基于物聯網的智能警報系統優(yōu)化算法研究

張紅軍，袁艷林，石博文

（1.安陽學院 計算機學院，河南 安陽 455000；2.平頂山職業(yè)技術學院 計算機系，河南 平頂山 467000）

1 引言

警報系統是指用物理方法或電子技術，自動探測發(fā)生在布防監(jiān)測區(qū)域內的侵入行為或意外險情，產生報警信號，并提示人員發(fā)生報警的區(qū)域，顯示可以采取的對策的系統[1]。

警報系統分為探測系統與報警系統，一些精密智能的警報系統還有主控系統。警報系統產品通常分為三部分：探測器部分，警報部分和主控部分。前兩者是所有警報系統都必備的，第三部分是高端系統所采用的技術[2]。探測器部分是一個警報系統的靈魂，傳統的有紅外探測、熱感探測、顆粒物探測等。新型的有震動探測、聲波探測、虹膜識別、人臉識別等[3]。目前探測器的發(fā)展方向是多樣化、靈敏化、清晰化[4,5]。

現有智能警報系統技術還不夠成熟，存在不夠長效穩(wěn)定、操作不簡便、不便于擴展等弊端?；诖耍疚脑O計一套基于物聯網的智能警報系統，并進行算法優(yōu)化和實現。

2 基于物聯網的智能警報系統

2.1 系統簡介

本設計主要分兩部分，一是硬件部分，二是軟件部分。硬件部分由電源四塊、pw-01 藍牙芯片、有源蜂鳴器、AD/DA 模塊、DC-DC 穩(wěn)壓升壓模塊、pwm 模塊組成。軟件部分則是基于Android 系統的手機端。手機端由Android 語言制作界面，Java語言編寫后臺。

功能主要有三部分：一是利用藍牙芯片進行測距，實時監(jiān)測硬件部分與手機端之間的距離，并實時反饋給手機端，手機端接收并顯示。二是當硬件部分離手機端過遠，藍牙信號斷開時，手機發(fā)出震動。三是當手機端發(fā)出指令時，硬件部分蜂鳴器發(fā)出警報聲。

2.2 硬件部分

2.2.1 硬件部分組成

本設計有兩組電源供電，每組電源由2 塊3 V的紐扣電池組成。有源蜂鳴器有一個獨立供電電源，pw-01 藍牙芯片、AD/DA 模塊、穩(wěn)壓升壓模塊、pwm 模塊共享另一個供電電源。

PW-01 藍牙模塊是主從機一體，串口數據透傳，超低功耗的藍牙透傳模塊。本模塊基于藍牙4.0 協議標準，采用美國德州儀器TI CC2541 芯片作為核心處理器。支持Android 手機、平板、電腦連接，可廣泛應用于2.4 G 低功耗藍牙系統，進行數據采集、傳輸及控制。部分引腳可做數字信號輸出之用。本設計采用的AD/DA 模塊是基于I2C 接口的模塊，8 位精度，四通道AD，單通道DA，電壓輸出型。將輸入的數字信號改變?yōu)槟M信號輸出，將輸入的模擬信號改變?yōu)閿底中盘栞敵?。采用的DC-DC 穩(wěn)壓升壓模塊輸入電壓1.2 V至6 V，輸出電壓為1.5 V 至15 V，輸出最大電流500 uA。采用的PWM 模塊內嵌芯片NE555，進行脈沖寬度調制，可從0%調整至占比100%。采用的有源蜂鳴器，是一種一體化結構的電子訊響器，內含驅動線路，采用S8050 三極管驅動。當pwm 模塊輸出高電平脈沖便可被驅動，發(fā)出警報聲。

2.2.2 硬件部分工作原理

電源供給藍牙芯片電源，藍牙芯片接收APP發(fā)出的指令，發(fā)射脈沖信號。AD/DA 模塊接收脈沖信號，轉化為模擬信號之后發(fā)送給穩(wěn)壓升壓模塊。穩(wěn)壓升壓模塊接收信號，將電壓升高并穩(wěn)住電壓，將電壓輸出給pwm 模塊。pwm 模塊接收電壓開始工作，通過調整電位器，調整輸出的脈沖信號脈寬，使輸出的脈沖高電平占比100%，驅動蜂鳴器。蜂鳴器接收高電平信號進而被驅動，發(fā)出警報聲。硬件系統工作原理如圖1 所示。

圖1 硬件工作流程圖

2.3 軟件部分

2.3.1 AT 指令集

AT 指令集，是pw-01 藍牙模塊內置的一款指令集。它主要用于pw-01 藍牙模塊的操縱與控制。它幾乎涵蓋了pw-01 藍牙模塊的所有工作場景與應用方式。具體指令與工作方式如表1 所示。

表1 AT 指令集

2.3.2 手機端APP

手機端APP 界面由Android 語言設計，后臺由JAVA 語言編寫。主要包括APP 界面文件、藍牙協議文件、通信文件、圖標文件等。主要功能便是與硬件部分的pw-01 藍牙芯片通信、發(fā)送AT指令，最終目的是控制整個硬件部分。

2.4 測試條件和方法

2.4.1 仿真實驗測試條件

空曠地帶的藍牙信號傳輸距離與系統工作狀態(tài)、建筑物密集區(qū)的藍牙信號傳輸距離與系統工作狀態(tài)、人群密集區(qū)的藍牙信號傳輸距離與系統工作狀態(tài)、藍牙芯片工作頻段、藍牙芯片發(fā)射功率、藍牙芯片低供電電壓、透傳速率、各部分工作狀態(tài)下的電流電壓、藍牙芯片功耗。

2.4.2 仿真實驗測試方式與場地

測試選擇在上課時間段校園四面鐘廣場及周邊道路，模擬空曠地帶；選擇中午放學時間段的校園四面鐘廣場及周邊道路，模擬人群密集區(qū)；選擇在圖書館大樓內部，模擬建筑物密集區(qū)。每種模擬區(qū)域中，各測試指令發(fā)送不低于5 次。使用示波器、萬用表、手機端返回值、計算機等工具測試觀察硬件部分各元器件的各項數值，各元器件測試不低于3 次，并做準確記錄。

3 優(yōu)化算法關鍵技術研究與實現

3.1 藍牙芯片通信

本設計采用的pw-01 藍牙模塊，內部核心處理器是美國德州儀器所產的TI CC2541 芯片，通信協議標準采用的是藍牙4.0 協議標準，與以往的標準有很大的不同[6]。準確的來說藍牙4.0 標準是由兩個協議構成，一個是傳統的藍牙協議（classic bluetooth），另一個是低功耗部分協議（low energy）。本設計的核心技術有三點，一是手機端與藍牙芯片之間的通信；二是藍牙芯片對硬件部分的控制；三是手機端對藍牙芯片的遙控[7]。如此一來，本設計核心技術關聯到藍牙芯片與手機端這兩大部分。

藍牙通信系統共有4 部分組成，無線射頻單元（Radio）、基帶或鏈路控制單元（LinkController）、鏈路管理單元（LinkManager）、藍牙通信協議實現[8]。在本設計中，無線射頻單元負責數據和語音的發(fā)送和接收；基帶或鏈路控制單元負責將射頻信號、數字或語音信號之間相互轉化，實現基帶協議和其它的底層連接規(guī)程；鏈路管理單元負責管理藍牙設備之間的通信，實現通信鏈路的建立、驗證與鏈路配置等操作；藍牙通信協議實現與主機接口、高層協議、應用程序之間的通信[9]。

藍牙通信協議部分包含了AT 指令集，AT 指令集是在藍牙協議棧之上的應用軟件所涉及到的協議[10]。

3.2 藍牙對硬件部分的控制

本設計藍牙芯片對硬件部分的控制主要通過AT 指令集控制藍牙芯片的管腳，各管腳發(fā)出高低電平，進而實現對硬件部分的控制。pw-01 藍牙芯片擁有管腳20 個，具體結構如圖2 所示。

圖2 Pw-01 藍牙芯片管腳結構圖

3.3 手機端核心算法技術

手機端APP 的核心技術在于藍牙接口的開發(fā)。軟件核心代碼內容依次為：申請權限，打開藍牙，搜索設備，連接設備，設備通信，斷開連接。設備通信又可以分為：等待設備連接成功，開啟掃描服務，獲取負責通信的 BluetoothGatt-Characteristic，開啟監(jiān)聽，寫入數據，接收數據。

4 實驗結果與分析

本設計采用JDK 和VMware 仿真軟件進行測試，測試性能指標如表2 所示。

表2 測試性能指標

實驗結果表明，與其它算法相比，本文提出的算法操作方便，便于擴展，在各種環(huán)境下運行良好，工作狀態(tài)穩(wěn)定，各部分工作電壓電流均正常穩(wěn)定，無異?，F象，且具有更強的魯棒性。