. This system uses unmanned vehicle to monitor home environment real-timely and realize the long distance interaction between APP and the system itself.

Intelligent home; internet of things; unmanned vehicle; embedded system; WIFI; APP

TP242.6

A

1008-1151(2016)09-0006-04

2016-08-10

西安工業(yè)大學(xué)跨學(xué)科研究基金無人車自動避障與路徑規(guī)劃技術(shù)研究（CXY 1340-6）；國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（201410702037）。

馬靜（1980－），女，陜西西安人，西安工業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院講師，碩士，研究方向為嵌入式系統(tǒng)；張雪（1995－），女，四川樂山人，西安工業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院在讀學(xué)生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)；王佳斌（1992－），男，陜西西安人，西安工業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院在讀學(xué)生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)。