周漢達(dá) 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(jì)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(jì)了全新的設(shè)備安裝轉(zhuǎn)移機(jī)制與多級互助的安全反饋機(jī)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(xiàn)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(jìn)，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(diǎn)。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(jìn)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(shí)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(bào)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(lán)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(shí)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(dú)立設(shè)備不能同時(shí)兼顧火災(zāi)與盜竊的問題。同時(shí)，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?yàn)橐苿釉O(shè)備不在身邊而錯過安防提醒，導(dǎo)致財(cái)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(jì)，方便用戶將系統(tǒng)進(jìn)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(jī)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(hù)”為“科技與相互保護(hù)”，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(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)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(jì)算等技術(shù)，對收到的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對物體的智能化管理與控制，真正達(dá)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(jìn)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(diǎn)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(jìn)行轉(zhuǎn)換并上傳至云平臺，云平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、消息轉(zhuǎn)發(fā)，而獨(dú)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(bào)警與推送等實(shí)時(shí)服務(wù)，同理，利用微信強(qiáng)大社交能力的特點(diǎn)，構(gòu)造多級互助模式下的安全反饋機(jī)制，大大降低人員反應(yīng)不及時(shí)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(jì)

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(dú)立供電模塊、傳感器模塊及蜂鳴器報(bào)警模塊等，適用于門窗等地點(diǎn)，采用獨(dú)立充電設(shè)備進(jìn)行供電，用戶可自行根據(jù)電量顯示燈進(jìn)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(bào)警模塊、電源供電模塊、按鍵模塊及傳感器模塊等，均采用獨(dú)立充電設(shè)備進(jìn)行供電，用戶可自行根據(jù)電量顯示燈進(jìn)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(jì)

3.1 設(shè)備端設(shè)計(jì)

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(shí)門窗的安防擴(kuò)展。程序設(shè)計(jì)中，整個無線網(wǎng)絡(luò)采用樹狀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(shí)時(shí)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(jìn)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(jī)制形成簡單的多任務(wù)操作系統(tǒng)。當(dāng)同時(shí)有多個任務(wù)需要處理器處理時(shí)，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(jìn)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(shí)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(jìn)行信息交互、并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、上報(bào)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(bào)警模塊，流程結(jié)束后進(jìn)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(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)有人員入侵時(shí)，開啟報(bào)警模塊，并將信息發(fā)送到主設(shè)備，由主設(shè)備進(jìn)行報(bào)警信息的上報(bào)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(shí)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(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)篩選分析，依據(jù)相應(yīng)的規(guī)則邏輯進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jì)

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(bào)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(bào)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(jìn)行報(bào)警信息的輸出，并在用戶未在第一時(shí)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(bào)警機(jī)制

4.1 設(shè)備報(bào)警機(jī)制

安防子設(shè)備采用獨(dú)立自主供電設(shè)計(jì)，主要用于監(jiān)測用戶在室內(nèi)熟睡時(shí)門窗的防盜報(bào)警。由用戶自行選擇放置地點(diǎn)，開啟設(shè)備后，傳感器對設(shè)備周圍情況進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)有人員經(jīng)過時(shí)，延遲一定時(shí)間后開啟報(bào)警模塊，并將信息發(fā)送到主設(shè)備，如果一段時(shí)間內(nèi)未解除警報(bào)，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(dú)立自主供電設(shè)計(jì)，主要用于用戶不在室內(nèi)時(shí)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(diǎn)。主設(shè)備對室內(nèi)溫度、煙霧、火焰、人員等環(huán)境因素進(jìn)行采集比對，當(dāng)采集數(shù)值超過設(shè)定值時(shí)，立即主動上報(bào)數(shù)據(jù)，延遲一定時(shí)間后開啟報(bào)警模塊，如果應(yīng)用端一段時(shí)間內(nèi)未解除警報(bào)，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(jī)制，及時(shí)挽救用戶損失。

4.2 多級互助響應(yīng)機(jī)制

市面上存在的大多數(shù)安防系統(tǒng)存在通知不及時(shí)的弊端，只有單一的手機(jī)用戶會接收到警報(bào)信息，很多情況下往往會錯過警報(bào)，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(jī)制。

當(dāng)設(shè)備將警報(bào)數(shù)據(jù)上傳至云平臺后，通過消息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制通知對應(yīng)的微信用戶端，等待用戶解除警報(bào)響應(yīng)。若一定時(shí)間內(nèi)用戶未在微信端解除警報(bào)響應(yīng)，則觸發(fā)更高一級響應(yīng)策略，將警報(bào)信息通過云平臺轉(zhuǎn)發(fā)至其他地點(diǎn)相近的其他用戶，或者由用戶指定的備用用戶，由他們進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)，變“自我保護(hù)”為“科技與相互保護(hù)”，從而達(dá)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(jì)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(jì)與實(shí)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(jī)制相較于其他安防系統(tǒng)更具安全性，更能保障用戶財(cái)產(chǎn)安全，具有較大的市場應(yīng)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[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(jì)[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(jì)算機(jī)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(diǎn)軟件設(shè)計(jì)[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(jì)[J].微型機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)[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.