物聯網下的嵌入式家居安全監控系統設計與實現*

陳德裕，張憲隸，顧曉濤，蘇嘯晨

（1．南通大學計算機科學與技術學院，江蘇 南通 226019;2．江蘇富士通通信技術有限公司軟件事業部，江蘇蘇州 215128）

0 引言

隨著我國城市化建設步伐的加快以及互聯網的廣泛普及，人們對家居安全的要求越來越高。一方面是因為現代科技水平的提高使得一些安全設備的性能大大提高而價格反而越來越能為普通居民接受［1］，另一方面，因為人們生活節奏的加快和外出活動、旅游時間的增加，人們在家中的時間普遍減少。當人們在單位上班、出差或旅游時，非常想了解家居的安全情況。因此，如何借助于計算機網絡、傳感器、物聯網和信息處理等技術，把普通家居中的安全信息實時地發送到手機或網絡上，讓家居主人實時地掌控家中的安全情況，或者當家中存在安全隱患時，系統能夠智能地報警和處理就成為現代家居安全的一個主要研究課題。本文的研究目的就在于通過計算機網絡，借助于相關物聯網技術的應用，以實現對普通家居的財產、人生安全進行有效地保護，這對于和諧社會的建設、穩定社會的生活以及減災、抗災具有一定的積極意義。

1 系統分析和總體框架設計

對于一個普通家庭來說，主要的安全威脅來自于:1）家庭財產的安全;2）第二是居民生命的安全。根據我國城鄉居民的家居現狀和所受到的安全威脅，以占絕大多數的中低收入居民的家居安全監控要求作為本文的研究對象，從經濟性、實用性、操作方便等3個方面進行著手，確定系統的總體框架和結構如圖1和圖2所示［2］。

圖1 系統的總體框架Fig 1 Overall framework of system

圖2 系統的結構示意圖Fig 2 Structure diagram of system

其中，防盜模塊是要實現對家居的防盜竊、防止非法入侵等功能;防水模塊是要在家中無人或家人在夜間熟睡之時，對由于水管爆裂等原因造成水面溢出而產生的水澇等現象進行報警;煤氣安全模塊是要保護家庭安全使用煤氣，在煤氣產生漏溢時能保護居民的生命安全;防火安全模塊主要是要做到當家中可能會出現火災時能自動報警并產生一些措施;醫療安全子模塊主要是對家庭人員的偶發、突發病情進行報警，使得病人能夠得到快速救治。系統中各模塊的功能通過相應的數據采集裝置傳送至接口板上，經過A/D處理之后從COM口交給軟件部分。軟件部分針對不同的安全要求在處理完數據后，如果超出了設置的閾值，啟動切斷水閥、煤氣閥、電源等機關，同時進行聲、光、電和網絡等報警處理。其中網絡報警又可以把相關的報警信息傳輸至120急救中心、119火警中心、110報警中心［3］、手機和網絡上。

2 系統的軟硬件設計

2．1 系統原理與設計理念

作為一個面向普通家庭的智能家居安全監控系統，在綜合考慮硬件材料、技術、經濟性等各種因素后，確定本系統由控制中心、傳感器節點、管道控制節點和攝像頭節點組成。控制中心負責整個系統的數據處理、節點管理、報警服務和外部接入服務;傳感器節點負責數據采集［4］;管道控制節點用于控制水管和煤氣管道［5］;攝像頭節點負責視頻采集和數字圖像處理［6］。系統可以通過GPRS服務提供報警信息，用戶可以通過WEB服務接入到系統并進行控制和系統設置。

系統采用二級控制方式。節點的微處理器管理和控制該節點的所有功能部件;控制中心管理和控制所有節點。每一個傳感器節點連接多個不同功能的傳感器，每個傳感器都有一個固定地址，傳感器節點以輪詢的方式對各個傳感器進行控制，當傳感器節點微處理器檢測到傳感器采集到的數據達到了報警閾值就會向控制中心發出報警信息;傳感器節點微處理器收到控制中心的查詢請求后將請求信息反饋給控制中心。控制中心也是采用周期性輪詢的方式對各個節點進行管理和控制，并將查詢到的數據存儲在文件中。控制節點根據控制中心的指令控制該節點的控制部件。

系統的網絡架構由無線傳感器網絡和家庭網絡組成。除攝像頭節點以外的節點和控制中心組成無線傳感器網絡，控制中心和攝像頭節點接入到家庭網絡中。

2．2 系統的硬件設計

根據需求，本文設計本系統的硬件部件由無線傳感器網絡、數據服務中心［7］、攝像頭及控制器、家庭局域網、路由器等組成。其中無線傳感器網絡由無線傳感器網絡節點組成，傳感器網絡節點硬件結構如圖3所示。傳感器網絡主要負責收集家庭環境數據，提供給數據服務中心。數據服務中心對無線傳感器網絡收集的數據進行進一步的處理，判斷是否發生異常需要報警，是否觸發某些事件。數據服務中心對家庭局域網發送的請求予以處理并返回給用戶相應的數據。視頻處理中心負責處理攝像頭的數據（識別是否有人經過，并保存相應的數據）和控制攝像頭的狀態（啟動，停止等）。攝像頭通過家庭局域網與數據服務中心相連接，視頻處理中心從屬于數據服務中心，受數據服務中心的控制。

圖3 傳感器網絡節點硬件結構圖Fig 3 Hardware structure of sensor network node

數據服務中心硬件結構如圖4所示。數據服務中心使用S3C2440芯片作為處理芯片，配合256M的存儲器，主要負責保存各個傳感器的數據、狀態以及和外網的通信。射頻收發器采用與結點相同的射頻收發器。GPRS模塊主要在需要緊急報警的時候向主人（可以是多人）發送短信報警。

圖4 數據服務中心硬件結構圖Fig 4 Hardware structure diagram of data service center

2．3 系統的軟件設計

根據上述分析和設計，確定本系統的軟件開發采用結構化方法，將軟件部分按照功能共劃分為6個模塊:FMServer，WSNServer，CAMServer，CGI程序，節點控制程序和無線傳感器網絡協議。其中，FMServer，WSNServer和CGI程序工作在數據服務中心，CAMServer工作在視頻處理中心，節點控制程序和無線傳感網絡協議工作在無線傳感網。主要模塊的設計介紹如下。

WSNServer的主要職責是管理和控制相應的傳感器和控制器。本系統中的傳感器主要有煙霧傳感器、溫度傳感器等，而控制器主要是繼電器和步進電機。WSNServer通過傳感器獲取家庭環境中的有關數據并將這些數據寫入狀態文件以供CGI模塊使用，若有數據超出允許范圍則產生報警信息并寫入與FMServer通信的管道文件中，以供FMServer模塊使用。與此同時，該模塊還反復讀取與FMServer通信的管道文件，以獲得從CGI傳來的控制信息，并以此來控制相應的控制器，以實現對煤氣管道、用水管道等的自動控制。WSNServer的工作流程如圖5所示。

FMServer是在數據服務中心中作為不同服務進程間的信息轉發模塊。FMServer主要的任務就是從相應管道接收到來自相應模塊的請求后，根據請求的類型把請求信息寫入目標模塊的通信管道以便目標模塊進行處理。FMServer的工作流程如圖6所示。

圖5 WSN Server工作流程圖Fig 5 Working flow chart of WSNS erver

CAMServer是視頻監控服務程序，它工作在視頻處理中心，主要的職責是對非法入侵者進行圖像采集并產生報警信息，同時將異常圖像信息保存成JPEG文件，將報警信息寫入與FMServer通信的管道文件，以便將信息傳遞給FMServer模塊作進一步處理。同時該模塊反復讀取與FMServer通信的管道文件，以便根據FMServer模塊發出的命令控制攝像頭的打開和關閉或者獲取實時圖像在瀏覽器上顯示。工作流程如圖7所示。

3 系統的實現

圖6 FMServer工作流程圖Fig 6 Working flow chart of FMServer

圖7 CAMServer工作流程Fig 7 Working process of CAMServer

經過調試運行，系統實現了防火、防煤氣漏溢、防水、防盜等基本監控功能。系統包括主控中心、GPRS、傳感器組、傳感器節點、攝像頭、協調器等部分。系統的防水、防煤氣漏溢、防火、和防盜等功能的測試如圖8～圖11所示。系統的報警部分通過了手機、平板電腦和普通電腦的測試。

圖8 水位監測傳感器測試Fig 8 Test of water level monitoring sensor

圖9 可燃性氣體傳感器測試Fig 9 Test of combustible gas sensor

4 結束語

1）將無線傳感器網絡技術應用到普通家居安全監控中。系統應用無線傳感器網絡使節點不僅可以與控制中心通信而且具備路由功能，通過在IEEE 802．15．4標準的基礎上開發的無線傳感器網絡的路由協議，適合家庭網絡的信息傳輸，方便傳感器節點的綁定與釋放，實現自動組網。這不僅使系統具有可擴展性，而且增強了系統的可靠性。

圖10 溫測火警傳感器測試Fig 10 Test of temperature measurement fire alarm sensor

圖11 攝像頭監控測試Fig 11 Test of camera monitoring

2）嵌入式WEB服務為用戶提供了可視化交互平臺:系統提供WEB接入服務，通過電腦或手機上的瀏覽器直接接入到系統管理平臺，實行可視化的管理，無需安裝客戶端。

3）利用數字圖像處理技術完成防盜功能:系統的防盜功能由門磁傳感器、紅外對管傳感器和攝像頭節點共同完成。攝像頭節點除了提供視頻采集，還具備圖像處理功能。通過攝像頭節點的圖像對比，降低了系統的誤報率。

4）傳感器集中管理方式:每個傳感器節點連接多只不同功能的傳感器，這樣減少了傳感器節點的數量，降低了系統成本。

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