基于WSNs 和3G 網(wǎng)絡的無線遠程安防監(jiān)控系統(tǒng)*

楊國斌，李秋紅，王太宏

(湖南大學 微納光電器件及應用教育部重點實驗室，湖南 長沙410082)

0 引 言

居家安全是人們安居樂業(yè)的基礎，也是共建和諧社會的重要環(huán)節(jié)。隨著計算機、通信和微電子技術的飛速發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對于居住環(huán)境的安全性與可管理性也有了更高的要求。傳統(tǒng)的安防系統(tǒng)，控制中心與終端多采用基于總線的有線連接方式，這種連接方式具有布線復雜、線路易腐蝕、維護不方便等缺點;遠程用戶與控制中心之間的通信多采用電話線和網(wǎng)線的通信方式，這種種通信方式通信質量不高，并且通信速率也受到很大的限制。

目前，迅速發(fā)展的第三代移動通信技術和日益成熟的無線傳感器網(wǎng)絡(WSNs)技術分別得到了廣泛的應用，為新一代安防系統(tǒng)提供了有力的技術保障。文獻［1～3］基于3G 網(wǎng)絡設計了遠程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，文獻［4～6］設計了一種基于 Zig Bee 的 WSNs 網(wǎng)關并應用于家居網(wǎng)絡，文獻［7］設計了一種基于Zig Bee 和GPRS 的溫度控制系統(tǒng)，文獻［8］設計了一種基于 Zig Bee 與GPRS 的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)等。目前，大多數(shù)應用沒有將WSNs 和3G網(wǎng)絡有機的統(tǒng)一起來，而應用于安防系統(tǒng)也是初步，也沒有達到智能監(jiān)測和控制。

本文提出一種智能無線遠程安防監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了基于Zig Bee 的 WSNs 和基于 GPRS 的3G 網(wǎng)絡以及Internet，采取ARM 為服務器，PC 和智能手機為客戶端的混合C-S 和B-S 體系結構。該系統(tǒng)既可以使用PC 進行控制訪問，也可以通過智能手機訪問，當用戶在監(jiān)控室時可以直接用PC 控制整個系統(tǒng)的運行，當用戶在出門在外時可以通過智能手機實時察看室內(nèi)情況，而且當室內(nèi)環(huán)境異常時，該系統(tǒng)會自動運行短信報警程序，實現(xiàn)真正的智能安防。

1 系統(tǒng)總體設計

整個系統(tǒng)由無線傳感器、Internet、GPRS 網(wǎng)絡和ARM 服務器及PC 和智能手機客戶端組成。WSNs 采用Zig Bee 技術組網(wǎng)，不同類型的傳感器置于網(wǎng)絡的節(jié)點上，采集數(shù)據(jù)，并由基站傳到ARM 服務器。同時，視頻監(jiān)控設備采集視頻信息也傳到ARM 服務器，存儲在數(shù)據(jù)庫中并進行處理。PC和智能手機分別通過Internet 和3G 網(wǎng)絡訪問ARM 服務器，讀取或發(fā)送信息，從而監(jiān)控整個家居環(huán)境。系統(tǒng)體系結構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)體系結構Fig 1 Architecture of system

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)總體硬件結構

系統(tǒng)主要由WSNs、S3C6410 核心處理器、GPRS 通信模塊、視頻和音頻采集設備、電源管理模塊等部分構成。本系統(tǒng)選用韓國三星電子的32 位處理器S3C6410 作為系統(tǒng)控制的核心處理器。該處理器采用 ARM1176JZF-S 的核，包含16kB 的指令數(shù)據(jù) Cache 和16kB 的指令數(shù)據(jù) TCM，ARM Core 電壓為 1.1 V 的時候，可以運行到 553 MHz，在 1.2 V 的情況下，可以運行到667 MHz。基于Zig Bee 的WSNs 部分選用TI 公司的CC2530 芯片。3G 無線上網(wǎng)卡選用了華為EC122 卡。系統(tǒng)總體硬件結構如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體硬件結構圖Fig 2 Overall hardware structure of system

2.2 WSNs

傳感器節(jié)點主要由傳感器、單片機、電源模塊和Zig Bee 模塊構成。本系統(tǒng)采用溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器及煤氣傳感器等多個傳感器。傳感器采集信息并將采集的電信號轉換為數(shù)字信號，傳感器與單片機之間通過I/O 口通信，單片機收集傳感器采集的數(shù)據(jù)，并通過Zig Bee網(wǎng)絡傳遞給ARM 服務器，單片機與Zig Bee 模塊采用串口通信，電源模塊負責為整個傳感器節(jié)點供電。傳感器節(jié)點硬件如圖3 所示。

圖3 傳感器節(jié)點硬件結構圖Fig 3 Hardware structure diagram of sensor node

2.3 無線視頻監(jiān)控

視頻采集設備采用中微星ZC301 攝像頭，實現(xiàn)無線視頻監(jiān)控的無線網(wǎng)卡設備為水星MW54U USB 無線網(wǎng)卡，采用 IEEE 802.11g，IEEE 802.11b 標準，支持 WPA-/WPA-PSK，WPA2/WPA2-PSK 等高級加密機制，即插即用并支持Wi-Fi 網(wǎng)絡，內(nèi)部芯片型號為 ATHEROS 的 AR9271，為內(nèi)核添加該設備驅動，配置網(wǎng)絡參數(shù)后即可使用。

2.4 無線音頻監(jiān)控

音頻模塊采用nRF24Z1，它是挪威Nordic 半導體公司于2005 年推出的單片式光盤(compact disc，CD)音質無線數(shù)字音頻芯片，其工作于2.4 GHz 自由頻段，工作電壓為2.0～3.6 V，片內(nèi)集成了電壓管理器，能夠最大限度地抑制噪聲。該模塊還提供了控制信息，如音量、平衡、顯示等雙向傳輸?shù)墓δ堋?/p>

2.5 GPRS 通信模塊

GPRS 模塊采用 SIM300，它是 SIMCOM 公司推出的GSM/GPRS 三頻/四頻模塊，集成了完整的射頻電路和GSM的基帶處理器，內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議棧，適合開發(fā)無線應用產(chǎn)品，應用范圍十分廣泛。嵌入式處理器發(fā)出的報警信息通過RS-232 傳送到SIM300 模塊，然后再由SIM300 發(fā)送相應的報警短信到用戶的手機終端。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 傳感器節(jié)點的模塊

WSNs 節(jié)點作為整個系統(tǒng)最基礎最重要的一部分，主要完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、部分處理，以及發(fā)送。傳感器節(jié)點通電后，首先進行各項初始化工作，檢查是否有來自上層的配置命令，如果有，對命令進行解析，然后采集各個模塊的數(shù)據(jù)，最終將采集到的數(shù)據(jù)通過Zig Bee 無線通信模塊發(fā)送出去;如果沒有，則采用系統(tǒng)默認的方式采集數(shù)據(jù)。流程圖如圖4 所示。

3.2 無線視頻監(jiān)控模塊

PC 與無線視頻通訊采用Ad Hoc 模式，實現(xiàn)PC 與視頻的點對點通信，省去了無線AP，并且無線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡架設過程十分簡單，同時它還為內(nèi)部LAN 或Internet 連接的用戶提供了一種更為簡單的數(shù)據(jù)和文檔共享方式。

圖4 傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸流程圖Fig 4 Flow chart of data transmission of sensor node

系統(tǒng)具有手動捕捉監(jiān)控畫面，現(xiàn)場運動檢測并保存動態(tài)畫面的功能。編寫的捕捉畫面程序 mouse_capture 與Web 服務器結合，實現(xiàn)捕捉現(xiàn)場畫面，用戶點擊控制界面按鈕實現(xiàn)抓圖和保存。當用戶不在現(xiàn)場時，通過motion 運動檢測模塊與Web 服務器，系統(tǒng)可以自動記錄現(xiàn)場照片并保存。

3.3 服務器模塊

服務器主要接收并存儲WSNs 以及視頻和音頻設備采集的數(shù)據(jù)，并根據(jù)設定的各項報警閾值，通過GPRS 通信模塊實現(xiàn)自動報警功能。主要設計如下:

1)Web 服務器:操作系統(tǒng)采用Linux 2.6.32，數(shù)據(jù)庫采用SQLite，它是一種中小型嵌入式數(shù)據(jù)庫。Web 服務器通過HTTP 協(xié)議與監(jiān)控端瀏覽器軟件進行信息交互，提供其他應用程序模塊的接口和視頻數(shù)據(jù)瀏覽界面以及系統(tǒng)控制界面。本系統(tǒng)采用適合于嵌入式系統(tǒng)的Boa Web 服務器。Boa 是一個單任務的HTTP 服務器，支持能夠實現(xiàn)動態(tài)Web技術的CGI 技術，源代碼開放、性能高。服務器程序本身所占空間很小，適用于嵌入式系統(tǒng)。根據(jù)開發(fā)環(huán)境將Boa 源碼交叉編譯，得到可執(zhí)行文件Boa，根據(jù)Boa.conf 這個文件配置好系統(tǒng)Boa 服務器相關參數(shù)，系統(tǒng)上電啟動后，將服務器設置為自啟動，等待客戶端的連接請求并與之交互。

2)CGI 接口:CGI 即通用網(wǎng)關接口，它是網(wǎng)頁的后臺處理程序，運行在Web 服務器上。CGI 程序可以用來在Web內(nèi)加入動態(tài)的內(nèi)容，通過接口，瀏覽器能夠發(fā)送一個可執(zhí)行應用程序的HTTP 請求，而不僅僅只是靜態(tài)的HTML 文件。CGI 程序運行結束，生成 HTML 頁面，Web 服務器把 CGI 程序運行的結果送回用戶瀏覽器。CGI 結合Web 服務器，可以有效地實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控并發(fā)送控制信號，充分體現(xiàn)系統(tǒng)的實時性。

3)自動報警:當監(jiān)控數(shù)據(jù)超過系統(tǒng)設定的閾值，ARM服務器會啟動GRPS 模塊，向用戶手機發(fā)送報警信息。首先，由ARM 發(fā)送AT 命令對SIM300 初始化，使其處于等待發(fā)送短信的狀態(tài)。系統(tǒng)開啟后，每隔一定的時間查詢一次傳感數(shù)據(jù)信息，并與預設的限度進行比較，如果超出限度，則通過串口發(fā)送相應的報警命令給ARM 服務器。ARM 服務器將收到的報警信息轉換為相應彩信，并通過SIM300 發(fā)送到用戶的手機。流程如圖5 所示。

圖5 自動報警流程圖Fig 5 Flow chart of automatic warning

4)Web 控制界面:該部分包括系統(tǒng)的登陸界面和控制界面，采用HTML 超文本標記語言實現(xiàn)。系統(tǒng)啟動后，在瀏覽器上輸入系統(tǒng)IP 地址就可以打開系統(tǒng)登陸界面，登陸后出現(xiàn)系統(tǒng)控制界面，視頻圖像可以直接在該界面實現(xiàn)輸出，并與系統(tǒng)實時交互。

3.4 智能手機客戶端

智能手機客戶端是整個系統(tǒng)的監(jiān)測與控制終端之一，主要是數(shù)據(jù)的監(jiān)測顯示并并發(fā)出控制信息。傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，通過Zig Bee 網(wǎng)絡傳到基站，然后通過RS-232 上傳到服務器，智能手機作為客戶端，通過3G 網(wǎng)絡訪問系統(tǒng)服務器。服務器將數(shù)據(jù)通過3G 網(wǎng)絡發(fā)送到客戶端。用戶通過智能手機查看所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，同時也可以通過發(fā)送配置命令來控制傳感器的工作方式，程序流程圖如圖6 所示。

圖6 手機客戶端軟件流程圖Fig 6 Software flow chart of mobile phone client

客戶端控制界面采用QT 進行編寫。用戶可以通過多種方式查看監(jiān)控數(shù)據(jù)，比如:實時查詢，歷史查詢等。用戶也可以表格的方式察看監(jiān)控數(shù)據(jù)，以表格的方式顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測試

將整個系統(tǒng)聯(lián)通進行測試，每個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，通過Zig Bee 網(wǎng)絡傳到基站，然后通過RS-232 上傳到服務器，視頻數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳到服務器，用戶使用PC 機或手機通過無線網(wǎng)絡訪問系統(tǒng)服務器。測試時每2 min 獲取一次數(shù)據(jù)，用戶可以查看實時的傳感數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 實時動態(tài)監(jiān)控測試數(shù)據(jù)Tab 1 Realtime dynamical monitoring and test datas

測試時，通過人為方式改變室內(nèi)溫度使其超過系統(tǒng)設定的最大限度，改變室內(nèi)濕度超過系統(tǒng)設定的最大值，人為增加室內(nèi)的煤氣濃度和煙霧濃度超過系統(tǒng)設定的最大限度，此時，系統(tǒng)自動啟動短信報警程序，向用戶手機發(fā)送報警信息。

5 結束語

本文從硬件和軟件上系統(tǒng)介紹了一種基于WSNs 和3G 網(wǎng)絡的無線安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ARM 嵌入式處理器為服務器，通過WSNs 采集數(shù)據(jù)，以PC 和智能手機為客戶端，實現(xiàn)了PC 和智能手機實時監(jiān)控與短信主動報警的功能。該系統(tǒng)組網(wǎng)方式簡便、可靠、功耗低、成本小、容易擴充、實時性強，能夠較好地解決WSNs 大量信息的采集問題。同時Ad Hoc 模式在沒有無線路由的情況下實現(xiàn)無線通訊，降低了系統(tǒng)成本。軟件上各個功能模塊的獨立運行，相互不干擾，增加了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。相比傳統(tǒng)的有線視頻監(jiān)測，該系統(tǒng)應用更加靈活，也更廣泛。

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