周漢達 梁佳 陳廣明 李梓新 房嘉澤 蘇國濤
摘 要:為了滿足人們對室內(nèi)安全越來越高的需求,以及解決市面現(xiàn)有安防產(chǎn)品的種種弊端,設(shè)計一種由ZigBee、WiFi網(wǎng)關(guān)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺、微信平臺組成的可移動式安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計了全新的設(shè)備安裝轉(zhuǎn)移機制與多級互助的安全反饋機制,更具便捷性與安全性。
關(guān)鍵詞:無線傳感技術(shù);安防系統(tǒng);ZigBee;WiFi網(wǎng)關(guān);物聯(lián)網(wǎng)云平臺;微信平臺
中圖分類號:TP309文獻標(biāo)識碼:A文章編號:2095-1302(2019)04-00-04
0 引 言
隨著我國改革開放的推進,人們的生活水平不斷提高,擁有更舒適、更安全的生活成為人們的追求,因此室內(nèi)安全問題成為人們關(guān)注的熱點。然而,目前的安防系統(tǒng)僅以防止非法入侵或監(jiān)測火災(zāi)為目的,主要采用有線技術(shù)進行聯(lián)網(wǎng),不但需要施工布線,成本較高,而且安防模式也較為單一,不能同時兼顧火災(zāi)與盜竊問題。另外,有線安防系統(tǒng)還存在線路老化、電磁干擾等增加系統(tǒng)誤報率的問題[1]。種種缺陷導(dǎo)致現(xiàn)有有線安防系統(tǒng)漸漸地不能滿足人們的需求。
隨著無線傳輸技術(shù)的蓬勃發(fā)展,陸續(xù)出現(xiàn)了各種無線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),從無線廣域網(wǎng)到基于 IEEE 802.11 的無線局域網(wǎng), 以及基于藍牙與ZigBee 的無線個域網(wǎng),各類設(shè)備的互相連接不再局限于有線連接,無線技術(shù)的出現(xiàn)解決了有線安防的線路問題,大大增加了安防系統(tǒng)的便捷性、智能性。采用無線網(wǎng)絡(luò)的智能安防系統(tǒng)保證了信息的穩(wěn)定傳輸,免除了施工布線的繁瑣,移動端更能讓人時刻關(guān)注室內(nèi)的安全狀況,但是智能安防系統(tǒng)同樣存在獨立設(shè)備不能同時兼顧火災(zāi)與盜竊的問題。同時,智能安防系統(tǒng)雖然采用無線網(wǎng)絡(luò),但由于設(shè)備構(gòu)造等方面因素的影響,空間移動性與場景移動性較差,不能較好地轉(zhuǎn)移,移動端的反饋也常常因為移動設(shè)備不在身邊而錯過安防提醒,導(dǎo)致財產(chǎn)損失。
因此,本文提出一種可在學(xué)生宿舍、個人家庭、出租房等多個室內(nèi)場景間快速安裝部署、轉(zhuǎn)移的便攜式智能安防系統(tǒng),在現(xiàn)有無線智能安防系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,采用更為靈活的設(shè)備設(shè)計,方便用戶將系統(tǒng)進行快速轉(zhuǎn)移,并且系統(tǒng)終端設(shè)備集成火災(zāi)檢測與入侵檢測兩種功能,能夠解決其他安防系統(tǒng)終端設(shè)備安防功能單一的弊端。系統(tǒng)采用全新依托微信的安全反饋機制,使智能安防系統(tǒng)移動端通知被錯過的問題能夠很好地得到解決,變“自我保護”為“科技與相互保護”,變“固定安防”為“移動安防”,更加適應(yīng)人們當(dāng)今的安防需求。
1 系統(tǒng)總體框架
物聯(lián)網(wǎng)跟互聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)不同, 從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上可將其分為三層:最基礎(chǔ)的是感知層, 即通過傳感技術(shù)隨時隨地獲取物體本身或周邊各種動態(tài)信息,這些構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)傳遞的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);第二層是網(wǎng)絡(luò)層,即將感知層感知到的信息通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)進行實時傳送,在技術(shù)上必須保證無縫互聯(lián)、可靠傳遞;第三層是應(yīng)用層,通過中央處理器、網(wǎng)絡(luò)云計算等技術(shù),對收到的各種實時數(shù)據(jù)進行處理,實現(xiàn)對物體的智能化管理與控制,真正達到人與物的溝通[2]。
系統(tǒng)依據(jù)經(jīng)典的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)搭建,主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三部分組成。
感知層:由安防子設(shè)備與安防主設(shè)備相結(jié)合的主從模式設(shè)備構(gòu)造,兩者間利用2.4 GHz射頻技術(shù)進行通信,從模式設(shè)備構(gòu)造更好的適應(yīng)室內(nèi)不同地點以及白夜不同的安防需求。
網(wǎng)絡(luò)層:采用WiFi技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺相連接,對ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳送來的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換并上傳至云平臺,云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、消息轉(zhuǎn)發(fā),而獨立的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供了數(shù)據(jù)存儲與挖掘分析,為設(shè)備的互聯(lián)互通與數(shù)據(jù)服務(wù)提供無限可能。
應(yīng)用層:微信用戶端提供設(shè)備信息查詢顯示、故障提醒、安全情況報警與推送等實時服務(wù),同理,利用微信強大社交能力的特點,構(gòu)造多級互助模式下的安全反饋機制,大大降低人員反應(yīng)不及時的安全漏洞。系統(tǒng)主要功能如圖1所示,其整體架構(gòu)如圖2所示。
2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計
2.1 安防子設(shè)備模塊
安防子設(shè)備包括核心主控板STM8S103F2P6最小電路、2.4 GHz發(fā)射模塊、按鍵模塊、獨立供電模塊、傳感器模塊及蜂鳴器報警模塊等,適用于門窗等地點,采用獨立充電設(shè)備進行供電,用戶可自行根據(jù)電量顯示燈進行操作。安防子設(shè)備硬件如圖3所示。
2.2 數(shù)據(jù)采集終端模塊
數(shù)據(jù)采集終端(安防主設(shè)備)包括CC2530最小電路、2.4 GHz接收模塊、蜂鳴器報警模塊、電源供電模塊、按鍵模塊及傳感器模塊等,均采用獨立充電設(shè)備進行供電,用戶可自行根據(jù)電量顯示燈進行操作。數(shù)據(jù)終端硬件如圖4所示。
3 系統(tǒng)流程設(shè)計
3.1 設(shè)備端設(shè)計
設(shè)備端軟件主要由安防主、從設(shè)備兩部分組成。安防主設(shè)備主要適用于室內(nèi)無人狀況,子設(shè)備主要適用于夜晚熟睡時門窗的安防擴展。程序設(shè)計中,整個無線網(wǎng)絡(luò)采用樹狀的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),通過ZigBee技術(shù)將各安防主設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中。安防子設(shè)備通過2.4 GHz無線技術(shù)與安防主設(shè)備相關(guān)聯(lián),形成最終的ZigBee+2.4 GHz安防傳感網(wǎng)絡(luò),實時監(jiān)控室內(nèi)的環(huán)境狀況。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要基于德州儀器公司Z-Stack協(xié)議棧進行開發(fā),Z-Stack協(xié)議棧引入了OSAL(操作系統(tǒng)抽象層)的概念[3]。OSAL通過輪循處理事件的機制形成簡單的多任務(wù)操作系統(tǒng)。當(dāng)同時有多個任務(wù)需要處理器處理時,操作系統(tǒng)判斷事件優(yōu)先級,逐次解決[4-5]。多任務(wù)操作系統(tǒng)適合室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)與數(shù)據(jù)處理,為數(shù)據(jù)采集與傳輸提供較好的網(wǎng)絡(luò)支持。
安防主設(shè)備進行設(shè)備初始化后,發(fā)起網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)的相關(guān)操作,申請加入相應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)。入網(wǎng)成功后,設(shè)備被定時喚醒,采集相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù),通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)進行信息交互、并進行數(shù)據(jù)傳輸、上報與存儲,便于日后數(shù)據(jù)分析等操作。繼而設(shè)備判斷是否觸發(fā)相應(yīng)的報警模塊,流程結(jié)束后進入休眠狀態(tài)降低功耗。
安防子設(shè)備通過按鍵開啟,按下按鍵后,開啟傳感器模塊,對當(dāng)前環(huán)境進行監(jiān)測。當(dāng)有人員入侵時,開啟報警模塊,并將信息發(fā)送到主設(shè)備,由主設(shè)備進行報警信息的上報等操作。安防主設(shè)備與子設(shè)備程序流程如圖5所示。
3.2 數(shù)據(jù)主要流程
物聯(lián)網(wǎng)是一種由智能實體持續(xù)不斷產(chǎn)生數(shù)據(jù)、物體與物體之間互聯(lián)互通以及通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)范例[6]。數(shù)據(jù)是物聯(lián)網(wǎng)流動的血液,因此數(shù)據(jù)的流通與管理是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)中的重要環(huán)節(jié)。
本文系統(tǒng)采用成熟的ZigBee無線傳感技術(shù)采集各個傳感器的信息,再通過WiFi網(wǎng)關(guān)將信息數(shù)據(jù)上傳至相應(yīng)的云平臺進行數(shù)據(jù)篩選分析,依據(jù)相應(yīng)的規(guī)則邏輯進行消息轉(zhuǎn)發(fā)或轉(zhuǎn)儲到專門的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行保存與后續(xù)操作。微信端可發(fā)送、接收云平臺的消息,且可直接與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通信進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)操作。數(shù)據(jù)流向如圖6所示。
3.3 移動端流程設(shè)計
本文系統(tǒng)移動端(微信小程序)處理流程如圖7所示。一方面從百度天氣端獲取當(dāng)前地區(qū)相應(yīng)的天氣信息,并將所在地天氣信息以天氣預(yù)報信息的方式顯示,以提醒用戶。另一方面,從云端獲取終端設(shè)備采集上報的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)信息,根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)判斷是否需要直接顯示傳感器信息或根據(jù)用戶設(shè)置的安防等級進行報警信息的輸出,并在用戶未在第一時間做出反應(yīng)的情況下自動采取多人互助模式。
4 系統(tǒng)的響應(yīng)與報警機制
4.1 設(shè)備報警機制
安防子設(shè)備采用獨立自主供電設(shè)計,主要用于監(jiān)測用戶在室內(nèi)熟睡時門窗的防盜報警。由用戶自行選擇放置地點,開啟設(shè)備后,傳感器對設(shè)備周圍情況進行監(jiān)測。當(dāng)有人員經(jīng)過時,延遲一定時間后開啟報警模塊,并將信息發(fā)送到主設(shè)備,如果一段時間內(nèi)未解除警報,子設(shè)備將發(fā)送更高級安防響應(yīng),提升安防等級,啟用更高級響應(yīng)策略。
安防主設(shè)備同樣采用獨立自主供電設(shè)計,主要用于用戶不在室內(nèi)時室內(nèi)火災(zāi)、入侵等情況的監(jiān)測,由用戶自行選擇放置地點。主設(shè)備對室內(nèi)溫度、煙霧、火焰、人員等環(huán)境因素進行采集比對,當(dāng)采集數(shù)值超過設(shè)定值時,立即主動上報數(shù)據(jù),延遲一定時間后開啟報警模塊,如果應(yīng)用端一段時間內(nèi)未解除警報,平臺端將采取更高級響應(yīng)策略,觸發(fā)多級互助的響應(yīng)機制,及時挽救用戶損失。
4.2 多級互助響應(yīng)機制
市面上存在的大多數(shù)安防系統(tǒng)存在通知不及時的弊端,只有單一的手機用戶會接收到警報信息,很多情況下往往會錯過警報,造成不可挽回的損失。本文系統(tǒng)基于此弊端,利用微信平臺的社交屬性,打造多用戶互助的安全反饋機制。
當(dāng)設(shè)備將警報數(shù)據(jù)上傳至云平臺后,通過消息轉(zhuǎn)發(fā)機制通知對應(yīng)的微信用戶端,等待用戶解除警報響應(yīng)。若一定時間內(nèi)用戶未在微信端解除警報響應(yīng),則觸發(fā)更高一級響應(yīng)策略,將警報信息通過云平臺轉(zhuǎn)發(fā)至其他地點相近的其他用戶,或者由用戶指定的備用用戶,由他們進行進一步確認,變“自我保護”為“科技與相互保護”,從而達到一種互相幫助、共同安防的模式。多級互助模式如圖8所示。
5 結(jié) 語
本文針對目前安防系統(tǒng)的不足,依托成熟的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、WiFi技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、微信小程序,設(shè)計一種可在多個建筑場景下自由遷移的便攜式安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)可由用戶自行設(shè)置與拆卸,方便快捷,克服了施工人員上門布線安裝等弊端。主從模式安防設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)更具靈活性,適用于多種安防場景。全新的微信安全反饋機制相較于其他安防系統(tǒng)更具安全性,更能保障用戶財產(chǎn)安全,具有較大的市場應(yīng)用價值。
參 考 文 獻
[1]賀小艷.基于物聯(lián)網(wǎng)無線傳感的小區(qū)安防系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測試,2018(7):38-40.
[2]李園園,畢曉冬,張永勝,等.物聯(lián)網(wǎng)框架安全威脅及相應(yīng)策略研究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2011,21(12):148-151.
[3]周海鴻,周嘉奉.基于ZigBee技術(shù)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)[J].國外電子測量技術(shù),2015(7):75-79.
[4]奇華,李錚,劉軍.基于ZigBee的污水監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點軟件設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù),2014,33(12):26-30.
[5]葛年明,周泉,沈春梅.基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用,2012,31(17):80-83.
[6]史俊茹,黑敏星,楊軍.一種物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理框架研究[J].計算機科學(xué),2015,42(z1):294-298.
[7]王菁藝,李斌勇,姚瑤.基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭消防安全監(jiān)控系統(tǒng)[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用,2018(3):100-101.
[8] JAHNAVI V S,AHAMED S F.Smart wireless sensor network for autonated greenhouse[J].IETE journal of research,2015(2):180-185.
[9]劉敏,單志勇.基于ZigBee的小區(qū)無線安防系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2012(11):28-31.
[10] WANG G W,LU S L.Smart home gateway based on ZigBee technology[J].International journal of plant engineering and management,2015,20(4):240-249.