ZigBee在學生公寓安全監(jiān)控系統(tǒng)中應用

摘要：本文針對當前學生公寓安全問題，提出了一種利用ZigBee技術(shù)，結(jié)合傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)以及嵌入式技術(shù)對學生公寓安全進行實時監(jiān)控的設計。主要功能包括監(jiān)測宿舍是否違規(guī)用電、是否有非法人員入侵以及檢測宿舍火災，旨在減少宿舍盜竊、火災等事件的發(fā)生。通過對系統(tǒng)進行實地測試，實驗結(jié)果表明，數(shù)據(jù)能夠準確可靠傳輸，對異常情況系統(tǒng)能夠及時報警，提高學生公寓安全性。本文網(wǎng)絡版地址：http：//www.eepw. com.cn/article/266051.htm

關(guān)鍵詞：學生公寓安全；ZigBee；盜竊；火災

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.11.008

引言

由于高校學生公寓管理日趨復雜化，學生公寓成為各高校安全事故的多發(fā)地段。每年發(fā)生在學生宿舍里的火災達數(shù)千起之多，燒毀學生的財物，甚至燒傷燒死學生的事例屢見不鮮。2008年11月4日，上海商學院徐匯小區(qū)女生宿舍違規(guī)使用熱得快導致火災發(fā)生，由于逃生方式不對，造成4名女生從六樓陽臺墜亡[1]。2001年至2007年，學生宿舍每年盜竊案件造成學生財產(chǎn)損失高達30余萬元[2]。當前學生公寓安防系統(tǒng)功能比較單一、造價高，在部分學校得到實施。例如北京科技大學2001年投入近260萬元完善學生公寓安全防范系統(tǒng)[2]。實踐表明系統(tǒng)仍存在一些缺陷，如報警系統(tǒng)由于某線路故障而不能及時報警。針對以上問題，本文設計了一種基于ZigBee技術(shù)，低成本、易安裝、安全性高的學生公寓安全監(jiān)控系統(tǒng)。設計免去了大量的布線復雜、降低了成本，信息傳輸準確可靠，重點對宿舍違規(guī)用電以及宿舍防盜進行了詳細設計，并通過在本人所在院校學生公寓的實際環(huán)境下，對系統(tǒng)功能進行實驗測試，證明系統(tǒng)有效可行，發(fā)生異常能及時報警。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

為了可以方便地對每個房間進行監(jiān)測管理，提高傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑴p少能量損耗和數(shù)據(jù)丟包，監(jiān)測系統(tǒng)采用樹簇型結(jié)構(gòu)作為網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)[3]。由于樓內(nèi)墻壁等障礙物較多，對信號有較強的衰減、吸收、反射等影響，系統(tǒng)采用了三級樹簇型結(jié)構(gòu)。把每個樓層作為一個簇，在每層的樓梯口或障礙物少的地方放置路由器節(jié)點（作為簇頭負責管理本樓層）；在樓層中的每個房間安置路由器節(jié)點（負責管理本房間）以及若干個終端節(jié)點（負責現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集）；所有樓層的簇頭節(jié)點組成一個簇，從中選取一個簇頭直接和協(xié)調(diào)器進行通信，協(xié)調(diào)器通過串口或網(wǎng)絡與管理中心計算機通信，傳輸數(shù)據(jù)和命令。這種結(jié)構(gòu)設計層次分明、管理方便、易于維護，大大降低了信號干擾的影響，有利于數(shù)據(jù)準確、快速地傳輸。本系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

在每個房間內(nèi)采用星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)， 其中路由器負責收集房間內(nèi)的環(huán)境信息，然后轉(zhuǎn)發(fā)給上一級路由器，同時發(fā)送管理中心命令到各個終端節(jié)點。房間內(nèi)終端節(jié)點如圖2所示。

2 硬件單元設計

2.1 終端節(jié)點設計

終端節(jié)點的主要功能是數(shù)據(jù)采集。由于終端節(jié)點需要長時間運行，因此采用低功耗的MCU，硬件電路結(jié)構(gòu)應盡量簡單，降低系統(tǒng)功耗，終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

CC2430是Chipcon公司（編者注：已被TI公司收購）推出的用來實現(xiàn)嵌入式ZigBee應用的片上系統(tǒng)，它集成了CC2420RF收發(fā)器、增強工業(yè)標準的8051MCU、32/64/128KB閃存、8KB SRAM等高性能模塊，具有超低能耗。

天線部分使用外接的單極天線，電源采用CR14250型號鋰電池，它具有電壓高、重量輕、體積小等優(yōu)點，可以滿足監(jiān)控子節(jié)點小型化、長期運行、低功耗的要求。為防止電源電壓不穩(wěn)定，使用相關(guān)的穩(wěn)壓芯片并在電源輸入端加入電容，濾除電源噪聲。

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點設計

協(xié)調(diào)器是整個ZigBee網(wǎng)絡的核心，具有網(wǎng)絡的發(fā)起、建立、參數(shù)的設定、網(wǎng)絡管理和維護等功能。協(xié)調(diào)器節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，采用三星公司S3C2410作為協(xié)調(diào)器的主控模塊，內(nèi)嵌Linux操作系統(tǒng)，通過SPI與CC2430模塊連接。S3C2410最高工作頻率達203MHz，體積小、功耗低，擁有豐富片的外資源。協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，它主要包括電源模塊、無線收發(fā)模塊以及JTAG調(diào)試接口等。節(jié)點提供JTAG調(diào)試接口，只需外接調(diào)試器即可進行系統(tǒng)在線調(diào)試，方便系統(tǒng)程序的二次開發(fā)。無線收發(fā)模塊采用CC2430外加低功耗、高性能射頻前端CC2591芯片，通信距離可達1000m左右，增加網(wǎng)絡覆蓋的范圍，增強節(jié)點的無線收發(fā)能力。節(jié)點通過串口或網(wǎng)口與監(jiān)控中心的計算機通信。

2.3 檢測電路設計

主要功能包括：

（1）檢測火災發(fā)生并報警，在宿舍及樓道內(nèi)部署煙霧傳感器和溫度傳感器，采樣點數(shù)符合覆蓋面積互補原則，避免出現(xiàn)監(jiān)測盲區(qū)，全面監(jiān)測火災發(fā)生。

（2）監(jiān)測惡性負載（如電熱爐、熱水器等大功率違規(guī)設備的使用，一旦發(fā)現(xiàn)立刻斷電，記錄宿舍號等信息。

（3）當宿舍發(fā)生非法人員入侵時，立刻報警，并記錄現(xiàn)場狀況信息。

2.3.1 惡性負載檢測電路

惡性負載（如電熱爐、熱水器等）是線性負載，這類負載一般僅由電阻組成，不包含電容等元件，所以其輸入電壓波形與輸入電流波形在形狀上是一致的。而計算機、電視機之類的非線性負載，在負載電路中一般有電容存在，這使得電源只有在高于電容電壓時做功，導致輸入電流發(fā)生畸變，所以對于這類設備，雖然輸入的交流電壓是正弦波形，但其輸入交流電流的波形卻嚴重畸變，呈脈沖狀。利用這一特點，通過對電流波進行周期性采樣，求出電流波形在正半周內(nèi)的面積，利用不同負載對應電流波形正半周面積不同這一原理來識別負載[4]。具體硬件單元電路如圖5所示。

R0將負載上的電流波轉(zhuǎn)換為電壓波后，經(jīng)過放大整形電路送入多路選擇器，CC2430內(nèi)部的8051 MCU通過輸出周期性的選通信號控制多路選擇器的使能端來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的周期性采樣。采樣信號送入A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換完成之后送入CC2430暫存起來，發(fā)送到管理中心計算機，利用軟件分析來識別惡性負載，根據(jù)分析結(jié)果發(fā)出切斷負載供電指令。

2.3.2 宿舍防盜報警電路

電路主要包括單片機、數(shù)字鍵盤、光電式傳感器以及報警器等，整個電路的工作過程主要包括兩部分。

（1）人員進入宿舍。首先在宿舍門框上方安裝光電式傳感器，位置如圖6所示。利用光電式傳感器的遮光式原理，門關(guān)閉時光電式傳感器的收發(fā)元件正好相對，門打開時，由于收發(fā)元件之間光束被阻斷，導致接收元件信號急劇下降，經(jīng)過放大、轉(zhuǎn)換傳輸至單片機觸發(fā)報警器。然后在宿舍門外安裝數(shù)字鍵盤，通過有線的方式與單片機相連。預先設定密碼，當有人進入宿舍時，需先輸入密碼取消報警，否則打開門時將觸發(fā)報警。為防止人員進入時忘記輸入密碼，可設置語音提示。輸入正確密碼后，單片機檢測到接收元件信號急劇下降（開門），一段時間后接收信號正常（關(guān)門）時，自動重啟報警。

（2）人員離開宿舍。為了防止人員外出開門時觸發(fā)報警，在開門裝置附近安裝光電式傳感器。利用光電式傳感器的反射式原理，開門時人的手會遮擋住光源發(fā)出的光線，單片機檢測接收元件接收到信號時立刻取消報警。人外出關(guān)門后，單片機自動重啟報警。同時防止外出時忘記關(guān)門或鎖門，設置語音提示。

系統(tǒng)采取宿舍內(nèi)和管理中心雙重報警，防止宿舍無人時非法人員進入。同樣可以把本電路安裝到窗戶等其他地方，防止非法人員從這些地方進入盜竊。本設計結(jié)構(gòu)簡單、硬件成本低、易安裝，但軟件編寫相對復雜些，對系統(tǒng)實時性要求較高。防盜報警電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括節(jié)點（協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)點）和管理中心主機的軟件設計。終端節(jié)點采取混合式WSN（無線傳感器網(wǎng)絡）工作模式[5]對環(huán)境進行實時監(jiān)測 。一方面節(jié)點以一定的周期不斷地采集環(huán)境變量，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到管理中心；另一方面將傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行處理，提取監(jiān)測環(huán)境狀態(tài)的特征信息，判斷是否有異常發(fā)生，并將異常信息及時發(fā)送到管理中心。為了降低功耗，節(jié)點完成之后進入休眠狀態(tài)，同時設置為可被一些異常情況產(chǎn)生的中斷喚醒。管理中心可以通過3G無線網(wǎng)絡傳輸給遠程監(jiān)控中心計算機，供遠程監(jiān)控中心調(diào)閱，實現(xiàn)異地遠程監(jiān)控。節(jié)點（協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)點）工作流程如圖7所示。

使用Visual C++ 設計監(jiān)控中心的管理軟件，并配備計算機、操作系統(tǒng)和應用軟件，負責對系統(tǒng)中的所有節(jié)點進行可視化管理，包括數(shù)據(jù)處理、分析、顯示、存儲，狀態(tài)異常報警、節(jié)點信息管理、系統(tǒng)用戶管理以及系統(tǒng)參數(shù)的設置等功能。

4 實驗結(jié)果

選取成都理工大學的4個宿舍（不同的樓層）作為實驗對象，對系統(tǒng)部分功能進行實地測試。在每個宿舍布置2個煙霧傳感器和1個溫度傳感器，對應樓層樓梯口處放置路由器節(jié)點，協(xié)調(diào)器安裝在公寓樓門口位置，通過串口與管理中心計算機通信。利用可控的制冷加熱裝置對溫度傳感器進行測試，設定溫度報警值為60℃。隨機選取顯示器上任意兩個宿舍的8個溫度測量值，實驗數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

從表中可以看出：溫度測量誤差最大是0.5℃，誤差范圍比較小。在宿舍1內(nèi)采用人工生煙的方法，對環(huán)境情況進行改變，采用煙霧傳感器檢測環(huán)境的煙霧濃度。設定煙霧濃度報警值為1000ppm，選擇測試時間為10：00-10：19，煙霧濃度測試結(jié)果如表3所示。實驗結(jié)果表明當煙霧濃度超過設定值時將發(fā)生報警。

利用惡性負載檢測電路分別檢測熱水器（線性負載）和電視機（非線性負載），通過示波器觀察它們電壓電流輸入波形，截取一部分如圖8所示（左邊為熱水器，右邊為電視機）。把檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到管理中心，經(jīng)計算機軟件分析處理。結(jié)果表明，當負載為熱水器時，將發(fā)生報警。

5 結(jié)論

本文介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、硬件設計和軟件設計，對一些重要電路和關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細分析和設計。雖然ZigBee技術(shù)的傳輸功率低，調(diào)制方式比較簡單，在2.4GHz ISM頻段具有很好的抗干擾性，只要采取必要措施，ZigBee可以和其他同頻段系統(tǒng)共存的。盡管與其他無線通信相比ZigBee有很多優(yōu)點，但它在信號抗干擾、抗屏蔽等方面仍然存在一些不足，另外公寓樓內(nèi)障礙物較多和電子設備的干擾，這些都會影響系統(tǒng)通信的質(zhì)量和距離。通過對一些硬件設備采取接地、濾波等處理，降低外界信號干擾。增加采集數(shù)據(jù)的頻率，采取濾掉最大值和最小值求平均值的方法，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，降低誤碼率的發(fā)生。本設計具有很強的擴展性，當需要監(jiān)測公寓樓內(nèi)其他環(huán)境變量時，只需增加相應的終端節(jié)點。當管理中心無人看守時，可以在主機上增加無線通信模塊，通過GPRS方式把重要信息傳輸?shù)焦芾碚呤謾C等通訊設備上，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和管理。

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