遠(yuǎn)程在線家居安防監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

程琪戩 王桂蘭 周明亮

（長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430000）

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在家居安防監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用方面還有待研究，研究一種集遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能控制、安全管理于一體的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)勢(shì)在必行。目前，用于設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有Bluetooth、Zigbee和UWB等[1]，Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用在智能家居、家庭護(hù)理、安全系統(tǒng)和工業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域[2]，本文采用Zigbee技術(shù)作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)無(wú)線通信方式形成一個(gè)自組織的家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過(guò)感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋家居生活中的各種數(shù)據(jù)，并發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器與云平臺(tái)之間經(jīng)過(guò)無(wú)線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，云平臺(tái)最終通過(guò)應(yīng)用終端實(shí)現(xiàn)家居信息顯示和控制。根據(jù)智能家居的各種應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通信技術(shù)，提出了一種遠(yuǎn)程在線家居安防監(jiān)控系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上研究了遠(yuǎn)程在線家居安防監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。通過(guò)該方案實(shí)現(xiàn)了集遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能控制、安全管理于一體的智能家居安全監(jiān)控功能，為家庭住宅環(huán)境的安全提供了高效的管理方式，進(jìn)一步提高了人們的生活質(zhì)量。

1 遠(yuǎn)程在線安防監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)按照現(xiàn)有家居安全防護(hù)功能進(jìn)行劃分，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為安防子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、智能控制子系統(tǒng)三大部分[3]。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信，三大子系統(tǒng)構(gòu)成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，收集信息，再利用智能主機(jī)將信息傳送到無(wú)線終端。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

安防子系統(tǒng)：集成安防類傳感器采集相應(yīng)的安全防護(hù)相關(guān)物理量，通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳送到Zigbee協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器上集成智能網(wǎng)關(guān)構(gòu)成智能主機(jī)，將數(shù)據(jù)通過(guò)云平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)到無(wú)線終端。

視頻監(jiān)控子系統(tǒng)：將智能鎖、門鈴以及攝像頭與Zigbee連接，通過(guò)同樣的方式將信息發(fā)送到手機(jī)客戶端供用戶查看。應(yīng)用端能通過(guò)下發(fā)指令、開(kāi)鎖或查看視頻監(jiān)控。

智能控制子系統(tǒng)：集成智能門窗、照明、家電等執(zhí)行設(shè)備與Zigbee連接，可以通過(guò)同樣的方式接收應(yīng)用端的信息，執(zhí)行相應(yīng)的操作。

各個(gè)Zigbee終端集成獨(dú)立的MCU和Zigbee天線，構(gòu)成簡(jiǎn)單的智能化終端，可以支持完成底層智能控制，支持多接口擴(kuò)展。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括終端應(yīng)用層、無(wú)線網(wǎng)關(guān)層、WSN網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)感知層[4]。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 遠(yuǎn)程在線安防監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用智能主機(jī)對(duì)整體協(xié)調(diào)部分進(jìn)行統(tǒng)一控制，各大子系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)的分支部分進(jìn)行單獨(dú)控制。智能主機(jī)的功能主要包括遠(yuǎn)程監(jiān)控部分、物聯(lián)網(wǎng)通信部分、各子系統(tǒng)間協(xié)調(diào)控制部分。安防子系統(tǒng)功能負(fù)責(zé)家居環(huán)境的監(jiān)測(cè)，智能化控制斷水?dāng)嚯姡瑢⒈匾畔鞯綉?yīng)用端及時(shí)提醒用戶；視頻監(jiān)控子系統(tǒng)負(fù)責(zé)家居情況實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，用戶隨時(shí)調(diào)用攝像頭；智能控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)智能照明控制、智能家電控制、智能窗簾控制、智能安防設(shè)備控制。各個(gè)模塊相互獨(dú)立，某個(gè)模塊出現(xiàn)故障不影響其他模塊運(yùn)行。

2.1 遠(yuǎn)程在線安防監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

Zigbee終端與智能主機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Zigbee終端與智能主機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

智能主機(jī)由ARM、CC2530、RT5350等模塊組成采用ARM作為主控模塊管理數(shù)據(jù)收發(fā)，CC2530作為Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器模塊，RT5350作為網(wǎng)關(guān)模塊轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。CC2530核心電路使用的8051CPU內(nèi)核是一個(gè)單周期的8051兼容內(nèi)核，有3個(gè)不同的存儲(chǔ)器訪問(wèn)總線（SFR、DATA、CODE/XDATA），以單周期訪問(wèn)SFR、DATA以及主SRAM。網(wǎng)關(guān)基于Ralink RT5350，僅需要很少的外圍器件就可以實(shí)現(xiàn)低成本2.4 GHz 802.11n無(wú)線產(chǎn)品。RT5350引入了Ralink的第二代802.11n無(wú)線技術(shù)，可以提供更大的覆蓋范圍和更高的無(wú)線吞吐量。使用遠(yuǎn)程模式時(shí)，手機(jī)通過(guò)無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)模塊將收發(fā)到的數(shù)據(jù)給主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理后的數(shù)據(jù)與Zigbee協(xié)調(diào)器進(jìn)行交互，從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制家居系統(tǒng)的目的。

2.2 遠(yuǎn)程在線安防監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 終端應(yīng)用層

終端應(yīng)用層采用App應(yīng)用。手機(jī)控制端主界面用于顯示數(shù)據(jù)信息，通過(guò)若干個(gè)虛擬按鍵與圖片實(shí)現(xiàn)對(duì)小燈的控制和氣體狀態(tài)的檢測(cè)。主界面上可以顯示溫度、濕度、可燃?xì)怏w狀態(tài)、小燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，提供了可以接入物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)IP地址和局域網(wǎng)連接模式。

本設(shè)計(jì)選擇Android2.3.3版本操作系統(tǒng)，以IBM公司的Eclipse為平臺(tái)[5]。使用AVD在電腦上模擬一個(gè)虛擬的手機(jī)設(shè)備，通過(guò)Java應(yīng)用類設(shè)置相應(yīng)的硬件配置，以選擇開(kāi)發(fā)的版本、設(shè)備的屏幕尺寸大小等。通過(guò)Eclipse插件ADT創(chuàng)建一個(gè)Android控制端應(yīng)用軟件。

2.2.2 無(wú)線網(wǎng)關(guān)層

無(wú)線網(wǎng)關(guān)層采用RT5350網(wǎng)關(guān)作為二級(jí)路由遠(yuǎn)程訪問(wèn)Zigbee，RT5350網(wǎng)關(guān)連入家用路由器網(wǎng)絡(luò)后分配到動(dòng)態(tài)IP，通過(guò)配置RT5350網(wǎng)關(guān)把端口映射到這個(gè)IP，RT5350網(wǎng)關(guān)采用Linux操作系統(tǒng)，在該操作系統(tǒng)上運(yùn)行管理系統(tǒng)的軟件ser2net實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)功能[6]。移動(dòng)端只要能夠連接互聯(lián)網(wǎng)，就可以通過(guò)研發(fā)的手機(jī)端應(yīng)用App將相應(yīng)指令發(fā)往指定IP地址（RT5350網(wǎng)關(guān)分配到的動(dòng)態(tài)IP地址）完成對(duì)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的控制。

添加ser2net應(yīng)用程序：進(jìn)入OpenWrt系統(tǒng)源碼，運(yùn)行“make menuconfig”命令進(jìn)行配置。

配置WiFi串口：WiFi串口由兩部分組成，一部分是網(wǎng)絡(luò)編程器的TCP服務(wù)器，用于接收客戶端通過(guò)WiFi傳來(lái)的數(shù)據(jù)；另一部分是串口，用于將TCP服務(wù)器收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送出去。TCP服務(wù)器需要設(shè)置IP地址和端口號(hào)，串口需要設(shè)置波特率等參數(shù)。通過(guò)修改ser2net.conf配置文件，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的配置。

2.2.3 WSN網(wǎng)絡(luò)層

WSN網(wǎng)絡(luò)層軟件開(kāi)發(fā)是基于TI提供的Z-Stack協(xié)議棧，在Z-Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了應(yīng)用程序。處理各類傳感器收到的信號(hào)，進(jìn)行無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)；接收各類無(wú)線控制信號(hào)，處理后控制相應(yīng)的執(zhí)行器動(dòng)作。接在Zigbee終端上的傳感器程序編寫通常作為Z-Stack協(xié)議棧中的子程序進(jìn)行編寫。

傳感器子程序工作流程如圖4所示。

圖4 傳感器子程序工作流程

3 遠(yuǎn)程在線安防監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

測(cè)試手機(jī)端遠(yuǎn)程控制小燈的點(diǎn)亮；測(cè)試電腦端遠(yuǎn)程控制小燈的點(diǎn)亮；可燃?xì)怏w探測(cè)器、溫度、濕度傳感器讀??；可燃?xì)怏w探測(cè)器、溫度、濕度傳感器數(shù)據(jù)上傳到電腦端；可燃?xì)怏w探測(cè)器、溫度、濕度傳感器數(shù)據(jù)上傳到手機(jī)端。

3.2 試驗(yàn)方法

將終端節(jié)點(diǎn)連接可燃?xì)怏w探測(cè)器、溫度、濕度等傳感器及繼電器；打開(kāi)Zigbee協(xié)調(diào)器和Zigbee終端中的Zigbee網(wǎng)絡(luò)；讓Zigbee自組網(wǎng)，觀察組網(wǎng)成功后刷新應(yīng)用端，查看數(shù)據(jù)是否已上傳、手機(jī)和電腦訪問(wèn)無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)測(cè)試是否可以控制物聯(lián)網(wǎng)家居。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用端測(cè)試效果如圖5所示。

圖5 應(yīng)用端測(cè)試效果

通過(guò)Zigbee組網(wǎng)后，終端節(jié)點(diǎn)連接可燃?xì)怏w探測(cè)器、溫度、濕度傳感器以及繼電器，將數(shù)據(jù)上傳到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)網(wǎng)關(guān)上傳到無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)，手機(jī)和電腦端可以遠(yuǎn)程控制物聯(lián)網(wǎng)家居。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)智能家居的各種應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通信技術(shù)提出了一種遠(yuǎn)程在線家居安防監(jiān)控系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上研究了遠(yuǎn)程在線家居安防監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。該方案功耗低，在待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)電池可使用6～24個(gè)月；可擴(kuò)展性強(qiáng)，理論上網(wǎng)絡(luò)可以容納65 000個(gè)設(shè)備；時(shí)延短，一般為15～30 ms；安全性好，Zigbee本身采用AES-128加密算法；使用2.4 G全向天線，空曠直視傳輸距離可達(dá)300 m。通過(guò)該方案實(shí)現(xiàn)了集遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能控制、安全管理于一體的智能家居安全監(jiān)控，為家庭住宅環(huán)境的安全提供了高效的管理方式。