基于物聯(lián)網(wǎng)和ZigBee的公寓安全智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河北石家莊 050041

一、引言

學(xué)生公寓的安全是學(xué)校順利開展教育教學(xué)工作的基礎(chǔ)和保障。很多學(xué)者對(duì)公寓安全的監(jiān)測(cè)與管理進(jìn)行了較為深入的研究[1-5]，但是大部分研究成果都只是實(shí)現(xiàn)了公寓安全監(jiān)測(cè)與管理的部分功能，因此不能對(duì)學(xué)生公寓進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)的安全保護(hù)。同時(shí)，由于公寓中房間比較多，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的線路布線會(huì)非常復(fù)雜，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的通信可靠性下降。

ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)。例如，張雄[6]采用ZigBee技術(shù)組建了一個(gè)家庭內(nèi)部無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)系統(tǒng)主要由系統(tǒng)控制終端、家庭網(wǎng)關(guān)、系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)三部分構(gòu)成。系統(tǒng)控制終端是用戶實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行操控的界面和平臺(tái)，系統(tǒng)控制終端可以通過(guò)WIFI/Internet等方式向家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)起連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。楊曉迪等[7]針對(duì)傳統(tǒng)智能家居采用有線組建布線繁瑣，增減設(shè)備需要重新布線，影響美觀，且升級(jí)和維護(hù)均不方便的問(wèn)題，將ZigBee無(wú)線通信技術(shù)及嵌入式ARM技術(shù)結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了一種既能利用PC機(jī)又能利用手持終端對(duì)家居進(jìn)行控制的智能家居控制系統(tǒng)。

GPRS（General Packet Radio Service，GPRS） 技術(shù)是通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)的簡(jiǎn)稱，具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快、通信質(zhì)量高、永遠(yuǎn)在線等優(yōu)點(diǎn)，支持TCP/IP協(xié)議，可以直接與Internet互通。例如，張成研等[8]設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS技術(shù)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)采集，CC2530與GTM900C組成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊，傳輸森林環(huán)境數(shù)據(jù)。耿紅琴等[9]針對(duì)當(dāng)前的大區(qū)域內(nèi)火情監(jiān)控以人工為主、實(shí)時(shí)性較差和報(bào)警存在延時(shí)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于嵌入式與GPRS技術(shù)的大區(qū)域火情監(jiān)控系統(tǒng)，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)的大范圍數(shù)據(jù)通信能力傳遞各種火情信息。

本文基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)了一種融合ZigBee與GPRS技術(shù)的公寓安全管理系統(tǒng)。在公寓房間內(nèi)安裝電流檢測(cè)、溫度檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、紅外防盜檢測(cè)等多種傳感器，對(duì)房間的安全信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；利用STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)安全控制器對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和報(bào)警判斷；利用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和GPRS技術(shù)構(gòu)建無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，所有報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示，實(shí)現(xiàn)全方位的公寓安全監(jiān)測(cè)、控制與管理。

二、系統(tǒng)原理框圖

公寓安全智能管理系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備、ZigBee+GPRS網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器和上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心三部分構(gòu)成。終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)包括傳感器、控制器和ZigBee無(wú)線傳輸從機(jī)模塊，傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)房間的安全信息，控制器將傳感器的信息分析處理后由ZigBee無(wú)線傳輸從機(jī)模塊發(fā)送到本樓層的ZigBee無(wú)線傳輸主機(jī)模塊。網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器包括ZigBee總協(xié)調(diào)器、網(wǎng)關(guān)控制器和GPRS模塊，總協(xié)調(diào)器除接收各個(gè)樓層的ZigBee無(wú)線傳輸主機(jī)模塊的數(shù)據(jù)以外，還具有組建、管理和維護(hù)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)。網(wǎng)關(guān)控制器通過(guò)串口將ZigBee總協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)處理后，將ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后由GPRS模塊發(fā)送到遠(yuǎn)端的上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心。上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心用于監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)收發(fā)請(qǐng)求，并且完成數(shù)據(jù)的接收、顯示和存儲(chǔ)。系統(tǒng)將兩種無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的融合。

三、系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

1、數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備

數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備框圖如圖2所示，由單片機(jī)、ID卡識(shí)別模塊、火災(zāi)檢測(cè)模塊、紅外防盜模塊、大功率電器檢測(cè)模塊、供電控制模塊以及無(wú)線傳輸模塊組成?？刂菩酒捎肧TM32F103C8T6單片機(jī)，該芯片使用Cortex -M3內(nèi)核，具有豐富的增強(qiáng)I/O端口和標(biāo)準(zhǔn)的通信接口。單片機(jī)和外圍模塊需要使用2個(gè)ADC通道、2個(gè)串行接口和若干普通I/O引腳。

火災(zāi)檢測(cè)模塊利用煙霧傳感器檢測(cè)空氣中CO煙霧濃度并將其轉(zhuǎn)化成線性電壓或者電流信號(hào)，通過(guò)比較電路輸出高低電平?；馂?zāi)檢測(cè)模塊輸出連接到單片機(jī)的普通I/O引腳，單片機(jī)判斷I/O引腳的信號(hào)跳變可以識(shí)別是否有火災(zāi)發(fā)生，如果確認(rèn)有火災(zāi)發(fā)生則通過(guò)繼電器切斷房間電源。

紅外防盜模塊利用紅外熱釋電傳感器檢測(cè)是否有人進(jìn)入房間，當(dāng)檢測(cè)到人體移動(dòng)時(shí)改變輸出電平。紅外防盜模塊輸出連接到單片機(jī)的普通I/O引腳，單片機(jī)判斷該I/O引腳的信號(hào)跳變可以識(shí)別是否有人進(jìn)入房間，如果確認(rèn)則進(jìn)行聲光報(bào)警。

ID卡識(shí)別模塊用于讀取用戶的刷卡卡號(hào)，并將用戶卡號(hào)通過(guò)串口傳送給單片機(jī)，串口通信協(xié)議采用9600bps波特率、無(wú)奇偶校驗(yàn)、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位。單片機(jī)將串口接收到的ID卡號(hào)與存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的所有正確卡號(hào)進(jìn)行逐一比較，如果卡號(hào)正確則通過(guò)繼電器控制電磁鎖開門，如果是錯(cuò)誤的卡號(hào)則進(jìn)行報(bào)警提示。

大功率電器檢測(cè)模塊采集電網(wǎng)的電流和電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后分別接到單片機(jī)內(nèi)部的12位A/D轉(zhuǎn)換器的不同通道，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到房間供電的視在功率。一旦發(fā)現(xiàn)功率增加值超過(guò)程序設(shè)定的閾值則判定為有大功率電器使用，單片機(jī)立即通過(guò)供電控制模塊切斷電源以防止引起電氣火災(zāi)，同時(shí)發(fā)出聲音警告，間隔一定時(shí)間后自動(dòng)恢復(fù)供電。

ZigBee無(wú)線傳輸模塊與單片機(jī)通過(guò)串口連接，通信波特率設(shè)定為38400bps，單片機(jī)通過(guò)向ZigBee模塊發(fā)送16進(jìn)制數(shù)據(jù)可以對(duì)其進(jìn)行參數(shù)配置與通信控制。

2、基于ZigBee+ GPRS的無(wú)線傳輸

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量巨大、自組織多跳網(wǎng)絡(luò)、短距離無(wú)線連接等特點(diǎn)。利用ZigBee無(wú)線傳輸模塊構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。將每個(gè)數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備配置為路由器節(jié)點(diǎn)，每層公寓設(shè)置一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集路由器節(jié)點(diǎn)的信息。整個(gè)公寓設(shè)置一個(gè)總協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)收集每層協(xié)調(diào)器的信息，匯總整理后通過(guò)GPRS模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。

為了防止無(wú)線通信中的數(shù)據(jù)干擾，ZigBee模塊采用多點(diǎn)透?jìng)鞣绞剑磪f(xié)調(diào)器發(fā)的數(shù)據(jù)，所有路由器可以收到，而路由器發(fā)的數(shù)據(jù)，只有協(xié)調(diào)器收到。同一樓層的ZigBee模塊設(shè)置為相同的信道，不同的路由器配置為不同的地址，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)之間的通信協(xié)議采用主從機(jī)通信模式，當(dāng)主機(jī)（協(xié)調(diào)器）發(fā)送的地址與本機(jī)地址一致，從機(jī)（路由器）才發(fā)送信息，防止多個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送產(chǎn)生的數(shù)據(jù)沖突與干擾。另外不同層的無(wú)線傳輸模塊設(shè)置為不同的信道進(jìn)行通信，防止層與層之間的數(shù)據(jù)干擾。每層協(xié)調(diào)器通過(guò)動(dòng)態(tài)切換信道實(shí)現(xiàn)與總協(xié)調(diào)器之間的通信。

系統(tǒng)采用ATK-SIM900A GPRS模塊實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的遠(yuǎn)程傳輸。該模塊是一款尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊，采用SMT封裝，基于STE的單芯片案，采用ARM926EJ-S架構(gòu)，性能強(qiáng)大。網(wǎng)關(guān)控制器通過(guò)串口與GPRS模塊進(jìn)行接口，通信波特率為9600bps、無(wú)校驗(yàn)位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。網(wǎng)關(guān)控制器通過(guò)串口發(fā)送與GPRS短信息功能有關(guān)的AT指令來(lái)控制GPRS模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)關(guān)控制器將來(lái)自ZigBee總協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)處理后將其傳送給GPRS模塊，GPRS模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端的上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心。

3、下位機(jī)實(shí)物圖

公寓安全管理系統(tǒng)下位機(jī)實(shí)物圖如圖3所示。圖中左半部分是數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備，主要包括讀卡器、電流傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器、單片機(jī)控制板以及ZigBee路由器，負(fù)責(zé)完成房間的安全狀態(tài)信息采集和報(bào)警判斷。圖中右半部分是ZigBee+GPRS網(wǎng)關(guān)控制器，主要包括ZigBee總協(xié)調(diào)器、SIM900A GPRS模塊以及單片機(jī)控制板，負(fù)責(zé)收集匯總各個(gè)ZigBee路由器發(fā)出的報(bào)警信息，并將其進(jìn)行GPRS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換發(fā)送到遠(yuǎn)端的上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心。

四、系統(tǒng)上位機(jī)界面開發(fā)

利用B/S架構(gòu)和web技術(shù)在上位機(jī)開發(fā)公寓安全智能管理系統(tǒng)。采用sql server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)接收公寓總協(xié)調(diào)器通過(guò)GPRS傳送來(lái)的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警信息的存儲(chǔ)與管理。公寓安全管理系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面如圖4所示。

管理系統(tǒng)報(bào)警信息分三層進(jìn)行提示，首先是對(duì)有報(bào)警信息的房間所在的樓和單元進(jìn)行聲光報(bào)警顯示，工作人員點(diǎn)擊相應(yīng)的單元號(hào)就可以看到該單元的所有房間的安全狀態(tài)（分為正常、火災(zāi)、盜竊、大功率電器使用四種情況），如果某個(gè)房間顯示異常狀態(tài)，再次點(diǎn)擊該房間號(hào)就可以看到房間的聯(lián)系信息。此外該系統(tǒng)還具有信息管理和報(bào)表打印等功能。

五、系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)功能測(cè)試主要包括：ID卡識(shí)別模塊、火災(zāi)檢測(cè)模塊、紅外防盜模塊、大功率電器檢測(cè)模塊、供電控制模塊以及無(wú)線傳輸模塊測(cè)試。為了方便測(cè)試，將數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備、ZigBee+GPRS網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器和上位機(jī)服務(wù)器放在同一個(gè)房間，房間面積20m2，測(cè)試環(huán)境為室溫常濕條件。測(cè)試前首先檢查各接口連接狀態(tài)是否正確，避免因短路等原因造成系統(tǒng)損壞。隨后對(duì)系統(tǒng)加5V穩(wěn)定直流電壓，進(jìn)行各個(gè)項(xiàng)目的單獨(dú)測(cè)試試驗(yàn)，最后進(jìn)行多個(gè)項(xiàng)目參數(shù)聯(lián)合的測(cè)試試驗(yàn)。

ID卡識(shí)別模塊測(cè)試：將讀卡器安裝于門外側(cè)，ID卡識(shí)別與門禁控制板安裝在室內(nèi)；測(cè)試結(jié)果：ID卡識(shí)別反應(yīng)時(shí)間1s，識(shí)別正確率100%。

火災(zāi)檢測(cè)模塊測(cè)試：在鐵質(zhì)容器內(nèi)燃燒紙質(zhì)物品產(chǎn)生煙霧，用以測(cè)試煙霧傳感器輸出電壓變化；測(cè)試結(jié)果：火災(zāi)檢測(cè)反應(yīng)時(shí)間9s，識(shí)別正確率100%。

紅外防盜模塊測(cè)試：人體在房間內(nèi)移動(dòng)，測(cè)試紅外熱釋電傳感器輸出電壓變化；測(cè)試結(jié)果：紅外檢測(cè)反應(yīng)時(shí)間3s，識(shí)別正確率100%。

大功率電器檢測(cè)模塊測(cè)試：利用白熾燈、電腦和電熱水壺分時(shí)接入供電系統(tǒng)，測(cè)試單片機(jī)檢測(cè)到的功率變化情況；測(cè)試結(jié)果：檢測(cè)反應(yīng)時(shí)間5s，識(shí)別正確率100%。

供電控制模塊測(cè)試：利用按鍵觸發(fā)單片機(jī)系統(tǒng)，測(cè)試?yán)^電器狀態(tài)變化情況；測(cè)試結(jié)果：繼電器動(dòng)作反應(yīng)時(shí)間1s，正確率100%。

無(wú)線傳輸模塊測(cè)試：利用單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)串口發(fā)出報(bào)警信號(hào)，測(cè)試上位機(jī)是否收到正確數(shù)據(jù)；測(cè)試結(jié)果：通信時(shí)間5s，通信正確率100%。

最后將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行整體聯(lián)合調(diào)試，在上位機(jī)圖形界面應(yīng)能正確接收與顯示數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備傳送的各種危險(xiǎn)行為信息，實(shí)現(xiàn)了報(bào)警功能。測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多路傳感信息的準(zhǔn)確識(shí)別和報(bào)警信息的無(wú)線傳輸。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)和ZigBee+GPRS技術(shù)構(gòu)建公寓安全監(jiān)測(cè)、控制與管理系統(tǒng)，公寓房間內(nèi)布設(shè)多種傳感器，對(duì)房間的安全信息進(jìn)行感知與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。所有報(bào)警信息通過(guò)ZigBee+GPRS構(gòu)建的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示。ZigBee模塊采用多點(diǎn)透?jìng)鞣绞胶蛣?dòng)態(tài)切換信道機(jī)制，既解決了復(fù)雜的布線施工問(wèn)題，又有效避免了多個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送產(chǎn)生的數(shù)據(jù)沖突與干擾。