葛 鑫，李中望，李 煒，陳慧蓉，蔣 玲

如果樓道出現(xiàn)的安全及防盜問(wèn)題不能得到及時(shí)處理，將會(huì)給人們的生活帶來(lái)很多潛在的風(fēng)險(xiǎn)，如發(fā)生火災(zāi)、煤氣泄漏及盜竊等情況將會(huì)給居民健康及安全帶來(lái)嚴(yán)重危害.

為了解決樓道中安全及防盜問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的樓道安防系統(tǒng)，系統(tǒng)以ZigBee 技術(shù)為核心，搭建樓道總控系統(tǒng)及無(wú)線終端系統(tǒng)，結(jié)合傳感器模塊、無(wú)線GPS 定位模塊、GSM 通信模塊、攝像頭模塊等，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行溫度、一氧化碳（CO）、煙霧、壓力的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線報(bào)警鎖門(mén)、攝像頭采集. 相對(duì)于傳統(tǒng)系統(tǒng)檢測(cè)，無(wú)線的傳輸方式能夠減少建設(shè)與維護(hù)費(fèi)用，組網(wǎng)靈活、系統(tǒng)穩(wěn)定，并且本系統(tǒng)檢測(cè)范圍廣、檢測(cè)功能更加全面.

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 ZigBee 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識(shí)別技術(shù)、各類傳感器、紅外感應(yīng)器等裝置及技術(shù)，實(shí)時(shí)對(duì)需要監(jiān)控、互動(dòng)的物體進(jìn)行信息采集，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)的連接，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人相連，達(dá)到對(duì)物品及過(guò)程的全面化感知、識(shí)別與監(jiān)管［1-2］.

物聯(lián)網(wǎng)具有ZigBee、WSN 等多種路由器協(xié)議，其中ZigBee 是目前應(yīng)用較為廣泛的物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)組建，具備較強(qiáng)的靈活性，能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和接收，為信息傳送建立良好的基礎(chǔ)［3-4］.

ZigBee 具有傳輸距離近、組網(wǎng)智能、功耗低等特點(diǎn)，主要運(yùn)用在智能控制及遠(yuǎn)距離控制方面，能夠兼容其他設(shè)備技術(shù)，適用于樓道安防系統(tǒng).

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

樓道安防系統(tǒng)由總控系統(tǒng)和樓道終端兩部分組成，其中總控系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心，樓道終端主要為無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示.

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

在系統(tǒng)中，通過(guò)樓道無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)采集樓道中溫濕度、一氧化碳、煙霧、壓力、視頻圖片等參數(shù)，將檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，監(jiān)控中心接收協(xié)調(diào)器傳送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行監(jiān)控和處理. 如果檢測(cè)到的數(shù)據(jù)達(dá)到上限值，則會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)利用終端節(jié)點(diǎn)中的GPS 模塊，傳送定位信息，通過(guò)攝像頭實(shí)現(xiàn)視頻及圖片采集保存，并發(fā)送指令至協(xié)調(diào)器請(qǐng)求終端節(jié)點(diǎn)對(duì)樓道門(mén)鎖進(jìn)行封鎖處理. 另外，總控系統(tǒng)中的GSM 通信模塊會(huì)將實(shí)時(shí)報(bào)警數(shù)據(jù)以短信息的形式發(fā)送給物業(yè)中心及住戶個(gè)人，為其提供及時(shí)準(zhǔn)確的信息，減少因環(huán)境及盜竊等因素帶來(lái)不必要的損失.

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)和總控系統(tǒng)設(shè)計(jì). 無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)以集成芯片CC2533 為核心，組建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)樓道參數(shù)進(jìn)行檢測(cè). 其中CC2533 芯片采用微控制器與ZigBee 射頻芯片結(jié)合的方式，應(yīng)用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 片上 系統(tǒng)，并具有功耗模式高效、節(jié)點(diǎn)間通信距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)可靠穩(wěn)定等特點(diǎn)［5-7］.

2.1 無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送、功能控制，采集整個(gè)系統(tǒng)中溫濕度、一氧化碳、煙霧、壓力、視頻圖片、GPS定位模塊坐標(biāo)信息等數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行樓道門(mén)鎖控制及報(bào)警控制. 其中主要包括傳感器模塊、攝像頭采集模塊、報(bào)警模塊、GPS 定位模塊、LED 指示模塊等.

在ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)，加入后將采集的數(shù)據(jù)傳遞至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，并且接收其發(fā)送的命令，能夠?qū)崿F(xiàn)異常情況的實(shí)時(shí)報(bào)警、視頻圖片采集、GPS 定位及門(mén)鎖控制，整個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)LED 顯示工作與聯(lián)網(wǎng)狀態(tài). 具體節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖2 所示.

圖2 無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

（1）傳感檢測(cè)模塊. 系統(tǒng)中傳感模塊主要應(yīng)用于對(duì)溫濕度、一氧化碳、煙霧及壓力參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，相關(guān)傳感器選用如下：

溫濕度傳感器選用DHT11 型號(hào)傳感器，能夠?qū)ο到y(tǒng)環(huán)境溫度與濕度進(jìn)行測(cè)量，用于及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi). 該傳感器具有精度高、靈敏等特點(diǎn)，可以長(zhǎng)期精確測(cè)量.

一氧化碳傳感器選用ME2-CO 傳感器，能夠?qū)ο到y(tǒng)中煤氣泄漏進(jìn)行測(cè)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)煤氣泄漏現(xiàn)象. 該傳感器具有精度高、靈敏度高等特點(diǎn)，適合長(zhǎng)期實(shí)時(shí)精確測(cè)量.

煙霧傳感器選用MQ-2 傳感器，能夠?qū)Πl(fā)生火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生的煙霧進(jìn)行測(cè)量，可以對(duì)火災(zāi)爆發(fā)前期有較為準(zhǔn)確的判斷. 該傳感器對(duì)可燃?xì)怏w有較高的靈敏度，適用于本系統(tǒng)檢測(cè).

壓力檢測(cè)選用MPM-288 壓阻式壓力傳感器，用于系統(tǒng)的防盜檢測(cè). 該傳感器具有測(cè)量范圍寬、精度高、靈敏度高等特點(diǎn)，適合本系統(tǒng)的檢測(cè).

（2）防盜控制模塊. 無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)中的防盜控制模塊主要由報(bào)警器電路、攝像頭采集模塊及門(mén)鎖控制電路組成，當(dāng)入侵者用非常手段試圖開(kāi)門(mén)時(shí)，會(huì)擠壓壓力傳感器，使其參數(shù)發(fā)生變化，無(wú)線終端模塊采集到信號(hào)后，發(fā)出指令控制攝像頭進(jìn)行視頻圖片的采集，并激活報(bào)警器，警告樓道內(nèi)住戶，同時(shí)將采集的信息傳遞給總控系統(tǒng)，控制樓道門(mén)鎖關(guān)閉，防止入侵者逃離.

（3）GPS 模塊.GPS 模塊結(jié)合終端節(jié)點(diǎn)搭建的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定位，能夠?qū)⒍ㄎ环答佒噶?、?jì)算得出的定位坐標(biāo)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行信息的傳送，具有靈敏度高、功耗低、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，適用于本系統(tǒng).

2.2 總控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樓道安防系統(tǒng)的總控系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)及監(jiān)控中心兩部分組成. 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主要進(jìn)行建立和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、接收終端節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)、發(fā)送控制指令、實(shí)現(xiàn)與GSM 模塊通信等任務(wù)，監(jiān)控中心負(fù)責(zé)監(jiān)控、數(shù)據(jù)保存、查詢數(shù)據(jù)、預(yù)警及門(mén)鎖手動(dòng)控制.

（1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì). 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)包括LCD、LED 顯示與指示電路、電源模塊、GSM 通信模塊等. 在系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通過(guò)RS485 實(shí)現(xiàn)與GSM 模塊和監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信，顯示模塊用于監(jiān)視整個(gè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài). 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖3 所示.

圖3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

（2）監(jiān)控中心. 監(jiān)控中心具有保存數(shù)據(jù)、查詢數(shù)據(jù)、預(yù)警、狀態(tài)監(jiān)控、門(mén)鎖手動(dòng)控制等功能，為物業(yè)管理人員提供實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且可以對(duì)以往數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)可以手動(dòng)進(jìn)行門(mén)鎖控制，大大提高了系統(tǒng)的可靠性.

（3）GSM 通信模塊.GSM 通信模塊主要由功率放大器、射頻芯片等組成，可以對(duì)GSM 射頻處理.GSM 模塊具有基于GSM 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的所有功能，包括發(fā)送SMS 信息、語(yǔ)音通話等. 能夠?qū)崟r(shí)將樓道信息通過(guò)短信、語(yǔ)音通話等方式通知物業(yè)中心工作人員及用戶個(gè)人，對(duì)緊急情況進(jìn)行及時(shí)處理.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

樓道安防系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程是先進(jìn)行工作前軟硬件初始化，再對(duì)溫濕度、一氧化碳、煙霧、壓力參數(shù)設(shè)置警戒值，然后進(jìn)行協(xié)調(diào)器組網(wǎng)與無(wú)線終端入網(wǎng). 網(wǎng)絡(luò)建立完成后，協(xié)調(diào)器會(huì)發(fā)出指令，經(jīng)過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)輸送至無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)，無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)收到傳送的指令后，進(jìn)行傳感器、GPS 定位等信息采集，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)反饋至協(xié)調(diào)器. 在系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器與監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)傳輸.

系統(tǒng)的軟件主要由無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)和總控系統(tǒng)組成.

3.1 無(wú)線終端模塊軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線終端模塊先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（包括：溫濕度、一氧化碳、煙霧、壓力、GPS 定位），并將數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)調(diào)器建立的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送，同時(shí)接收協(xié)調(diào)器傳送的執(zhí)行命令，具體流程如下：

模塊上電后首先進(jìn)行軟硬件初始化，設(shè)置完數(shù)據(jù)后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)掃描，搜索并請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)成功后將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器，若出現(xiàn)溫濕度、一氧化碳、煙霧的濃度異常，則進(jìn)行報(bào)警與GPS 定位，并向協(xié)調(diào)器發(fā)送請(qǐng)求指令；若出現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)采集異常，則立即報(bào)警，同時(shí)進(jìn)行GPS 定位與攝像頭數(shù)據(jù)采集，向協(xié)調(diào)器發(fā)送鎖門(mén)請(qǐng)求信號(hào). 具體無(wú)線終端模塊軟件設(shè)計(jì)流程如圖4 所示.

圖4 無(wú)線終端模塊流程圖

3.2 總控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

總控系統(tǒng)主要是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并接收無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)及請(qǐng)求，經(jīng)過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心及GSM 模塊的數(shù)據(jù)傳送，具體流程如下：

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上電后進(jìn)行軟硬件初始化，設(shè)置相關(guān)參數(shù)后開(kāi)始建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，等待節(jié)點(diǎn)加入請(qǐng)求，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入時(shí)分配地址，若是傳感器數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心，若是報(bào)警信號(hào)或無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的鎖門(mén)請(qǐng)求信號(hào)，則通過(guò)GSM 通信模塊發(fā)送信息至物業(yè)中心及住戶，同時(shí)發(fā)送指令給終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鎖門(mén)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心進(jìn)行預(yù)警與視頻圖片監(jiān)控. 具體網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器模塊軟件設(shè)計(jì)流程如圖5 所示.

圖5 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器模塊流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)有效性，在蕪湖市鳩江區(qū)某小區(qū)樓道進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè). 采用溫濕度、一氧化碳及壓力傳感器進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖6~圖8 所示.

圖8 樓道壓力檢測(cè)曲線

如圖6 所示，樓道一氧化碳濃度在0~6 mg/m3范 圍 內(nèi)，中 午11 時(shí)、12 時(shí) 及 晚 間17 時(shí)、18 時(shí)濃度稍高，這是由于在樓道測(cè)試時(shí)距離廚房較近，時(shí)間為做飯時(shí)間，可以看出系統(tǒng)用能夠?qū)σ谎趸紲y(cè)試有很好的靈敏度.

圖6 樓道一氧化碳濃度檢測(cè)曲線

如圖7 所示，樓道的溫度變化在26 ℃~29 ℃之間，中午12 時(shí)、13 時(shí)溫度較高，由于未達(dá)到設(shè)定40 ℃的溫度，所以系統(tǒng)未報(bào)警，但是系統(tǒng)能夠?qū)囟冗M(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè).

圖7 樓道溫度檢測(cè)曲線

如圖8 所示，對(duì)樓道內(nèi)某一住戶進(jìn)行了壓力檢測(cè)，12 時(shí)、14 時(shí)、16 時(shí) 分別 人 工給 以壓力，14 時(shí)壓力值達(dá)到15 kPa，超過(guò)了設(shè)定值10 kPa，系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警并實(shí)現(xiàn)攝像頭采集信息，協(xié)調(diào)器能夠接收到GPS 具體定位坐標(biāo)，通過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)具備一定的檢測(cè)能力.

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了在樓道中運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)及防盜功能，系統(tǒng)不僅能夠監(jiān)測(cè)溫濕度、一氧化碳、煙霧等環(huán)境安全參數(shù)，還可以通過(guò)對(duì)壓力參數(shù)的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)攝像頭視頻圖片采集、GPS 定位及報(bào)警鎖門(mén)等防盜功能，整個(gè)系統(tǒng)具有GSM 信息通信功能，極大地增強(qiáng)了實(shí)時(shí)監(jiān)控能力. 設(shè)計(jì)進(jìn)一步改善了樓道安防系統(tǒng)，具有檢測(cè)靈敏、可靠、功能強(qiáng)等特點(diǎn). 本設(shè)計(jì)還可以進(jìn)一步擴(kuò)展用于一些全新樓宇的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)，具有一定的運(yùn)用價(jià)值.