基于物聯(lián)網(wǎng)的智能防盜報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉志云

(阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程科技學(xué)院，安徽 阜陽 236031)

0 引言

隨著電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的逐步成熟，人們生活水平的提高，防盜意識也逐漸增強(qiáng)，對防盜報(bào)警裝置已不滿足于本地報(bào)警的功能，產(chǎn)品的便捷化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化成為消費(fèi)者的追求.我們身邊的生活小區(qū)無一不標(biāo)榜安防級別有多高，防盜門、防盜鎖的質(zhì)量有多好，但總時(shí)不時(shí)出現(xiàn)有小偷入侵，錢財(cái)被盜的現(xiàn)象.究其原因，小偷大多是趁家里無人的時(shí)候入室的.以此看來，只要現(xiàn)場沒人，再高級的機(jī)械鎖都能被強(qiáng)行打開，再大的報(bào)警聲都沒人能聽到，前來處理，防盜設(shè)備也就形同虛設(shè).本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到防盜報(bào)警裝置中，把原本孤立的報(bào)警器與主人手機(jī)、110報(bào)警電話關(guān)連，在多個(gè)應(yīng)用終端間搭建無線網(wǎng)絡(luò)，使主人和警察能在遠(yuǎn)端隨時(shí)接收報(bào)警信號，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)處理的目的，真正意義上提升安防效果.

1 擬解決的現(xiàn)實(shí)問題

1.1 GPS定位

防盜報(bào)警器內(nèi)嵌的GPS模塊可定位當(dāng)前位置，而且當(dāng)小偷觸發(fā)報(bào)警時(shí)，此定位信息在自動向110報(bào)警時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給警察，方便警察直達(dá)事發(fā)地.

1.2 遠(yuǎn)程報(bào)警

當(dāng)小偷觸碰到入戶門時(shí)，報(bào)警器內(nèi)嵌的傳感器受到?jīng)_擊波的影響，觸發(fā)報(bào)警，報(bào)警器的優(yōu)點(diǎn)在于：除了報(bào)警器本身的蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲以外，還可以通過Lora通信編碼和ZigBee無線傳輸，以移動手機(jī)App為平臺，將報(bào)警信息發(fā)送到預(yù)先設(shè)置的緊急聯(lián)絡(luò)人手機(jī)上，從而將家里有小偷的信息傳送給不在家的主人；遠(yuǎn)程報(bào)警的第二功能在于，同時(shí)啟動電話撥號系統(tǒng)，向預(yù)先設(shè)置的報(bào)警電話110發(fā)出撥號，并以語音的形式將GPS定位的位置信息告知給警察，實(shí)現(xiàn)自動報(bào)警.

1.3 錄像，保留小偷作案證據(jù)

小偷觸發(fā)報(bào)警器報(bào)警時(shí)，報(bào)警器內(nèi)嵌的攝像頭開始現(xiàn)場錄像，并將錄像文件傳送到室內(nèi)電腦保存，從而保留小偷作案證據(jù)，幫助警察破案.

2 物聯(lián)網(wǎng)防盜報(bào)警系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1 組網(wǎng)方案選擇

本設(shè)計(jì)目標(biāo)是在家庭入戶門上的報(bào)警器和主人手機(jī)之間建立無線網(wǎng)絡(luò)，家庭成員人數(shù)一般在10個(gè)以內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模10個(gè)節(jié)點(diǎn)[1]，無線傳輸只需將入戶門上報(bào)警器信息傳到室內(nèi)路由器，距離在百米以內(nèi)，再由路由器通過WiFi轉(zhuǎn)發(fā).通信數(shù)據(jù)量方面，只需發(fā)送報(bào)警信息，網(wǎng)絡(luò)通信流量不高，只有外力撞擊，需要報(bào)警時(shí)，網(wǎng)關(guān)設(shè)備才會喚醒終端手機(jī)App，傳輸一個(gè)報(bào)警信息，通信數(shù)據(jù)量不大，平時(shí)所有終端模塊處于休眠狀態(tài)[1].

根據(jù)以上分析，綜合該報(bào)警系統(tǒng)的功能特點(diǎn)和通信需求，參照ZigBee,Bluetooth,UWB,IrDA,homeRF幾種成熟的短距離無線通信技術(shù)的應(yīng)用案例[1]，歸納總結(jié)各無線傳輸技術(shù)的特點(diǎn)，選定適合本防盜報(bào)警系統(tǒng)的組網(wǎng)方案.UWB (Ultra Wideband)技術(shù)信號傳輸速度快，高達(dá)1 Gbps，而該報(bào)警系統(tǒng)的通信量很小，造成流量浪費(fèi)；Bluetooth技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速度約達(dá)1 Mbps，傳輸距離最遠(yuǎn)只能到10 m，傳輸距離太短；ZigBee技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸速度最高250 kbps，剛好能滿足報(bào)警信息的傳輸又不造成流量浪費(fèi)，點(diǎn)對點(diǎn)傳輸距離在10～75 m，且通過路由設(shè)備可無限擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)，延長傳輸距離，同時(shí)擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)容量.ZigBee無線傳輸頻率為2.4 GHz，調(diào)制電路簡單通用，ZigBee最大的優(yōu)勢是功耗低，省電，當(dāng)沒有通信需求的時(shí)候，自動進(jìn)入休眠省電狀態(tài)，一旦有通信需求，休眠的節(jié)點(diǎn)設(shè)備能在60 ms內(nèi)被迅速喚醒，進(jìn)入工作模式，收發(fā)數(shù)據(jù).鑒于數(shù)據(jù)流量、傳輸距離、網(wǎng)絡(luò)容量、傳輸頻帶，調(diào)制電路難度，功耗，延時(shí)、成本等方面分析比較，ZigBee無線傳輸技術(shù)更適合該防盜報(bào)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)需求，在此選擇ZigBee技術(shù)組網(wǎng).ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，該防盜報(bào)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建如圖2所示.

圖1 ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖圖2 智能防盜報(bào)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建圖

2.2 自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

自組網(wǎng)協(xié)議中，定義兩種設(shè)備：

1)節(jié)點(diǎn)設(shè)備

節(jié)點(diǎn)設(shè)備啟動時(shí)主動搜索與之匹配的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)編號識別，連接入網(wǎng).節(jié)點(diǎn)設(shè)備中安裝手機(jī)App，用于查詢報(bào)警器所在現(xiàn)場的狀態(tài).

2)網(wǎng)關(guān)設(shè)備(協(xié)調(diào)器)

網(wǎng)關(guān)設(shè)備負(fù)責(zé)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋.在廣播信道中發(fā)送報(bào)警信息，當(dāng)壓電傳感器受到?jīng)_擊，需要對節(jié)點(diǎn)設(shè)備傳遞警示信息時(shí)，觸發(fā)點(diǎn)對點(diǎn)傳輸.通信建立后對綁定的手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息.

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)報(bào)警器包括觸碰傳感器檢測模塊、超聲波傳感器模塊、GPS模塊、MCU處理器模塊STC15W408AS、Lora+ZigBee無線通信模塊SX1278/CC2530、Android手機(jī)App，其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖3所示.

圖3 智能報(bào)警器系統(tǒng)架構(gòu)圖

基于LoRa(SX1278)的433M無線通訊模塊.對MCU編寫其驅(qū)動程序，以及自組網(wǎng)協(xié)議程序.自組網(wǎng)協(xié)議中，定義兩種設(shè)備：①節(jié)點(diǎn)設(shè)備;②網(wǎng)關(guān)設(shè)備，

1)設(shè)備功能及實(shí)現(xiàn)

①節(jié)點(diǎn)設(shè)備：

節(jié)點(diǎn)設(shè)備啟動時(shí)，搜索事先設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)編號與網(wǎng)關(guān)連接.當(dāng)節(jié)點(diǎn)所連的網(wǎng)關(guān)上的壓電傳感器檢測到?jīng)_擊信號時(shí)，節(jié)點(diǎn)會立即發(fā)出報(bào)警音.

②網(wǎng)關(guān)設(shè)備：

當(dāng)網(wǎng)關(guān)上的壓電傳感器受到?jīng)_擊時(shí)，通過后續(xù)兩種途徑向節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)出報(bào)警消息：

a)立即上傳到事先綁定的一個(gè)或多個(gè)手機(jī)終端上，從而讓手機(jī)用戶立刻得到報(bào)警信息.

b)如果用戶沒有開手機(jī)App，則通過服務(wù)器上的網(wǎng)絡(luò)電話或短信模塊，通知預(yù)先設(shè)定的用戶.

2) 硬件需求

①節(jié)點(diǎn)設(shè)備:MCU：AT89S52；通信部分：LoRa(SX1278)模塊.

②網(wǎng)關(guān)設(shè)備:MCU：STM32；通信部分：LoRa(SX1278)+ZigBee(CC2530)無線模塊、網(wǎng)口模塊、GPS模塊.當(dāng)報(bào)警發(fā)生，實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)通信服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端與網(wǎng)關(guān)的即時(shí)通信.

③服務(wù)器設(shè)備:

a)如果發(fā)生報(bào)警，通過實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端與網(wǎng)關(guān)的即時(shí)通信.

b) 如果發(fā)生報(bào)警，并且手機(jī)App未開啟的前提下，通過服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)電話模塊或短信模塊，實(shí)現(xiàn)對用戶的即時(shí)通知.

3.2 智能防盜報(bào)警器功能模塊

1)報(bào)警信息的采集

本報(bào)警器的觸發(fā)信號由壓電傳感器提供，當(dāng)小偷觸碰到入戶門上報(bào)警器內(nèi)嵌的壓電傳感器時(shí)，壓電傳感器因受到力的作用發(fā)生形變，產(chǎn)生壓電效應(yīng)，從而觸發(fā)報(bào)警器上的蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警，同時(shí)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，向主人手機(jī)報(bào)警.

2)GPS模塊

GPS模塊是集成了RF射頻芯片、基帶芯片和核心CPU，并加上相關(guān)外圍電路而組成的一個(gè)集成電路，本設(shè)計(jì)采用SIRF三代芯片組的GPS模塊.

3)蜂鳴報(bào)警器

當(dāng)入侵檢測模塊的壓電傳感器發(fā)出觸發(fā)信號后，報(bào)警器上內(nèi)嵌的蜂鳴器開始蜂鳴報(bào)警.

4)通信模塊

該智能防盜報(bào)警系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，將獨(dú)立的入戶門上的報(bào)警器與主人手機(jī)組成無線網(wǎng)絡(luò)，本設(shè)計(jì)選用TI公司生產(chǎn)的CC2530 ZigBee通信模塊，網(wǎng)關(guān)設(shè)備上CC2530芯片配合相應(yīng)軟件程序，完成信號發(fā)射，網(wǎng)絡(luò)總控、喚醒節(jié)點(diǎn)的功能；節(jié)點(diǎn)設(shè)備上的CC2530芯片搭配相應(yīng)軟件程序，接收網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)來的時(shí)間信息，傳輸過程遵循ZigBee通信協(xié)議.

本系統(tǒng)使用了高效能LoRa擴(kuò)展芯片SX1278.VT-SX1278-433M無線模塊是基于SEMTECH的SX1278設(shè)計(jì)，支持FSK/OOK和LoRa調(diào)制模式，SX1278抗干擾能力強(qiáng)而且接收靈敏度很高.同時(shí)SX1278采用FEC前向糾錯(cuò)算法大大增加了其糾錯(cuò)能力，信息傳輸效率高.能夠主動地糾正被干擾的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高傳輸距離的同時(shí)保證了可靠性.

5) 中央處理器

中央處理器俗稱MCU，主要功能是協(xié)調(diào)整個(gè)時(shí)鐘控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)通信、電源監(jiān)控、計(jì)時(shí)監(jiān)控等模塊間的正常工作，實(shí)現(xiàn)通信同步.網(wǎng)關(guān)設(shè)備上的STM32處理器，兼具網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽，組網(wǎng)、信息傳輸?shù)瓤刂乒δ?

3.3 系統(tǒng)工作流程

網(wǎng)關(guān)設(shè)備通電后進(jìn)入系統(tǒng)自檢，然后廣播發(fā)送自身的ID號，周圍的節(jié)點(diǎn)設(shè)備開機(jī)后搜索網(wǎng)關(guān)信息，當(dāng)搜索到網(wǎng)關(guān)的ID號時(shí)發(fā)送連接請求，網(wǎng)關(guān)設(shè)備根據(jù)無線通信協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)安全驗(yàn)證，準(zhǔn)許聯(lián)網(wǎng)，即網(wǎng)絡(luò)連接完成[4].

在沒有通信請求時(shí)，網(wǎng)絡(luò)處于休眠狀態(tài)，每個(gè)終端手機(jī)App(節(jié)點(diǎn)設(shè)備)處于休眠狀態(tài).當(dāng)有人強(qiáng)行入侵時(shí)，網(wǎng)關(guān)設(shè)備和節(jié)點(diǎn)App開始通信，將網(wǎng)關(guān)設(shè)備上的報(bào)警信息發(fā)送給節(jié)點(diǎn)設(shè)備.首先，網(wǎng)關(guān)設(shè)備(入戶門上的報(bào)警器)向節(jié)點(diǎn)設(shè)備(手機(jī)App)發(fā)出通信請求，節(jié)點(diǎn)設(shè)備收到請求后立即被喚醒，進(jìn)入工作模式，同時(shí)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送應(yīng)答信號，做好通信準(zhǔn)備，然后，網(wǎng)關(guān)設(shè)備將報(bào)警信息傳送給節(jié)點(diǎn)設(shè)備，此時(shí)，節(jié)點(diǎn)設(shè)備收到網(wǎng)關(guān)設(shè)備傳來的報(bào)警信息開始播放報(bào)警鈴音.同理，觸發(fā)報(bào)警后，網(wǎng)關(guān)設(shè)備向110公共報(bào)警號發(fā)送報(bào)警信息.另外，網(wǎng)關(guān)設(shè)備將攝像頭錄像視頻傳輸?shù)绞覂?nèi)存儲裝置，以備破案.

1)Android手機(jī)App平臺

由于當(dāng)前手機(jī)市場Android系統(tǒng)更為普及，且Android是一個(gè)開源的平臺，更利于編程，本設(shè)計(jì)的軟件App選擇了Android平臺.智能防盜報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用人群廣泛，開發(fā)原則是簡單實(shí)用.App手機(jī)平臺作為智能防盜報(bào)警系統(tǒng)的一部分，自身的安全非常重要，我們對整個(gè)智能防盜報(bào)警系統(tǒng)的運(yùn)作方式以程序設(shè)計(jì)的思維進(jìn)行了細(xì)化，對代碼進(jìn)行混淆和加密，杜絕了反編譯式的破解，同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸，防止盜取和截?cái)啵ＷC了智能防盜報(bào)警系統(tǒng)自身App的安全可靠.在使用上加入設(shè)備綁定的功能，防止多設(shè)備的加入導(dǎo)致的安全隱患.

智能防盜報(bào)警系統(tǒng)移動應(yīng)用端在左上角的設(shè)置中可以進(jìn)行設(shè)備綁定、一鍵報(bào)警電話設(shè)置、GPS語音播報(bào)設(shè)置、應(yīng)用端系統(tǒng)設(shè)置能功能.

用戶可以在App主界面查看系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，控制臺的下端加入設(shè)備綁定、一鍵報(bào)警、設(shè)備狀態(tài)和系統(tǒng)開關(guān)四個(gè)快捷開關(guān)，方便用戶快速易操作.

當(dāng)智能防盜報(bào)警系統(tǒng)的入侵檢測模塊發(fā)現(xiàn)有入侵事件發(fā)生的時(shí)候會向用戶綁定的手機(jī)上推送通知.

用戶點(diǎn)擊推送過來的通知就可以對入侵行為進(jìn)行一鍵報(bào)警或者在設(shè)置中解除警報(bào)的操作.

2)網(wǎng)關(guān)平臺

圖4 軟件流程圖

網(wǎng)關(guān)平臺用STM32嵌入式Linux操作系統(tǒng)，內(nèi)核為ARM Cortex-M3，Linux系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是代碼結(jié)構(gòu)鮮明，且完全對外開放，軟件設(shè)計(jì)員可根據(jù)自己需要適當(dāng)引用源碼，Linux還具備完整工具鏈，可交叉運(yùn)行，“arm-linux-gcc”交叉編譯器安裝在Linux服務(wù)器上，輕松編譯相關(guān)軟件，然后將交叉編譯生成的可執(zhí)行鏡像文件下載到STM32平臺上，C語言源程序就編譯成ARM9處理器的obj文件了[4].

網(wǎng)關(guān)設(shè)備上通過壓電傳感器采集有人想強(qiáng)力入侵的信息，以IAR集成開發(fā)環(huán)境為平臺，集成的ZigBee協(xié)議棧程序支持ZigBee無線傳感網(wǎng)，經(jīng)編譯生成嵌入式obj文件.根據(jù)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的功能差異，分別將網(wǎng)關(guān)設(shè)備按照協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)類型(COORD)編譯，節(jié)點(diǎn)設(shè)備按照路由器類型(TOUTER)編譯[4]，生成不同類型的exe文件，將exe文件分別燒寫到網(wǎng)關(guān)設(shè)備和節(jié)點(diǎn)設(shè)備的CC2530芯片中.從而，形成了網(wǎng)關(guān)、節(jié)點(diǎn)兩種不同功能模塊.系統(tǒng)上電工作后，當(dāng)有人強(qiáng)行入侵時(shí)，系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)設(shè)備向節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)出通信請求、節(jié)點(diǎn)設(shè)備立即被喚醒并應(yīng)答，從而建立無線網(wǎng)絡(luò)連接，傳遞報(bào)警消息，數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，設(shè)備轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài).報(bào)警信息傳感網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)軟件運(yùn)行流程圖如圖4所示.

5 總結(jié)

建立了一種新型物聯(lián)網(wǎng)防盜報(bào)警系統(tǒng)，在市場現(xiàn)有居家防盜報(bào)警裝置的基礎(chǔ)上嵌入GPS模塊實(shí)現(xiàn)定位；嵌入無線發(fā)射模塊，實(shí)現(xiàn)報(bào)警器與移動手機(jī)終端間的信息通信，能通過手機(jī)App平臺通知主人家中的狀況；可實(shí)現(xiàn)自動向警察撥打110報(bào)警；嵌入攝像頭，可現(xiàn)場錄像并傳輸?shù)郊抑写鎯ρb置中保存.