基于物聯網的住所安全遠程無線監控系統的設計

陳錦煌

（中山大學新華學院 廣東 廣州510520）

基于物聯網的住所安全遠程無線監控系統的設計

陳錦煌

（中山大學新華學院 廣東 廣州510520）

為了實現用戶能夠實時遠程監控住所環境的安全，文中提出一種應用物聯網技術進行信息采集的住所安防監控系統。系統通過ZigBee無線組網采集住所環境信息，使用ARM處理器負責數據的處理和發送，能夠把住所中的實時情況通過GSM網絡發送至用戶手機或者終端上實現遠程監控，及時對異常情況進行處理，保障住所的安全性。測試結果表明，該系統能夠實現住所信息的采集并進行遠程通信，設計成本低，穩定性好，具有良好的擴展性。

物聯網；ZigBee；遠程監控；GSM；安防

隨著人們生活水平的不斷提高，對住所安全性等方面提出更高的要求，住戶希望在離開住所的情況下也能實現安防監控，實時獲取異常警報信息并及時處理。物聯網是以感知為出發點實現“物物相連”的一種創新技術[1]，結合無線傳感網絡和移動通信技術能夠把物件信息通過移動網絡發送至用戶手上，構成一個簡單智能的信息傳輸網絡[2]。文中利用物聯網技術對住所環境進行設置，使用各類傳感器實時采集相應的數據，通過ZigBee無線網絡把收集到的數據發送至ARM內核的STM32處理器上，在處理器分析采集的數據過程中，發現數據超過預先設定的閥值時，系統能夠及時通過GSM網絡把異常情況以短信的形式告知用戶，使用戶能夠實時獲取住所安防情況并及時對異常情況做出處理，給住戶帶來安全的住所環境，保障人們的生命財產安全，為智能家居的安防子系統提供了參考，具有一定的研究意義。

1 系統的總體設計

基于物聯網的住所安全監控系統總體架構如圖1所示，系統由遠程控制終端、無線傳輸網絡和信息采集終端三大部分組成。在信息采集終端上設計有紅外探測器、溫度傳感器、氣體傳感器、火焰傳感器等模塊實時采集住宅中各種安全信息，通過ZigBee無線傳感網絡將信息傳送到ARM內核的STM32處理器進行分析和處理，檢測到異常情況即可通過GSM網絡以短信方式告知住戶，及時做出相應的控制，使住戶居所免受損失，該系統具有成本低、耗能少、操作簡便、數據傳輸可靠等優點，各模塊之間實現協同工作。

圖1 系統總體架構圖

2 系統的硬件設計

基于物聯網的遠程無線監控住所安全信息的系統主要涉及到ARM處理器、各種信息采集傳感器、無線傳輸網絡等硬件設備，各個傳感器采集到的信息通過處理器的處理后實現相應的功能，使用ZigBee通信技術能更好地實現系統各模塊的通信。

2.1 信息采集終端的設計

住所安全內容主要包括防盜、防有毒氣體泄露、防火災等方面[3]。要實現對住所的布防，需要在信息采集終端上加入多種傳感器檢測住所環境的信息，在采集信息完成后模塊對數據進行A/D的轉換，在ZigBee無線網絡下把數據傳送到ZigBee協調器再作進一步的處理。各傳感器節點每隔一個設定的時間就會自動對環境信息進行采集，當發現了采集到的數據超過了預先設計好的閥值，系統會進行報警和處理，住戶無論身處何地都能隨時通過移動終端接收短信及時了解住宅情況，并對發生的異常情況進行處理[4]。

信息采集終端主要收集燃氣、煙霧、人員進出和溫濕度等信息，該終端節點的硬件結構由電源模塊、傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊四部分組成[5]，如圖2所示。

圖2 終端節點硬件結構圖

本系統使用到溫濕度傳感器[6]、紅外熱釋傳感器、光敏傳感器和煙霧傳感器[7]等模塊，每個傳感器模塊都組成一個信息采集的終端節點，對住宅信息進行采集，通過ZigBee無線傳感網絡發送采集到的信息。表1給出了各個傳感器的型號和參數等信息。

表1 系統中各傳感器的型號和參數

2.2 無線傳輸網絡的設計

系統采用ZigBee技術設計無線傳輸網絡，實現物與物之間的相連，傳感器采集數據能夠無線傳輸，構成一個住宅的內聯網絡。無線傳輸網絡模塊的設計采用德州儀器（TI）公司的一款高性能、低功耗、抗干擾性強、高靈敏度的無線接收芯片CC2530，該芯片是用于ZigBee標準的一個真正的片上系統（SoC）解決方案[8]，工作頻段為2.4 GHz，結合了RF前端和內存，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，工作電壓為2～3.6 V，具有工作、中斷和睡眠的3種工作模式，降低整個系統功率的消耗。

ZigBee網絡具有星型、樹型和網狀型 3種拓撲結構[9-10]，如圖3所示。本系統中ZigBee無線傳輸網絡模塊使用星型的拓撲結構將住所內各個傳感器組建成一個無線網絡[11]，無線通信模塊通過SPI總線與ARM處理器進行通信，ARM處理器接收到相關的控制信息和命令后把控制信息發送到ZigBee協調器處理，最終把指令發送到信息采集終端上，同時，ZigBee各個傳感器子節點把數據傳送至協調器，再與處理器實現通信接收其發送的控制命令。

圖3 ZigBee網絡拓撲結構

2.3 遠程控制終端

系統通過信息采集終端和無線傳輸網絡把住宅中安裝的傳感器模塊采集的信息發送到ARM處理器，接著處理器對采集信息進行分析并將異常情況以短信的形式通過GSM網絡發送到遠程住戶的手機中，讓住戶能夠隨時隨地獲取住宅中的安全情況。

2.3.1 處理器模塊的設計

住宅安全數據信息的處理是系統的核心部分，采用ST公司資源豐富、低功耗、處理速度快的ARM Cortex-M3內核的32位STM32F103作為系統采集信息的處理器[12]，其最高工作頻率達72 MHz，內置512 K字節的閃存，更有112個快速多功能I/O口，3個12位模數（A/D）轉換器和2通道12位數模（D/A）轉化器，工作在2～3.6 V，該處理器設有3種工作模式，分別為喚醒、睡眠和停機，不僅保證了系統的正常工作還滿足了系統低功耗的要求。

2.3.2 住戶遠程接收信息的設計

系統對住宅安全狀態判斷完成后，若發現異常的情況，需要告知住戶，由于住戶的流動性較大，要求系統能夠實現遠程的通信，所以設計采用GSM網絡通過發送SMS短信的方式與住戶通信，能夠快速告知用戶。

短信發送模塊采用的是SIMCOM公司的一款 GSM/ GPRS芯片SIM900A，該芯片具備省電技術，而且數據下行傳輸速率可高達85 kbps，其體積足夠小適合用于各種應用的尺寸要求，而且芯片內部嵌入了TCP/IP協議，使用AT指令實現TCP連接，還能向指定手機發送短信[13]。SIM900A芯片的串口連線圖如圖4所示。

3 系統的軟件設計

本系統的軟件設計部分主要是對無線傳輸網絡和短信發送模塊實現的，程序使用C語言編寫，增加程序的可讀性，對于無線傳輸網絡主要是對ZigBee協調器進行設計，而短信發送模塊則通過簡單的連接使模塊正常工作。

圖4 SIM900A芯片的串口連線圖

3.1 ZigBee協調器的設計

采用ZigBee無線自組網實現通信，把住所中的傳感器聯系成星型網絡。ZigBee組網由ZigBee協調器、ZigBee路由器和ZigBee終端三大部分組成[14]。而這3個部份的分別以有線或無線方式相互聯系，同時又相互獨立，整個系統運行時各個部件間通過程序實現協調的工作。

給系統上電后，ZigBee協調器會自動初始化并組建網絡，建網成功后接受ZigBee終端部分的進網請求，同時對串口進行監聽，ZigBee協調器一直處于工作狀態，如果接收到串口傳送的命令則向對應節點發送該命令；如果節點需要發送數據時，協調器會將全部節點數據進行融合后發送出去[15]。其程序設計流程如圖5所示。

圖5 ZigBee協調器程序設計流程圖

3.2 短信發送模塊的設計

住戶與住所的通信使用移動終端實現，通過GSM模塊實現警報信息的發送和控制命令的接收[8]。

GSM模塊采用的SIM900A芯片通過串口的方式與處理器實現通信，短信發送采用PDU格式并使用AT命令設置短信的收發，程序如下：

4 系統的測試結果

在整體的硬件模塊連接好后，給系統上電后開始調試操作。首先對系統各傳感器進行測試，觀察其信息采集的正確性，然后再測試ZigBee網絡的連通性，最后對系統各模塊實現聯合調試，模擬系統產生的異常情況，向手機終端發送報警短信，在手機端接收到的報警短信界面如圖6所示。實驗表明，通過物聯網技術的住宅安全監控系統能夠很好地實現對異常信息的及時報警，并且能夠對系統進行遠程控制的管理，短信發送的延時平均在5s的時間以內，收到的短信內容為預先設定的相應報警內容，系統各功能模塊能夠正常運作，滿足了系統對住宅安全信息的遠程無線監控和住戶對住宅異常信息的實時處理，其移植性較高，能夠為智能家居系統提供良好的安防子系統的支持。

5 結束語

文中介紹的遠程住宅安全監控系統應用了物聯網的技術，結合ARM的高性能處理器和GSM網絡，實現了防盜、防火、防氣體泄漏、異常警報等功能，同時詳細介紹了系統的硬件部分和軟件部分的設計，住戶能夠不受時間和空間的限制就能按照自己的需求對住宅環境進行監控，確保了住宅的安全，通過對系統進行測試，結果表明系統滿足住宅安全的遠程監控要求，整體設計成本低、無需布線、運行可靠性和穩定性高、維護簡易，采用低功耗的模塊使得系統工作時間更長，為住宅等場所實現智能化的遠程無線監控系統同時為智能家居安防子系統的設計提供一種簡易、科學、可靠的參考方案。

圖6 火焰傳感器檢測到火源后系統發送警報短信

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Design of remote wireless residence security system based on the Internet of Things

CHEN Jin-huang
（Xinhua College of Sun Yat-sen University，Guangzhou 510520，China）

To implement real-time remote monitoring the safety of residence environment，this paper presents an application in collecting residence security information by using Internet of tings technology.The environment information of residence is acquiring by ZigBee wireless network，this system using ARM processor is responsible for data processing and corresponding，also be able to send the real-time residence information to householder via GSM network and dispose the abnormal condition in time，guarantee the safety of the residence.Test results show that the system can achieve residence information acquiring and telecommunication，the design is low cost，good stability and good extensibility.

Internet of Things；ZigBee；remote control；GSM；security

TN919

A

1674－6236（2016）24-0190-04

2015-12-18 稿件編號：201512195

實驗教學示范中心研究規劃課題（2013S002）

陳錦煌（1988—），男，廣東潮州人，碩士研究生，助理工程師。研究方向：嵌入式系統應用。