史振江，谷勇，王渝

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河北石家莊，050041）

基于物聯(lián)網(wǎng)和GPRS的公寓安全智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

史振江，谷勇，王渝

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河北石家莊，050041）

目前用于公寓安全管理的產(chǎn)品功能比較單一，不能對(duì)學(xué)生公寓進(jìn)行全方位的安全防護(hù)。本文基于物聯(lián)網(wǎng)和GPRS技術(shù)構(gòu)建公寓安全監(jiān)測(cè)、控制與管理系統(tǒng)，公寓房間內(nèi)安裝電流檢測(cè)、溫度檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、紅外防盜檢測(cè)等多種傳感器，對(duì)房間的安全信息進(jìn)行感知與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)未授權(quán)的門(mén)窗入口報(bào)警、紅外防盜報(bào)警、大功率電器使用報(bào)警以及火災(zāi)報(bào)警等功能。所有報(bào)警信息通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和GPRS實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多路傳感信息的準(zhǔn)確識(shí)別和報(bào)警信息的無(wú)線傳輸。

物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；GPRS；紅外防盜報(bào)警

0 引言

學(xué)生公寓的安全是學(xué)校安全保衛(wèi)工作中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。很多學(xué)者對(duì)公寓安全管理進(jìn)行了深入的研究和探討[1-5]，然而大部分研究工作都是針對(duì)公寓安全管理的部分功能，不能很好地對(duì)學(xué)生公寓進(jìn)行全方位的安全防護(hù)。本文提出在公寓房間內(nèi)安裝電流檢測(cè)、溫度檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、紅外防盜檢測(cè)等多種傳感器，對(duì)房間的安全信息進(jìn)行感知與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)全方位的公寓安全監(jiān)測(cè)、控制與管理。

由于公寓中房間多導(dǎo)致安裝的終端安全控制器較多，因此整個(gè)系統(tǒng)的布線非常復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)的通信可靠性降低。本文基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和GPRS技術(shù)構(gòu)建無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，所有報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)中心，進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示。

1 原理框圖

公寓安全智能管理系統(tǒng)框圖如圖1所示。公寓房間內(nèi)安裝電流檢測(cè)、溫度檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、紅外防盜檢測(cè)等多種傳感器，對(duì)房間的安全信息進(jìn)行感知與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)未授權(quán)的門(mén)窗入口報(bào)警、紅外防盜報(bào)警、大功率電器使用報(bào)警以及火災(zāi)報(bào)警等功能，如果檢測(cè)到使用大功率電器或者發(fā)生了火災(zāi)系統(tǒng)第一時(shí)間切斷房間的電源，防止引起更加嚴(yán)重的電氣火災(zāi)。

利用ZIGBEE無(wú)線傳輸模塊構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。將每個(gè)安全控制器配置為路由器節(jié)點(diǎn)，每層公寓設(shè)置一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集路由器節(jié)點(diǎn)的信息。整個(gè)公寓設(shè)置一個(gè)總協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)收集每層協(xié)調(diào)器的信息，匯總整理后通過(guò)GPRS模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。每個(gè)房間的所有危險(xiǎn)行為信息（包括火災(zāi)、陌生人進(jìn)入、使用大規(guī)模電器以及門(mén)禁刷卡信息錯(cuò)誤）都會(huì)由安全控制器通過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)傳送給協(xié)調(diào)器，再通過(guò)GPRS模塊傳送到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

2 安全控制器

如圖2所示，公寓安全控制器由stm32單片機(jī)、ID卡識(shí)別模塊、火災(zāi)檢測(cè)模塊、紅外防盜模塊、大功率電器檢測(cè)模塊、供電控制模塊以及無(wú)線傳輸模塊組成。控制芯片采用STM32F103C8T6單片機(jī)，該芯片使用高性能的ARM? Cortex?-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(64K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)；豐富的增強(qiáng)I/O端口，包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器；標(biāo)準(zhǔn)的通信接口：包含2個(gè)I2C接口和SPI接口、3個(gè)USART接口、1個(gè)USB接口和1個(gè)CAN接口。

圖1 公寓安全智能管理系統(tǒng)框圖

火災(zāi)檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)采集煙霧數(shù)據(jù)，并將信息傳送給單片機(jī)用以判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，如果確認(rèn)有火災(zāi)發(fā)生則立即通過(guò)繼電器切斷電源。紅外防盜模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)是否有陌生人闖入房間，一旦發(fā)現(xiàn)立即發(fā)出聲光報(bào)警。大功率電器檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)是否有大功率電器使用，一旦發(fā)現(xiàn)立即通過(guò)供電控制模塊切斷電源并發(fā)出聲音警告，間隔一定時(shí)間后自動(dòng)恢復(fù)供電。ID卡識(shí)別模塊用于識(shí)別用戶(hù)的刷卡信息，并將用戶(hù)卡號(hào)傳送給單片機(jī)進(jìn)行識(shí)別，如果卡號(hào)正確則開(kāi)門(mén)并且關(guān)閉紅外防盜功能以免誤報(bào)警，如果卡號(hào)錯(cuò)誤發(fā)出聲音警告。所有警告信息通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，以便及時(shí)處理。

圖2 公寓安全控制器框圖

3 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)構(gòu)建

本文設(shè)計(jì)了一種融合ZigBee與GPRS技術(shù)的公寓安全數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備、ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器和上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心三部分構(gòu)成。終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)包括傳感器和ZigBee射頻收發(fā)器，傳感器負(fù)責(zé)采集房間的各種安全信息，由射頻器發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器包括ZigBee協(xié)調(diào)器、網(wǎng)關(guān)控制器和GPRS模塊，協(xié)調(diào)器除接收子設(shè)備的數(shù)據(jù)以外，還具有組建、管理和維護(hù)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)。網(wǎng)關(guān)控制器通過(guò)串口將協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)過(guò)軟件將ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換，最后由GPRS模塊發(fā)送到遠(yuǎn)端的上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心。上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心用于監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)的連接請(qǐng)求，同時(shí)具有數(shù)據(jù)的接收、顯示和存儲(chǔ)功能。系統(tǒng)將兩種無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的融合。

3.1 基于ZIGBEE的無(wú)線傳輸

ZIGBEE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量巨大、自組織多跳網(wǎng)絡(luò)、短距離無(wú)線連接、低功耗無(wú)線傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。系統(tǒng)使用QAZ系列ZIGBEE模塊，它是基于TI公司CC2530F256芯片，內(nèi)部運(yùn)行Zigbee2007/PRO協(xié)議棧，上電后自動(dòng)組網(wǎng)，使用方便。

圖3 ZIGBEE模塊與單片機(jī)接口電路

ZIGBEE模塊與單片機(jī)接口電路如圖3所示。單片機(jī)通過(guò)232串口與ZIGBEE模塊連接，通過(guò)串行通信方式和ZIGBEE模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通信波特率設(shè)定為38400bps，單片機(jī)通過(guò)向ZIGBEE模塊發(fā)送16進(jìn)制數(shù)據(jù)可以對(duì)其進(jìn)行參數(shù)配置與通信控制。為了防止無(wú)線通信中的數(shù)據(jù)干擾，ZIGBEE模塊采用多點(diǎn)透?jìng)鞣绞?，即協(xié)調(diào)器發(fā)的數(shù)據(jù)，所有路由可以收到，而路由發(fā)的數(shù)據(jù)，只有協(xié)調(diào)器收到。同一樓層的ZIGBEE模塊設(shè)置為相同的信道，不同的路由器配置為不同的地址，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)之間的通信協(xié)議采用主從機(jī)通信模式，當(dāng)主機(jī)（協(xié)調(diào)器）發(fā)送的地址與本機(jī)地址一致，從機(jī)（路由器）才發(fā)送信息，防止多個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送產(chǎn)生的數(shù)據(jù)沖突與干擾。另外不同層的無(wú)線傳輸模塊設(shè)置為不同的信道進(jìn)行通信，防止層與層之間的數(shù)據(jù)干擾。每層協(xié)調(diào)器通過(guò)動(dòng)態(tài)切換信道實(shí)現(xiàn)與總協(xié)調(diào)器之間的通信。

3.2 GPRS通信

利用單片機(jī)控制ATK-SIM900A GPRS模塊實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的遠(yuǎn)程傳輸。單片機(jī)通過(guò)串口與GPRS模塊進(jìn)行通信，通信格式為波特率9600bps、沒(méi)有校驗(yàn)位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。

單片機(jī)通過(guò)串口收發(fā)與GPRS短信息功能有關(guān)的AT指令來(lái)控制GPRS模塊實(shí)現(xiàn)收發(fā)短信。AT指令集通俗地說(shuō)就是一種操作控制GPRS模塊的軟件協(xié)議的集合，每條命令均以字母“AT”開(kāi)頭而得名。使用TCP向遠(yuǎn)端SERVER傳輸數(shù)據(jù)。先要建立一個(gè)TCP連接，模塊作為CLIENT向遠(yuǎn)程的SERVER發(fā)起一個(gè)TCP連接，要成功建立連接需要SERVER端為連接到INTERNET的一臺(tái)PC，而且該P(yáng)C的IP地址是公網(wǎng)的IP地址，然后該P(yáng)C運(yùn)行SERVER軟件，這時(shí)就可以在模塊端用AT命令與SERVER建立TCP連接(AT+CIPSTART=”TCP”，”SERVER的IP地址”，”SERVER的端口號(hào)”)，連接成功后會(huì)返回CONNECT OK.然后就可以用AT+CIPSEND發(fā)送數(shù)據(jù)到SERVER，若SERVER有數(shù)據(jù),模塊自動(dòng)通過(guò)串口接收，要關(guān)閉TCP連接可用AT+CIPCLOSE命令。

3.3 上位機(jī)

利用B/S架構(gòu)和web技術(shù)在上位機(jī)開(kāi)發(fā)公寓安全智能管理系統(tǒng)。采用sql server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)接收公寓總協(xié)調(diào)器通過(guò)GPRS傳送來(lái)的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警信息的存儲(chǔ)與管理。服務(wù)器端利用asp.net4.0框架和C#編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)web程序開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)公寓安全信息的管理與圖形化顯示。如果某個(gè)公寓房間有危險(xiǎn)情況發(fā)生，在web頁(yè)面上會(huì)有報(bào)警信息提示，信息內(nèi)容包含房間號(hào)、危險(xiǎn)行為類(lèi)型以及房間負(fù)責(zé)人員的姓名和聯(lián)系方式，便于管理人員及時(shí)聯(lián)系負(fù)責(zé)人到房間查看情況，將財(cái)物損失降到最低。

公寓安全管理系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面如圖4所示。管理系統(tǒng)報(bào)警信息分三層進(jìn)行提示，首先是對(duì)有報(bào)警信息的房間所在的樓和單元進(jìn)行聲光報(bào)警顯示，工作人員點(diǎn)擊相應(yīng)的單元號(hào)就可以看到該單元的所有房間的安全狀態(tài)（分為正常、火災(zāi)、盜竊、大功率電器使用四種情況），如果某個(gè)房間顯示異常狀態(tài)，再次點(diǎn)擊該房間號(hào)就可以看到房間的聯(lián)系信息。此外該系統(tǒng)還具有信息管理和報(bào)表打印等功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)和GPRS技術(shù)構(gòu)建公寓安全監(jiān)測(cè)、控制與管理系統(tǒng)，公寓房間內(nèi)布設(shè)電流檢測(cè)、溫度檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、紅外防盜檢測(cè)等多種傳感器，對(duì)房間的安全信息進(jìn)行感知與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生公寓進(jìn)行全方位的安全防護(hù)。所有報(bào)警信息通過(guò)ZIGBEE構(gòu)建的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和GPRS實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示。ZIGBEE模塊采用多點(diǎn)透?jìng)鞣绞胶蛣?dòng)態(tài)切換信道機(jī)制，既解決了復(fù)雜的布線施工問(wèn)題，又有效避免了多個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送產(chǎn)生的數(shù)據(jù)沖突與干擾。

圖4 公寓安全管理系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面

[1]王秀平.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2011,28(8): 103-106.

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Design of Intelligent Management System of Apartment Safety Based on Internet of Things and GPRS

Shi Zhenjiang,Gu Yong,Wang Yu
(Dept. of Electrical Engineering,Shijiazhuang Institute of Railway Technology,Shijiazhuang Hebei, 050041)

At present, the products for apartment safety management are relatively simple and can not carry out all-round security protection for student apartments The apartment security monitoring, control and management system is constructed based on Internet and GPRS technology in the paper Many kinds of sensors including current detection sensor, temperature detection sensor, smoke detection sensor, and infrared detection sensor are installed in every apartment room, to percept and real-time monitor the safety information of room, and the system can achieve functions of unauthorized entrance alarm, infrared antitheft alarm, electrical power use alarm, and fire alarm All the alarm information is transmitted to the data center in real time via wireless sensor networks and GPRS for storage and display. Experimental results show that the system can realize the accurate identification of multi-channel sensing information and wireless transmission of alarm information

Internet of things; Wireless sensor network; GPRS; Infrared anti-theft alarm

河北省教育廳青年基金資助項(xiàng)目（QN2017358）。

史振江（1979-），男，河北省唐山人，碩士學(xué)位，副教授職稱(chēng)。主要研究方向：智能檢測(cè)與控制技術(shù)。