家庭安防系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信問題的研究

申 威 李若童

（中國礦業(yè)大學(xué)〈北京〉機電與信息工程學(xué)院，中國 北京 100083）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，社會結(jié)構(gòu)和社會治安都日趨復(fù)雜，入室搶竊、偷盜等諸多社會問題時有發(fā)生，使得人們對家庭生命財產(chǎn)的安全越來越重視。為了滿足人們對家庭安全防范的更高要求，及時發(fā)現(xiàn)入室搶劫等危險情況，并在第一時間內(nèi)迅速通知給用戶，將險情遏制在萌芽階段，從而更好的保護住宅用戶的利益。家庭安防系統(tǒng)應(yīng)運而生，家庭安防系統(tǒng)的研究，可以使用戶跨越時間、空間的阻隔進行遠(yuǎn)程監(jiān)控工作[1]，提高了住宅的安全防盜性能，可以有效的保護用戶的生命財產(chǎn)安全，具有較高的應(yīng)用價值。

家庭安防系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)的，系統(tǒng)功能實現(xiàn)的重點在于數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)通信是通信技術(shù)和計算機技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的通信方式。需要把文本、圖像、視頻、音頻等元素與二進制數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換傳輸。本文在實現(xiàn)了一套家庭安防系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，著重對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信問題做出研究，并提供了一套有效的解決方案。

1 開發(fā)工具簡介

1.1 MyEclipse

MyEclipse是一個功能十分強大的企業(yè)級集成開發(fā)環(huán)境，是在eclipse的基礎(chǔ)上集成自己的插件開發(fā)而成的，主要用于Java還有Java EE和移動應(yīng)用的開發(fā)。MyEclipse擁有完備的編碼、調(diào)試、測試和發(fā)布功能，完整支持HTML,CSS,Javascript,Struts,JSF,SQL,Hibernate。MyEclipse在結(jié)構(gòu)上可以被分為 7類特征：（1）J2EE 模型；（2）WEB 開發(fā)工具；（3）EJB 開發(fā)工具；（4）應(yīng)用程序服務(wù)器的連接器；（5）J2EE 項目部署服務(wù)；（6）數(shù)據(jù)庫服務(wù)；（7）MyEclipse整合幫助。 MyEclipse通過各種各樣的的插件來提供以上的功能。MyEclipse具有模塊化的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)θ我荒K實現(xiàn)單獨的升級和擴展。

1.2 Android

Android是一種操作系統(tǒng)，是基于Linux開發(fā)而成，開放源碼，它主要被使用于移動設(shè)備，如平板電腦和智能手機。Anroid平臺對第三方軟件是完全開放的，開發(fā)者可以更加自由的在平臺上開發(fā)程序。Android系統(tǒng)是不收費的，這樣可以節(jié)省開發(fā)者開發(fā)的成本。Android平臺主要擁有5大特點：（1）開放性：Android聯(lián)盟允許所有的移動終端設(shè)備廠商加入到 Android平臺；（2）擺脫運營商的制約：用戶能夠更方便地去連接網(wǎng)絡(luò)，減少了運營商對用戶的束縛；（3）硬件選擇更加豐富：眾多的Android設(shè)備廠商提供了五花八門、功能各式各樣的產(chǎn)品；（4）開發(fā)商不會受到任何的限制：Android平臺擁有一個非常寬泛、十分自由的生態(tài)環(huán)境，使得開發(fā)商不會被太多的條條框框而阻擾；（5）Google應(yīng)用：Android平臺設(shè)備可以非常方便的使用Google服務(wù)。

2 系統(tǒng)功能簡介

家庭安防系統(tǒng)主要由三部分組成，硬件端采集系統(tǒng)、服務(wù)器管理系統(tǒng)和手機移動終端。硬件端利用溫度傳感器、振動傳感器與攝像頭，實現(xiàn)對家庭安全防盜信息的采集；服務(wù)器端對數(shù)據(jù)進行存儲分析；手機端對數(shù)據(jù)進行展示，以及防盜報警。系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)對家庭內(nèi)部的監(jiān)控，能夠采集家庭內(nèi)的溫度、振動、圖像信息，并且能將這些信息發(fā)送到服務(wù)器上。當(dāng)家庭內(nèi)有異常（陌生人非正常進入）時，可以檢測出異常，然后通過服務(wù)器將報警信息發(fā)送到用戶的手機上。用戶可以通過手機登錄服務(wù)器來查看家中的溫度、振動、圖像信息，并且可以發(fā)送特定的指令信息給服務(wù)器，修改家庭內(nèi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的一些參數(shù)（采集頻率、開關(guān)狀態(tài)等）。

3 通信功能實現(xiàn)

家庭安防系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信功能主要分為三個模塊：（1）硬件端與服務(wù)器端通信：硬件端網(wǎng)關(guān)把采集的數(shù)據(jù)分析壓縮后上傳到服務(wù)器端，服務(wù)器端向硬件端發(fā)送監(jiān)控參數(shù)設(shè)置信息；（2）服務(wù)器端與手機端通信：服務(wù)器端對硬件端上傳的數(shù)據(jù)進行存儲分析，向手機端提供數(shù)據(jù)調(diào)用的展示和異常時的報警，手機端向服務(wù)器端設(shè)置監(jiān)控參數(shù)；（3）服務(wù)器端與PC客戶端通信：服務(wù)器端向PC客戶端提供數(shù)據(jù)調(diào)用的展示，PC客戶端向服務(wù)器端傳送數(shù)據(jù)操作生成的數(shù)據(jù)信息。具體的系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信框架如圖1。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信框架圖

3.1 硬件端與服務(wù)器端通信

家庭安防系統(tǒng)面對的用戶群非常廣泛，同一時間需要支持大量的硬件端數(shù)據(jù)上傳，而且數(shù)據(jù)上傳的頻率非常高，因此，服務(wù)器需要支持大規(guī)模的并發(fā)連接。傳統(tǒng)的Socket通信是阻塞的、非異步的，連接數(shù)較多將會出現(xiàn)資源不足的情況，程序響應(yīng)出現(xiàn)延遲，甚至崩潰。Apache Mina是一個網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用框架，也就是說，它主要是基于UDP/IP和TCP/IP協(xié)議棧的通信框架，我們可以使用Mina快速的開發(fā)高性能并且高擴展性的網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用，Mina提供了基于事件驅(qū)動和異步（Mina的異步IO默認(rèn)使用的是JAVA NIO作為底層支持）操作的編程模型[2]。messageReceived是Mina中用于接收消息的方法，在此方法中進行消息的處理。核心代碼如下：

3.2 服務(wù)器端與手機端通信

3.2.1 WebService 調(diào)用

WebService是一種跨編程語言和跨操作系統(tǒng)平臺的遠(yuǎn)程調(diào)用技術(shù)[3]，WebService使用HTTP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，采用XML格式來封裝數(shù)據(jù)（在XML中要說明調(diào)用遠(yuǎn)程服務(wù)對象的什么方法，傳遞的是什么參數(shù)，還有服務(wù)對象會返回什么結(jié)果）。家庭安防系統(tǒng)服務(wù)器端將已經(jīng)開發(fā)好的功能和數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上某個地址，手機客戶端通過訪問這個地址獲取所需的功能。WebService發(fā)布的核心代碼如下：

服務(wù)器端提供了和手機端進行交互的各式各樣的方法，具體的WebService方法如圖2。

圖2 WebService方法

3.2.2 推送報警信息

家庭安防系統(tǒng)很重要的一個功能就是服務(wù)器端向手機端實時推送報警信息，目前的推送技術(shù)有幾種常用的解決方案[4]。（1）輪詢(Pull)方式：手機端會不間斷的主動連接服務(wù)器，查詢是否有推送消息到達，選取這個方式需要注意的是輪詢頻率的選擇，如果太慢，消息可能會遭到延遲，假如太快，電量和網(wǎng)絡(luò)會被大量消耗；（2）SMS(Push)方式：在使用Android平臺的設(shè)備上，通過對SMS消息的攔截，程序可以分析服務(wù)器推送消息的意圖，并對消息內(nèi)容進行分析和處理。選取這個方案，可以完全的實現(xiàn)實時操作，但是運營成本是比較高的，目前基本上沒有可以免費發(fā)送短消息的網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)這個方案；（3）持久連接(Push)方式：這個方案能夠解決由輪詢方式帶來的消息延遲問題，但是還是會消耗手機的網(wǎng)絡(luò)帶寬和電池電量，也會大大增加服務(wù)器的并發(fā)連接壓力。家庭安防系統(tǒng)的主要目的是實時預(yù)警，及時的發(fā)現(xiàn)危險情況，因此推送信息的實時性是必須要保證的。考慮到報警信息所需的實時性、偶然性和信息的重要性，項目采用了第二種解決方案，通過調(diào)用短消息發(fā)送網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)報警信息的推送功能。

3.3 服務(wù)器端與PC客戶端通信

服務(wù)器端與PC客戶端的通信主要采用了AJAX技術(shù)，AJAX（異步JavaScript和XML）是一種創(chuàng)建交互式網(wǎng)頁應(yīng)用的網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)[5]。AJAX的優(yōu)點：（1）無刷新的更新數(shù)據(jù)：AJAX最大的一個優(yōu)點是可以與服務(wù)器交換很少量的數(shù)據(jù)，而不用去刷新整個前端頁面；（2）與服務(wù)器異步通信：AJAX采用異步的方式和服務(wù)器進行通信，不會中斷用戶的操作，響應(yīng)能力更加迅速；（3）前端與后端負(fù)載平衡：AJAX客戶端閑置時，可以為服務(wù)器端負(fù)擔(dān)一些工作，節(jié)約寬帶成本；（4）基于標(biāo)準(zhǔn)并且被廣泛支持：AJAX基于被廣泛支持而且標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)，不必下載小程序或者安裝瀏覽器插件，但是客戶需要允許在瀏覽器上運行JavaScript代碼；（5）應(yīng)用與界面分離：有利于提高開發(fā)效率，減少程序錯誤。

4 結(jié)語

本文從實際需求出發(fā)，闡述了一套家庭安防系統(tǒng)的實現(xiàn)，并對家庭安防系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信部分做了重點研究，提出了一系列的解決方案。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信能力、預(yù)警的實時性都得到了顯著提高。隨著WIFI等無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，硬件設(shè)備的不斷更新，系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳送速率和利用效率會大大提高，家庭安防系統(tǒng)將會有更大的前景。

［1］王靜茹,宋紹成.城市安防領(lǐng)域視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展與趨勢[J].黑龍江科技信息,2013,32：153+155.

［2］叢鳳俠,楊玉強.基于MINA框架的高性能短信貓服務(wù)平臺設(shè)計[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2013,04：213-216.

［3］李鳳云,黃迎春,馮永新.基于 WebService的 SOA實現(xiàn)技術(shù)研究[J].科技視界,2012,23：17-19.

［4］孫偉,胡霞.Android 推送技術(shù)綜合分析[J].科技廣場,2013,10：126-129.

［5］安勤玲.Ajax 原理、性能及其應(yīng)用[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用,2012,02：23-25+28.