基于物聯網智能感知系統的設計

海 濤，陶 虎，林 波，李昭勇，宋倩怡

（1.廣西大學 電氣工程學院，廣西 南寧 530004；2.廣西比迪光電科技工程有限責任公司，廣西 南寧 530031；3.華北電力大學 控制與計算機工程學院，北京 102206）

物聯網（The Internet of things）是指通過各種信息傳感設備和智能識別、運算設備，按約定的協議，實現對網絡節點的智能化識別、定位、跟蹤、監測、管理和操作的網絡系統［1－2］。物聯網實現了人與物、物與物的連接。物聯網被認為是繼互聯網之后的第三次信息產業革命，將被廣泛應用于農業、工業、公共安全、城市管理、智能交通、遠程醫療等領域［3］。

在現代社會中，安防系統是確保人們生命財產安全的重要保障，目前市場上的安防系統有兩種類型：以485總線為代表的有線型和以GPRS短信報警為代表的無線型。有線型系統功能單一、安裝復雜、成本較高；無線型系統雖然成本較低、能實現遠程短信報警，但報警內容單一、用戶無法迅速了解現場情況。基于此背景，設計了基于物聯網架構的智能感知系統。系統具有非法入侵檢測、災情檢測、視頻監控、遠程報警等功能，同時，用戶在任何地點、任何時間均可通過電腦、智能手機等終端實時查看監控區域的信息。當監控區域發生緊急情況時系統會將相關信息發送至小區物業、公安、消防等相關部門，實現緊急情況的及時處理。目前產品已經投放市場，效果較好。

1 系統的物聯網架構

物聯網按其功能分為感知層、傳輸層和應用層，各層具有各自的功能和特點。

（1）感知層由各種信息傳感設備構成，主要完成數據的采集，該系統中的感知層指由各種傳感器與ZigBee收發模塊構成的無線傳感網絡；

（2）傳輸層主要完成網絡接入、數據傳輸及相應的控制管理等工作，該系統中傳輸層包括GPRS網絡和互聯網［4］。

（3）應用層主要實現信息的處理、遠程監測、人機交互等，該系統中應用層指遠程信息監控平臺，包括服務器程序和各種用戶的應用軟件［5］。系統的物聯網架構圖如圖1所示。

圖1 系統的物聯網架構圖

1.1 ZigBee無線傳感網絡

該部分主要由三部分組成：ZigBee無線網關節點、路由節點和前端感知節點。

（1）ZigBee無線網關節點是網絡的控制中心，由控制芯片、ZigBee射頻收發單元及GPRS傳輸模塊等組成。網關節點發送和接收路由節點或前端感知節點的數據并通過GPRS模塊將數據發送到目標服務器，同時負責網絡的維護以及數據處理等工作。

（2）路由節點。在網關節點無法與終端節點建立連接時，路由節點作為網關和感知節點的中介實現路由通信功能，與此同時路由節點也具備采集數據的能力。

（3）前端感知節點。負責前端感知信息的采集，由各種傳感器（煙霧傳感器、溫濕度傳感器、門磁窗磁傳感器等）和ZigBee CC2530無線收發模塊組成。

1.2 GPRS網絡傳輸層

ZigBee網絡將采集到的報警數據上傳到協調器節點后，通過GPRS模塊與移動互聯網連接，并將數據傳送到后臺服務器，實現數據到互聯網的傳輸。

1.3 信息監控系統

由服務器及軟件組成，系統采用B／S架構。服務器從各網關節點接收信息，完成數據解析、處理、存儲、查詢、統計、網絡發布等功能。各種用戶可以通過各種終端（如手機、ipad、筆記本、PC機等）、使用 Web方式、隨時隨地訪問服務器獲得自己相應權限內的服務。

1.4 系統功能

該系統具有陽臺、門、窗等全方位的實時防盜監控功能，同時具備對家庭火災、煤氣泄漏、老人呼救等突發狀況時的實時報警與自動處理的能力。當家庭出現突發狀況如火災、非法入侵、煤氣泄漏、老人緊急呼救等突發狀況時，前端感知節點將相應報警信息通過ZigBee模塊傳輸到網關節點，網關節點隨即啟動攝像頭拍攝照片或視頻、保存并通過GPRS網絡將相關數據發送到后臺服務器，服務器根據預設的警情處理模式向用戶、小區保安中心、公安、消防等相關部門發送告警提示。告警形式多樣，可以是短信、電話及彩信等方式。用戶收到告警信息后可通過智能終端、PC登錄服務器查詢現場照片等信息，同時還可以通過網絡授權小區保安刷卡進入家中察看現場情況。小區物業監控中心、公安、消防中心接到監控系統告警信息時根據傳回系統的照片及相關信息及時地做出相應處理，大大增強了用戶家庭的安全性。此外用戶隨時隨地都可以通過網絡登錄服務器查詢家里的實時情況。

2 系統各部分硬件設計

本系統硬件結構框圖如圖2所示，主要由前端感知節點、路由節點、無線網關節點（中央協調節點）和遠程服務器設備組成。本文硬件設計部分重點介紹前端感知節點和無線網關的設計。

2.1 前端感知節點設計

前端感知節點主要負責傳感器信息的采集和傳送以及系統控制指令的傳輸（如門禁控制指令）。綜合考慮節點的功耗、接收靈敏度、發射功率及芯片成本等各方面的因素，前端感知節點采用TI公司的CC2530芯片。由各種傳感器與CC2530內嵌的8051單片機I／O口相連，實現數據交換。硬件框圖如圖3所示。該部分主要由傳感器模塊、ZigBee CC2530無線收發模塊、時鐘模塊、電源模塊等組成［6］。

2.2 路由節點設計

路由節點由ZigBee cc2530模塊構成，工作于2.4 GHz，自帶ZigBee協議棧，實現ZigBee通信，具有自動路由功能，在前端感知節點與無線網關節點之間起中繼作用，對數據進行融合、存儲和轉發［7］。

圖2 系統硬件結構框圖

圖3 前端節點硬件框圖

2.3 無線網關節點設計

網關節點主要負責完成ZigBee網絡與GPRS網絡的上下行數據封裝、解析、傳輸和協議轉換，ZigBee網絡的組建、節點的增加、刪除，攝像頭控制命令的發送，照片數據傳輸等工作，對實時性要求較高，需要硬件具備較強的運算、存儲和處理能力。網關采用三星公司的S3C2440微處理器作為控制核心，由ZigBee無線收發模塊CC2530、GPRS模塊、FLASH、SDRAM、TFT LCD顯示屏、遙控鍵盤輸入接口等組成。S3C2440最高工作頻率可達400MHz，具有豐富的I／O接口，功能強大的外設支持接口，能完全滿足系統的功能需求。硬件結構如圖4所示。

2.3.1 網關電源模塊

圖4 網關硬件結構框圖

電源電壓的穩定與負載能力是整個系統的穩定性及網關使用壽命長短的重要決定因素。由于GPRS模塊在啟動、數據發送接收時需要較大的瞬時電流（SIM900B模塊的VBAT電源需要提供2A以上的電流），因此要求電源能提供較大的瞬時電流，且電壓穩定性要好，本網關采用負載特性好、輸出驅動電流可以達到3A的LM2596S－5.0開關電壓調節器，電路原理圖如圖5所示。

圖5 5V電源供電電路原理圖

S3C2440的內核工作電壓為1.8V，I／O口工作電壓為DC3.3V，需分開供電。此外S3C2440內部具有模擬部件和數字部件，為降低數字部分產生的高頻噪聲對模擬部分的影響，需要將模擬地（AGND）與數字地（GND）進行隔離（如圖6所示）。

圖6 降噪電路

2.3.2 網關ZigBee模塊

網關主要是通過S3C2440處理器完成前端Zig－Bee網絡與后端GPRS網絡的數據交換。ZigBee模塊接收前端感知節點發送的數據，通過模塊串口與S3C2440通信，S3C2440再通過另外一個串口與GPRS模塊交換數據，從而完成了前端ZigBee傳感網與GPRS網絡的數據交換。ZigBee模塊采用新一代SOC芯片 CC2530，CC2530支持IEEE 802.15.4標準，支持ZigBee RF4CE協議，擁有多達256個字節的快閃記憶體，可采用4種供電模式、具有8KB的RAM 32／64／128／256KB多種閃存容量，外設豐富，包括12位ADC、USART 2個、通用GPIO口21個等［8－9］，接收器靈敏度高、抗干擾性強。

2.3.3 網關控制核心

網關控制核心完成ZigBee協議與GPRS網絡協議的轉換，數據的存儲、處理、控制命令的發送等工作。控制核心采用三星公司的S3C2440處理器。該處理器有3個UART口，其中UART0口與CC2530的USART0口相連，完成CC2530與網關的數據交換；UART1口與GPRS模塊的UART接口相連，實現網關與GPRS模塊的數據交換。S3C2440最高工作頻率可以達到400MHz，擁有130個通用I／O口、60路中斷源等豐富的資源，可以很好地滿足系統的實時性的要求［10－13］。

2.3.4 網關 GPRS模塊

GPRS模塊采用SIMCOM公司新推出的SIM900B模塊。SIM900B是屬于B2B類型的四頻GSM／GPRS模塊，工作頻率為GSM／GPRS 850／900／1 800／1 900MHz，采用工業標準接口，性能穩定、性價比高。SIM900B工作的電路原理圖如圖7、圖8所示。

2.3.5 無線接收單元

無線網關具有3種工作模式：設防模式、撤防模式和緊急報警模式。

（1）設防模式。網關收到的傳感器報警信號有效。

圖7 SIM900B工作電路圖

圖8 SIM卡工作電路圖

（2）撤防模式。網關收到的報警信號無效。

（3）緊急報警模式。專為老人、兒童設置的緊急情況報警模式，只要緊急按鍵被按下系統就立即發送緊急報警信息。

網關通過無線遙控器設定其工作模式。采用市場上常用的315MHz無線射頻遙控器，網關無線接收單元由PT2272解碼芯片和315M無線接收模塊構成［11］，其硬件原理如圖9所示。當PT2272與遙控器編碼芯片PT2262的地址相同時，網關才能接收遙控器發射的信號，S3C2440通過I／O口讀取PT2272芯片解碼的數據，并根據讀取的數據做出相應的處理。

3 軟件設計

3.1 前端感知節點軟件設計

圖9 無線接收模塊

前端感知節點程序主要負責傳感器報警信號的檢測，并將報警信息發送到路由節點。前端感知節點的程序流程圖如圖10所示。初始化配置完成之后進入休眠模式，當前端傳感器被觸發時通過中斷的形式喚醒CC2530模塊，并檢驗有效性，如報警信息有效則將信息發送至路由節點，之后重新回到休眠模式。

圖10 前端感知節點流程圖

3.2 路由節點軟件設計

路由節點主要完成路由選擇、數據的收發、存儲，程序流程圖如圖11所示。為降低功耗，路由節點的CC2530處于休眠狀態，當收到其他節點的喚醒信號時，則被喚醒，并開始接收同步網絡信號、收發、存儲數據，完畢后重新回到休眠模式［12］。

3.3 無線網關的軟件設計

3.3.1 嵌入式Linux系統的移植

Linux系統用戶界面功能強大、網絡功能豐富、系統安全性能好、可靠性高、移植性強，已經成為當前嵌入式領域主流的操作系統。移植Linux2.6.32版本到系統中，按以下四步進行：

圖11 路由節點流程圖

（1）下載Linux源代碼及補丁；

（2）根據arm體系結構給系統打補丁使其符合要求；

（3）精簡內核，刪除內核中使用不到的部分；

（4）建立交叉編譯環境，移植文件系統。

3.3.2 應用程序設計

圖12 網關節點工作流程圖

網關工作流程如圖12所示，為了提高系統的實時性，網關利用Linux操作系統多線程的特點，將各任務分為不同優先級類別，系統線程根據本身的優先級別處理相應類型的任務。系統上電啟動后完成初始化及相關配置，包括S3C2440的硬件初始化（如串口配置）和CC2530、SIM900B模塊的初始化（如模塊通信波特率等初始化設置）；初始化完成之后，系統開始執行各個子任務，CC2530進入休眠狀態，GPRS模塊連接網絡；網絡連接成功之后則進行系統時鐘與服務器的時鐘同步；時鐘同步完成后，網關上傳本身的設備編號到服務器，服務器收到設備編號后查詢數據庫，驗證網關的合法性，驗證成功后則接收數據，否則拒絕接收，斷開連接。為確保網關永遠在線，需要定時查詢GPRS模塊的信號強度（AT＋CSQ）是否注冊到網絡（AT＋CREG）及TCP連接狀態（AT＋CIPSTATUS），若連接斷開了則重新發送連接指令［13］。

3.3.3 遠程數據中心的實現

遠程數據中心由數據服務器和Web服務器組成，主要負責前端采集數據的存儲、查詢、用戶信息管理等。該系統基于Windows Severe2003操作系統和SQL Server2005數據庫系統，采用Delphi 7.0開發了遠程監控平臺。監控系統主要由數據管理模塊、信息服務模塊、系統管理模塊三部分組成，系統操作界面如圖13所示。

圖13 遠程監測系統界面

（1）數據管理模塊。數據管理模塊主要負責完成數據的接收、解析、存儲及處理等工作。通過監聽服務器端口，將網關節點通過GPRS發送來的數據按照預先定義的協議解析后存入數據庫，并根據解析后的信息作出相應的處理。

（2）信息服務模塊。該模塊主要完成采集信息的顯示、查詢、發送、系統參數設置、控制指令發送等功能。為用戶提供報警信息查詢、報警現場圖片顯示、記錄查詢、下載等服務。

（3）系統管理模塊。該部分主要完成用戶權限管理、系統維護、用戶費用管理等功能。

4 結論

針對當前家庭安防應用的需求以及當前家庭安防產品存在的問題，提出了基于物聯網架構的智能感知系統，并提出了實現用戶、小區保安、消防中心、“110”報警中心全面互聯的智能系統的解決方案。克服了當前家庭安防系統誤報率高、安裝復雜、成本高、用戶無法準確掌握家里情況的缺點，同時系統安裝方便，操作簡便，運行維護成本低并便于開發自己獨特的商業模式，市場前景廣闊。

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