杜 恒，陸 劍

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院a.計(jì)算機(jī)工程系;b.電子工程系，河南 南陽 473009)

責(zé)任編輯:任健男

隨著“感知中國”的提出，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。智能交通、智能電網(wǎng)、智能家居等作為物聯(lián)網(wǎng)的典型示范，不論是從理論研究方面，還是從市場應(yīng)用方面，都取得了驕人的成績，而智能家居成為發(fā)展最快、需求最大的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)。據(jù)慧聰智能家居網(wǎng)的市場檢測數(shù)據(jù)分析可知，“家庭安防”和“智能家居”一直列居前兩位，2010年8月數(shù)據(jù)分析顯示，在排在前十名的智能家居網(wǎng)產(chǎn)品中，“家庭安防”以絕對(duì)高的優(yōu)勢(shì)占據(jù)著第一名的位置。

國家對(duì)平安城市、平安社區(qū)等工程的不斷推進(jìn)，也為家庭安防市場的興起提供了良好的發(fā)展契機(jī)。個(gè)人家庭應(yīng)用以普通大眾為基礎(chǔ)，其所蘊(yùn)藏的市場潛力是無法估量的。雖然在國外這一市場已經(jīng)初具規(guī)模，但在國內(nèi)市場仍處于萌芽狀態(tài)。通過手機(jī)查看家中的實(shí)時(shí)影像，利用煤氣探測器、煙霧傳感器及門磁傳感器對(duì)家中燃?xì)?，火?zāi)報(bào)警［1］，對(duì)入室行竊進(jìn)行報(bào)警，這一切通過家庭攝像頭監(jiān)控即可輕松實(shí)現(xiàn)。

相對(duì)于計(jì)算機(jī)等設(shè)備，手機(jī)具有更好的便攜性，在很多監(jiān)控領(lǐng)域已經(jīng)擔(dān)任了重要角色［2］，在家用監(jiān)控方面也具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，而且隨著3G系統(tǒng)與WLAN系統(tǒng)的融合，手機(jī)的無縫式無線監(jiān)控方式的應(yīng)用將更加促進(jìn)家用視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能說明

家庭安防系統(tǒng)主要用于對(duì)住宅內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，包括溫濕度、燃?xì)猓约皩?duì)家庭大門和窗戶狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有人非法侵入，及時(shí)向用戶發(fā)送預(yù)警信息，使住戶家庭免受侵害。

Android手機(jī)家庭安防系統(tǒng)功能模塊主要由3個(gè)部分構(gòu)成:1)感知探知模塊，由紅外傳感器、煙霧探測器、門磁傳感器和溫濕度傳感器構(gòu)成，外加一個(gè)用于預(yù)警的報(bào)警器［3］;2)嵌入式網(wǎng)關(guān)，主要負(fù)責(zé)將傳感器及探測器的數(shù)據(jù)提取出來并進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)議的封裝，同時(shí)負(fù)責(zé)前端與手機(jī)端的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)通信;3)手機(jī)用戶端，作為客戶端對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，同時(shí)進(jìn)行攝像頭查看及預(yù)警處理。具體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

家庭安防系統(tǒng)共有兩種工作狀態(tài):布防狀態(tài)與撤防狀態(tài)。設(shè)置兩種狀態(tài)的目的是為了防止不必要的報(bào)警，也是安防系統(tǒng)的人性化設(shè)計(jì)。布防狀態(tài)的選擇主要由手機(jī)操作。布防狀態(tài)主要用于住宅中無人的情況，此時(shí)需要將家中的所有探測器打開并處于工作狀態(tài)。撤防狀態(tài)下所有探測器與傳感器進(jìn)入休眠狀態(tài)，家里人正常出入活動(dòng)也不會(huì)觸動(dòng)報(bào)警。

圖1 基于手機(jī)客戶端的家庭安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

家庭安防系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)與傳感探測器通信采用ZigBee通信方式，為了增加網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，且根據(jù)家庭安防系統(tǒng)所用傳感器的數(shù)量和特點(diǎn)，采用星型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，網(wǎng)關(guān)作為整個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。配有ZigBee無線模塊的傳感探測器設(shè)備通過ZigBee網(wǎng)關(guān)經(jīng)過3G模塊或者WiFi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)端，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的查看。具體系統(tǒng)框架圖如圖2所示。

圖2 手機(jī)安防系統(tǒng)總體框架圖

該系統(tǒng)分為前端、網(wǎng)關(guān)匯聚端和用戶端3個(gè)部分［4］。前端傳感層是由紅外探測器、煙霧傳感器、門磁探測器、溫濕度傳感器、攝像頭及報(bào)警器構(gòu)成。探測器與傳感器主要負(fù)責(zé)對(duì)住宅內(nèi)的燃?xì)?、門禁的監(jiān)測。攝像頭則是對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。報(bào)警器作為報(bào)警系統(tǒng)，提示住宅內(nèi)有危險(xiǎn)信息，前端每個(gè)模塊在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中均為一個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，有獨(dú)立的MCU，能自動(dòng)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并且實(shí)現(xiàn)傳感層數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。攝像頭數(shù)據(jù)采用了有線方式進(jìn)行傳輸，考慮到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)流的多少問題，采用了穩(wěn)定性較好的有線串口方式直接連接嵌入式網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)匯聚端一方面負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建，并利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)獲取傳感器信息，另一方面將傳感信息通過3G無線或者WiFi方式發(fā)送至手機(jī)端，同時(shí)將報(bào)警信號(hào)發(fā)送至報(bào)警器。用戶端主要負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)安防系統(tǒng)的系統(tǒng)配置及視頻監(jiān)測，并且能即時(shí)撥通物業(yè)電話和110電話求助。

手機(jī)安防系統(tǒng)嵌入式網(wǎng)關(guān)采用三星公司的S3C6410作為主芯片，再加上串口、Flash和SDRAM等基本模塊，另外為了使嵌入式網(wǎng)關(guān)具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信性能，且能兼容不同的無線網(wǎng)絡(luò)通信方式，外擴(kuò)了3G模塊、WiFi模塊及ZigBee模塊［5］。為了具備視頻監(jiān)測的功能，加上了模擬攝像頭，價(jià)格便宜且能滿足室內(nèi)監(jiān)測的要求。具體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

本文根據(jù)ZigBee前端節(jié)點(diǎn)功能，可以將前端節(jié)點(diǎn)分成采集節(jié)點(diǎn)與控制節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展的主要連接探測器與傳感器，對(duì)室內(nèi)燃?xì)饧伴T禁進(jìn)行監(jiān)測，具體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。控制節(jié)點(diǎn)指報(bào)警器節(jié)點(diǎn)，它和采集節(jié)點(diǎn)硬件大部分相同，唯一不同的是加了繼電器來輔助報(bào)警器工作。

圖4 前端節(jié)點(diǎn)硬件圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 前端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)上電后，進(jìn)行設(shè)備初始化，初始化完成后便開始ZigBee網(wǎng)絡(luò)的查找，當(dāng)查找到附近的網(wǎng)絡(luò)后，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收請(qǐng)求批準(zhǔn)采集節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)入接收線程，不斷查詢傳感器數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)大于設(shè)定的閾值時(shí)，則向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)警數(shù)據(jù)。采集節(jié)點(diǎn)工作流程圖如圖5所示。

圖5 采集節(jié)點(diǎn)工作流程圖

控制節(jié)點(diǎn)主要完成對(duì)報(bào)警器的觸發(fā)，在硬件結(jié)構(gòu)上與采集節(jié)點(diǎn)類似，只是探測傳感器變成了報(bào)警器，在工作流程方面與采集節(jié)點(diǎn)有相同的地方，比如查找并加入Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)的方式與采集節(jié)點(diǎn)如出一轍，但在工作方式上有些差別，報(bào)警器在接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的報(bào)警指令之前都處于休眠狀態(tài)，一旦接收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的報(bào)警指令，便開始響鈴報(bào)警。

2.2 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的作用是建立整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)并對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)，同時(shí)還擔(dān)任傳感數(shù)據(jù)和手機(jī)指令數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，是連接前端節(jié)點(diǎn)與手機(jī)的橋梁［6］。具體而言，其作用主要體現(xiàn)在3個(gè)方面:1)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，對(duì)新加入的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行綁定，同時(shí)為其分配網(wǎng)內(nèi)唯一地址作為身份識(shí)別，網(wǎng)絡(luò)建立完成后，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)退出網(wǎng)絡(luò)后，能對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更新;2)接收傳感器與探測器的報(bào)警信息，并將信息發(fā)送至手機(jī)端，同時(shí)也下達(dá)報(bào)警指令觸發(fā)報(bào)警器工作，除此之外，還需要對(duì)攝像頭視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并壓縮處理;3)實(shí)現(xiàn)與手機(jī)端通信，通過Socket方式實(shí)現(xiàn)與手機(jī)端的上下行傳輸。網(wǎng)關(guān)軟件工作流程圖如圖6所示。

圖6 網(wǎng)關(guān)工作流程圖

當(dāng)設(shè)備上電后，然后調(diào)用一系列原語來實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建，如網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建原語ZNWK_NETWORK_FORM_REQ(＆APS2NWK，＆NWK2APS)，設(shè)置允許其他終端節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)的原語ZNWK_PERMIT_JOIN_REQ(＆APS2NWK，＆NWK2APS)等，來實(shí)現(xiàn) ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建［7－8］。在網(wǎng)絡(luò)成功組建之后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)便可實(shí)現(xiàn)與加入網(wǎng)絡(luò)的其他終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 協(xié)議報(bào)文組建

2.3.1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與前端節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與探測傳感節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)需要一定的協(xié)議來組建報(bào)文，這樣雙方才能識(shí)別數(shù)據(jù)內(nèi)容。ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建時(shí)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為各終端節(jié)點(diǎn)分配了網(wǎng)內(nèi)唯一地址來識(shí)別不同的終端節(jié)點(diǎn)，而協(xié)議則是讓網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)能夠互相識(shí)別所通信數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容［9］。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令至探測器和傳感器，其協(xié)議格式為:幀頭1B、命令字3B、地址10B、數(shù)據(jù)16B、校驗(yàn)和1B、幀尾1B。＆為協(xié)議幀的起始符;命令字，比如ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建所用命令JON、RNS查看網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)命令、SON設(shè)置終端節(jié)點(diǎn)開始工作的命令、SOF設(shè)置終端節(jié)點(diǎn)休眠的命令。

當(dāng)從撤防狀態(tài)轉(zhuǎn)換為布防狀態(tài)時(shí)，所有傳感器和探測器都需要從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換為工作狀態(tài)，以煙霧傳感器為例，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)置煙霧傳感器開始工作，指令如表1所示。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的地址是0000000000，煙霧傳感器分配的節(jié)點(diǎn)地址是000000000，則網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)置地址為0000000003的煙霧傳感器開始工作。

表1 設(shè)置煙霧傳感器開始工作指令表

2.3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與手機(jī)端通信協(xié)議

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與手機(jī)端通信采用Socket傳輸機(jī)制，協(xié)議報(bào)文的組建為:幀頭1B、上下行標(biāo)志1B、幀功能碼1B、幀信息12B、幀尾1B。幀頭為#;上下行標(biāo)志用來標(biāo)識(shí)幀的傳輸方向，發(fā)送方(網(wǎng)關(guān))向接收方(手機(jī))發(fā)送的命令幀為上行幀，用0xDD標(biāo)識(shí)，下行幀用0xEE標(biāo)識(shí);幀功能碼標(biāo)識(shí)該幀信息與之關(guān)聯(lián)的傳感器、探測器或報(bào)警器模塊;幀信息標(biāo)識(shí)操作具體內(nèi)容，如設(shè)置傳感器工作時(shí)間;幀尾用0xAA表示。

具體幀功能碼結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 幀功能碼與幀信息

幀信息的主要作用是開啟或關(guān)閉各種傳感器與探測器，而且可以設(shè)置工作時(shí)間或者關(guān)閉時(shí)間。幀信息工作時(shí)間格式為:“起始時(shí)間:關(guān)閉時(shí)間(統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制數(shù)據(jù))+打開/關(guān)閉狀態(tài)數(shù)據(jù)”。其中立刻生效時(shí)間部分用全0表示，打開用0x00表示，關(guān)閉用0x01表示，比如手機(jī)設(shè)置門磁傳感器關(guān)閉，幀協(xié)議為:#EE03000000000001AA。

2.4 Android手機(jī)客戶端軟件設(shè)計(jì)

2.4.1 手機(jī)客戶端軟件功能解析

手機(jī)客戶端功能模塊如圖7所示。

圖7 手機(jī)客戶端功能模塊圖

布防/撤防切換，主要是從使用者舒適度的方面來考慮，不可能時(shí)刻處于布防狀體，這樣設(shè)備將可能頻繁出現(xiàn)不必要的報(bào)警，且浪費(fèi)資源。當(dāng)住戶在住宅內(nèi)，一切在自己掌控之內(nèi)時(shí)，可以采用撤防狀態(tài)，因此布防與撤防的切換是家庭安防系統(tǒng)必備的功能。布防狀態(tài)觸發(fā)所有傳感器和探測器從休眠狀態(tài)切換到工作狀態(tài)，撤防狀態(tài)則讓設(shè)備處于低功耗的休眠狀態(tài)。

視頻查看是為了更直觀地監(jiān)測住宅內(nèi)實(shí)際情況，住宅內(nèi)的視頻監(jiān)控沒必要使用高清的模擬攝像頭，用USB類型的數(shù)字?jǐn)z像頭即可，手機(jī)方便快捷地監(jiān)測室內(nèi)一舉一動(dòng)，是家庭安防系統(tǒng)的必備功能。

視頻保存可以將當(dāng)前視頻保存在手機(jī)SD卡內(nèi)，供歷史查看。也可以設(shè)定監(jiān)測時(shí)間段，將特定時(shí)間段內(nèi)的視頻保存在SD卡內(nèi)，但考慮到手機(jī)內(nèi)存有限，應(yīng)當(dāng)合理設(shè)置視頻保存的時(shí)間。

系統(tǒng)設(shè)置主要是對(duì)傳感器、探測器工作時(shí)間段設(shè)置，視頻保存時(shí)間段設(shè)置，選擇報(bào)警語音提示信息，日志記錄保存時(shí)間段，報(bào)警電話號(hào)碼設(shè)置，用戶名和密碼設(shè)置。

電話報(bào)警是直接給小區(qū)保安處電話報(bào)警或110報(bào)警。

日志記錄的作用是記錄每次報(bào)警的時(shí)間、報(bào)警信息等，以供歷史查詢。

2.4.2 手機(jī)客戶端軟件界面設(shè)計(jì)

手機(jī)客戶端軟件界面設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能簡單美觀，既要滿足功能的基本需要，也要滿足人性化設(shè)計(jì)需求。根據(jù)MVC原則，盡量降低界面設(shè)計(jì)與程序邏輯之間的耦合度，不考慮直接在功能代碼中實(shí)現(xiàn)界面，而是采用.xml文件格式生成界面文件，功能文件則用.java文件來實(shí)現(xiàn)。

軟件界面主要由主界面main.xml、系統(tǒng)設(shè)置systemset.xml、視頻查看 videoview.xml、日志查看 logview.xml等界面構(gòu)成。main.xml由手機(jī)家庭安防系統(tǒng)TextView、布防、撤防、電話報(bào)警等Button組成。主界面與子界面之間的跳轉(zhuǎn)采用startActivity(intent)來完成。

2.4.3 SQLite 數(shù)據(jù)庫模塊設(shè)計(jì)

為了存儲(chǔ)配置信息及報(bào)警日志記錄，使用輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫 SQLite［10］創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫 securityhome.db，在 eclipse 的客戶端軟件工程中創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫文件Databaseutil.java，從database.sqlite基本類中封裝一些功能類方便調(diào)用，database.sqlite主要類接口說明如表3所示。

表3 SQLite包中主要類/接口說明

根據(jù)需要，主要組建了類tabIsExist，用于判斷數(shù)據(jù)庫中是否存在指定的表項(xiàng)，類updataSecrityHomeInfo，用于更新數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

連接硬件設(shè)備，確定傳感器與探測器處于正常工作狀態(tài)，可以參考傳感器指示燈及串口打印信息，同時(shí)打開網(wǎng)關(guān)設(shè)備，用串口調(diào)試助手查看ZigBee網(wǎng)絡(luò)是否組建完成，ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建成功后，串口打印出提示信息，并且可以查看每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配的地址。

當(dāng)所有設(shè)備都開始工作，且網(wǎng)絡(luò)暢通的情況下，打開手機(jī)客戶端軟件。主頁面顯示如圖8所示，包括布防撤防狀態(tài)切換，電話報(bào)警選擇，視頻查看與視頻存儲(chǔ)功能選項(xiàng)，系統(tǒng)設(shè)置所有探測器和傳感器的布防撤防時(shí)間，報(bào)警聲音和震動(dòng)提示，以及視頻存儲(chǔ)和圖像存儲(chǔ)的SD卡路徑。日志記錄按鈕可以查看當(dāng)前日志信息，日志包括客戶端軟件的登錄日志和退出日志，電話報(bào)警日志，報(bào)警信息日志記錄。所有日志信息均保存在securityhome.db數(shù)據(jù)庫中。既可以在客戶端軟件查看，也可以將數(shù)據(jù)庫文件導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行查看并存儲(chǔ)備份。

圖8 Android客戶端主界面

經(jīng)測試驗(yàn)證，軟件功能滿足家庭安防系統(tǒng)的基本要求，而且操作方便，在WiFi和3G模式下，視頻查看流暢，如圖9所示。

圖9 Android客戶端監(jiān)控效果

圖9是對(duì)客廳視頻監(jiān)測，從入戶大門進(jìn)入的人都能在視頻中看到，且可以放大縮小，并能將當(dāng)前視頻保存至圖片存儲(chǔ)，除此之外，還可根據(jù)需要在不同位置放置更多攝像頭，對(duì)住宅內(nèi)不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控。經(jīng)測試驗(yàn)證，在WiFi連接模式下，視頻運(yùn)行流暢清晰，完全滿足家庭視頻監(jiān)測的要求。

電話報(bào)警方便，在系統(tǒng)設(shè)置配置好小區(qū)保安電話號(hào)碼和報(bào)警電話110，選擇電話報(bào)警按鈕后，有兩個(gè)選項(xiàng)，小區(qū)保安和110，用戶可以任選其一開始呼叫。

4 總結(jié)

本文研究的家庭安防系統(tǒng)屬于智能家居的一部分，根據(jù)家庭安防系統(tǒng)的實(shí)際需要，結(jié)合手機(jī)客戶端便捷方式，設(shè)計(jì)了手機(jī)家庭安防系統(tǒng)，經(jīng)過測試該系統(tǒng)可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)，不論是在安防市場還是在智能家居領(lǐng)域都有一定的應(yīng)用價(jià)值，既是安防領(lǐng)域監(jiān)控模式的擴(kuò)展，又是智能家居功能新的延伸。

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