陳德裕，張憲隸，顧曉濤，蘇嘯晨

（1．南通大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226019;2．江蘇富士通通信技術(shù)有限公司軟件事業(yè)部，江蘇蘇州 215128）

0 引言

隨著我國城市化建設(shè)步伐的加快以及互聯(lián)網(wǎng)的廣泛普及，人們對家居安全的要求越來越高。一方面是因為現(xiàn)代科技水平的提高使得一些安全設(shè)備的性能大大提高而價格反而越來越能為普通居民接受［1］，另一方面，因為人們生活節(jié)奏的加快和外出活動、旅游時間的增加，人們在家中的時間普遍減少。當人們在單位上班、出差或旅游時，非常想了解家居的安全情況。因此，如何借助于計算機網(wǎng)絡(luò)、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)和信息處理等技術(shù)，把普通家居中的安全信息實時地發(fā)送到手機或網(wǎng)絡(luò)上，讓家居主人實時地掌控家中的安全情況，或者當家中存在安全隱患時，系統(tǒng)能夠智能地報警和處理就成為現(xiàn)代家居安全的一個主要研究課題。本文的研究目的就在于通過計算機網(wǎng)絡(luò)，借助于相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，以實現(xiàn)對普通家居的財產(chǎn)、人生安全進行有效地保護，這對于和諧社會的建設(shè)、穩(wěn)定社會的生活以及減災(zāi)、抗災(zāi)具有一定的積極意義。

1 系統(tǒng)分析和總體框架設(shè)計

對于一個普通家庭來說，主要的安全威脅來自于:1）家庭財產(chǎn)的安全;2）第二是居民生命的安全。根據(jù)我國城鄉(xiāng)居民的家居現(xiàn)狀和所受到的安全威脅，以占絕大多數(shù)的中低收入居民的家居安全監(jiān)控要求作為本文的研究對象，從經(jīng)濟性、實用性、操作方便等3個方面進行著手，確定系統(tǒng)的總體框架和結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示［2］。

圖1 系統(tǒng)的總體框架Fig 1 Overall framework of system

圖2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2 Structure diagram of system

其中，防盜模塊是要實現(xiàn)對家居的防盜竊、防止非法入侵等功能;防水模塊是要在家中無人或家人在夜間熟睡之時，對由于水管爆裂等原因造成水面溢出而產(chǎn)生的水澇等現(xiàn)象進行報警;煤氣安全模塊是要保護家庭安全使用煤氣，在煤氣產(chǎn)生漏溢時能保護居民的生命安全;防火安全模塊主要是要做到當家中可能會出現(xiàn)火災(zāi)時能自動報警并產(chǎn)生一些措施;醫(yī)療安全子模塊主要是對家庭人員的偶發(fā)、突發(fā)病情進行報警，使得病人能夠得到快速救治。系統(tǒng)中各模塊的功能通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集裝置傳送至接口板上，經(jīng)過A/D處理之后從COM口交給軟件部分。軟件部分針對不同的安全要求在處理完數(shù)據(jù)后，如果超出了設(shè)置的閾值，啟動切斷水閥、煤氣閥、電源等機關(guān)，同時進行聲、光、電和網(wǎng)絡(luò)等報警處理。其中網(wǎng)絡(luò)報警又可以把相關(guān)的報警信息傳輸至120急救中心、119火警中心、110報警中心［3］、手機和網(wǎng)絡(luò)上。

2 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

2．1 系統(tǒng)原理與設(shè)計理念

作為一個面向普通家庭的智能家居安全監(jiān)控系統(tǒng)，在綜合考慮硬件材料、技術(shù)、經(jīng)濟性等各種因素后，確定本系統(tǒng)由控制中心、傳感器節(jié)點、管道控制節(jié)點和攝像頭節(jié)點組成?？刂浦行呢撠?zé)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、節(jié)點管理、報警服務(wù)和外部接入服務(wù);傳感器節(jié)點負責(zé)數(shù)據(jù)采集［4］;管道控制節(jié)點用于控制水管和煤氣管道［5］;攝像頭節(jié)點負責(zé)視頻采集和數(shù)字圖像處理［6］。系統(tǒng)可以通過GPRS服務(wù)提供報警信息，用戶可以通過WEB服務(wù)接入到系統(tǒng)并進行控制和系統(tǒng)設(shè)置。

系統(tǒng)采用二級控制方式。節(jié)點的微處理器管理和控制該節(jié)點的所有功能部件;控制中心管理和控制所有節(jié)點。每一個傳感器節(jié)點連接多個不同功能的傳感器，每個傳感器都有一個固定地址，傳感器節(jié)點以輪詢的方式對各個傳感器進行控制，當傳感器節(jié)點微處理器檢測到傳感器采集到的數(shù)據(jù)達到了報警閾值就會向控制中心發(fā)出報警信息;傳感器節(jié)點微處理器收到控制中心的查詢請求后將請求信息反饋給控制中心。控制中心也是采用周期性輪詢的方式對各個節(jié)點進行管理和控制，并將查詢到的數(shù)據(jù)存儲在文件中?？刂乒?jié)點根據(jù)控制中心的指令控制該節(jié)點的控制部件。

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和家庭網(wǎng)絡(luò)組成。除攝像頭節(jié)點以外的節(jié)點和控制中心組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，控制中心和攝像頭節(jié)點接入到家庭網(wǎng)絡(luò)中。

2．2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

根據(jù)需求，本文設(shè)計本系統(tǒng)的硬件部件由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)服務(wù)中心［7］、攝像頭及控制器、家庭局域網(wǎng)、路由器等組成。其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。傳感器網(wǎng)絡(luò)主要負責(zé)收集家庭環(huán)境數(shù)據(jù)，提供給數(shù)據(jù)服務(wù)中心。數(shù)據(jù)服務(wù)中心對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)進行進一步的處理，判斷是否發(fā)生異常需要報警，是否觸發(fā)某些事件。數(shù)據(jù)服務(wù)中心對家庭局域網(wǎng)發(fā)送的請求予以處理并返回給用戶相應(yīng)的數(shù)據(jù)。視頻處理中心負責(zé)處理攝像頭的數(shù)據(jù)（識別是否有人經(jīng)過，并保存相應(yīng)的數(shù)據(jù)）和控制攝像頭的狀態(tài)（啟動，停止等）。攝像頭通過家庭局域網(wǎng)與數(shù)據(jù)服務(wù)中心相連接，視頻處理中心從屬于數(shù)據(jù)服務(wù)中心，受數(shù)據(jù)服務(wù)中心的控制。

圖3 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Hardware structure of sensor network node

數(shù)據(jù)服務(wù)中心硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。數(shù)據(jù)服務(wù)中心使用S3C2440芯片作為處理芯片，配合256M的存儲器，主要負責(zé)保存各個傳感器的數(shù)據(jù)、狀態(tài)以及和外網(wǎng)的通信。射頻收發(fā)器采用與結(jié)點相同的射頻收發(fā)器。GPRS模塊主要在需要緊急報警的時候向主人（可以是多人）發(fā)送短信報警。

圖4 數(shù)據(jù)服務(wù)中心硬件結(jié)構(gòu)圖Fig 4 Hardware structure diagram of data service center

2．3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

根據(jù)上述分析和設(shè)計，確定本系統(tǒng)的軟件開發(fā)采用結(jié)構(gòu)化方法，將軟件部分按照功能共劃分為6個模塊:FMServer，WSNServer，CAMServer，CGI程序，節(jié)點控制程序和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。其中，F(xiàn)MServer，WSNServer和CGI程序工作在數(shù)據(jù)服務(wù)中心，CAMServer工作在視頻處理中心，節(jié)點控制程序和無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工作在無線傳感網(wǎng)。主要模塊的設(shè)計介紹如下。

WSNServer的主要職責(zé)是管理和控制相應(yīng)的傳感器和控制器。本系統(tǒng)中的傳感器主要有煙霧傳感器、溫度傳感器等，而控制器主要是繼電器和步進電機。WSNServer通過傳感器獲取家庭環(huán)境中的有關(guān)數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)寫入狀態(tài)文件以供CGI模塊使用，若有數(shù)據(jù)超出允許范圍則產(chǎn)生報警信息并寫入與FMServer通信的管道文件中，以供FMServer模塊使用。與此同時，該模塊還反復(fù)讀取與FMServer通信的管道文件，以獲得從CGI傳來的控制信息，并以此來控制相應(yīng)的控制器，以實現(xiàn)對煤氣管道、用水管道等的自動控制。WSNServer的工作流程如圖5所示。

FMServer是在數(shù)據(jù)服務(wù)中心中作為不同服務(wù)進程間的信息轉(zhuǎn)發(fā)模塊。FMServer主要的任務(wù)就是從相應(yīng)管道接收到來自相應(yīng)模塊的請求后，根據(jù)請求的類型把請求信息寫入目標模塊的通信管道以便目標模塊進行處理。FMServer的工作流程如圖6所示。

圖5 WSN Server工作流程圖Fig 5 Working flow chart of WSNS erver

CAMServer是視頻監(jiān)控服務(wù)程序，它工作在視頻處理中心，主要的職責(zé)是對非法入侵者進行圖像采集并產(chǎn)生報警信息，同時將異常圖像信息保存成JPEG文件，將報警信息寫入與FMServer通信的管道文件，以便將信息傳遞給FMServer模塊作進一步處理。同時該模塊反復(fù)讀取與FMServer通信的管道文件，以便根據(jù)FMServer模塊發(fā)出的命令控制攝像頭的打開和關(guān)閉或者獲取實時圖像在瀏覽器上顯示。工作流程如圖7所示。

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

圖6 FMServer工作流程圖Fig 6 Working flow chart of FMServer

圖7 CAMServer工作流程Fig 7 Working process of CAMServer

經(jīng)過調(diào)試運行，系統(tǒng)實現(xiàn)了防火、防煤氣漏溢、防水、防盜等基本監(jiān)控功能。系統(tǒng)包括主控中心、GPRS、傳感器組、傳感器節(jié)點、攝像頭、協(xié)調(diào)器等部分。系統(tǒng)的防水、防煤氣漏溢、防火、和防盜等功能的測試如圖8～圖11所示。系統(tǒng)的報警部分通過了手機、平板電腦和普通電腦的測試。

圖8 水位監(jiān)測傳感器測試Fig 8 Test of water level monitoring sensor

圖9 可燃性氣體傳感器測試Fig 9 Test of combustible gas sensor

4 結(jié)束語

1）將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到普通家居安全監(jiān)控中。系統(tǒng)應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使節(jié)點不僅可以與控制中心通信而且具備路由功能，通過在IEEE 802．15．4標準的基礎(chǔ)上開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，適合家庭網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸，方便傳感器節(jié)點的綁定與釋放，實現(xiàn)自動組網(wǎng)。這不僅使系統(tǒng)具有可擴展性，而且增強了系統(tǒng)的可靠性。

圖10 溫測火警傳感器測試Fig 10 Test of temperature measurement fire alarm sensor

圖11 攝像頭監(jiān)控測試Fig 11 Test of camera monitoring

2）嵌入式WEB服務(wù)為用戶提供了可視化交互平臺:系統(tǒng)提供WEB接入服務(wù)，通過電腦或手機上的瀏覽器直接接入到系統(tǒng)管理平臺，實行可視化的管理，無需安裝客戶端。

3）利用數(shù)字圖像處理技術(shù)完成防盜功能:系統(tǒng)的防盜功能由門磁傳感器、紅外對管傳感器和攝像頭節(jié)點共同完成。攝像頭節(jié)點除了提供視頻采集，還具備圖像處理功能。通過攝像頭節(jié)點的圖像對比，降低了系統(tǒng)的誤報率。

4）傳感器集中管理方式:每個傳感器節(jié)點連接多只不同功能的傳感器，這樣減少了傳感器節(jié)點的數(shù)量，降低了系統(tǒng)成本。

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