基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

蔣天發(fā),文瑩瑩,楊 紅, 錢(qián) 凱,李珊珊,牟群剛

(中南民族大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,武漢 430074)

家居安防歷來(lái)就是人們家庭生活不可缺少的一部分,但在當(dāng)今隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,不安全因素顯著增加,新的家居安防系統(tǒng)方案的研究迫在眉睫.傳統(tǒng)的家居安防系統(tǒng)由于性價(jià)比低、安裝復(fù)雜等原因一直無(wú)法打開(kāi)市場(chǎng)大門(mén).物聯(lián)網(wǎng)(the Internet of things,IoT)[1]和智能技術(shù)的出現(xiàn)以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為智能家居自動(dòng)安防監(jiān)控系統(tǒng)提供了很大的支撐[2],使得具有大范圍覆蓋、可遠(yuǎn)程控制、可靠性高和可實(shí)時(shí)操作等優(yōu)點(diǎn)的安防監(jiān)控系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)成為可能[3].本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)智能家居安防監(jiān)控的系統(tǒng).該方案利用高魯棒性、低功耗、低成本的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的安防監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).無(wú)論是在性能、價(jià)格、還是在可操作性方面都有著極大的優(yōu)勢(shì)[4].由于采用的是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),系統(tǒng)無(wú)需重新硬件布線,使其可擴(kuò)展性變得更加靈活[5].該系統(tǒng)還采用全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)(GSM)通信網(wǎng)絡(luò)跟因特網(wǎng)Internet進(jìn)一步擴(kuò)展家庭安防體系的覆蓋范圍,只要在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi),主人就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)家內(nèi)情況監(jiān)控,從而使家居環(huán)境更為安全[6].

1 系統(tǒng)軟件框架設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括主控中心的軟件設(shè)計(jì)、基于PC的服務(wù)端軟件設(shè)計(jì)和基于ZigBee的客戶端設(shè)計(jì)等[7,8].其中主控中心的軟件主要完成短消息的收發(fā)、與全新無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信(ZigBee)[9]模塊的數(shù)據(jù)通信和基于PC的服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸;服務(wù)器端的程序主要通過(guò)無(wú)線或有線網(wǎng)絡(luò)接收來(lái)自主控中心的視頻和所有設(shè)備的狀態(tài)信息數(shù)據(jù),并將信息保存在日志文件中;ZigBee節(jié)點(diǎn)程序主要接收來(lái)自主控中心的控制信息,接收傳感器的采集數(shù)據(jù)和報(bào)警信息并將數(shù)據(jù)上傳到主控中心[3,10].系統(tǒng)的軟件功能如圖1所示.

家居安防監(jiān)控系統(tǒng)的主控中心首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化處理,其次檢測(cè)硬件模塊是否連接好,包括ZigBee射頻模塊的配置[7],主控芯片I/O口的設(shè)置,GSM模塊初始化等.初始化完成后進(jìn)入主程序執(zhí)行,等待中斷時(shí)間發(fā)生,具體流程圖如圖2所示.

圖1 系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)圖 Fig.1 The architecture diagram of system software functions

圖2 主控中心軟件流程圖Fig.2 The software flow chart of main control center

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)流程如圖3所示,系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件連接完成后,先進(jìn)行各模塊和串口的初始化,然后在設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件上查看有無(wú)接收到特定字符串.若有,即為接收到報(bào)警信號(hào),要及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施;若沒(méi)有,用戶可以做相應(yīng)的操作,服務(wù)器也會(huì)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)串給中央控制器,控制器會(huì)發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)給各模塊從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊的控制,同時(shí)各模塊做出相應(yīng)動(dòng)作后也會(huì)反饋信息給控制器,再由控制器反饋特定字符串給服務(wù)器,這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)各家居模塊的遠(yuǎn)程操作[3,11].

圖3 系統(tǒng)流程圖Fig.3 The system flow chart

在該系統(tǒng)報(bào)警數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)中,為了確保在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中能安全、便捷地傳輸數(shù)據(jù),需要對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式進(jìn)行統(tǒng)一的設(shè)計(jì).該系統(tǒng)對(duì)傳送參數(shù)的數(shù)據(jù)格式做了一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)定.該系統(tǒng)中普通節(jié)點(diǎn)主要包括:指紋傳感節(jié)點(diǎn),溫度傳感節(jié)點(diǎn),煙霧傳感節(jié)點(diǎn),煤氣傳感節(jié)點(diǎn).其中,指紋傳感器返回0或者1,分別表示是否有非法入侵發(fā)生[12].而溫度傳感器,煙霧傳感器和煤氣傳感器向主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)是采集到的具體數(shù)據(jù).主控節(jié)點(diǎn)接受這些數(shù)據(jù),需要知道具體是哪個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的報(bào)警信號(hào),因此該系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)源地址,同時(shí)設(shè)置一個(gè)參數(shù)類(lèi)型來(lái)判斷傳送的數(shù)據(jù)類(lèi)型[13]:具體的數(shù)據(jù)值(溫度、煙霧濃度、煤氣濃度),0或1(是否有非法入侵),圖片數(shù)據(jù).參數(shù)數(shù)據(jù)格式如下所示.

#$#參數(shù)設(shè)置標(biāo)志模塊參數(shù)編號(hào)參數(shù)數(shù)據(jù)#$$

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí),需要設(shè)立起始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志位來(lái)觸發(fā)接收的開(kāi)始和結(jié)束.該系統(tǒng)在參數(shù)數(shù)據(jù)包開(kāi)始部分設(shè)立#$#來(lái)表示參數(shù)數(shù)據(jù)的開(kāi)始,設(shè)立#$$表示參數(shù)數(shù)據(jù)的結(jié)束.起始標(biāo)志#$#和結(jié)束標(biāo)志#$$區(qū)別于常用數(shù)據(jù),避免干擾數(shù)據(jù)所造成的錯(cuò)誤處理.模塊參數(shù)可以從0到255,表示256個(gè)終端模塊.參數(shù)數(shù)據(jù)是一個(gè)9個(gè)字節(jié)的的數(shù)據(jù),主要包括9個(gè)參數(shù),其內(nèi)容如下所示.

123456789指紋傳感器圖片數(shù)據(jù)煙霧傳感器煙霧報(bào)警值溫度傳感器溫度報(bào)警值煤氣傳感器煤氣報(bào)警值呼叫

其中,若1,3,5,7,9參數(shù)設(shè)置標(biāo)志置為1,表示該中斷模塊已開(kāi)啟,具有該功能,置為0,表示沒(méi)有這種功能.物主也可以根據(jù)個(gè)人需要,設(shè)置4,6,8項(xiàng)的參數(shù)報(bào)警閾值[3].

3 服務(wù)端與客戶端程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是基于PC的服務(wù)器端,通過(guò)無(wú)線或有線網(wǎng)絡(luò)接收來(lái)自M3的圖片和傳感器采集的狀態(tài)信息數(shù)據(jù),從而將這些狀態(tài)信息存儲(chǔ)到日志文件中,服務(wù)端程序是基于Windows下C++Builder6.0環(huán)境下設(shè)計(jì)的.C++Builder的網(wǎng)絡(luò)組建庫(kù)中提供了許多關(guān)于網(wǎng)絡(luò)通信的組件,TServerSocket與TClientSocket就收錄了WinSock中相關(guān)API,因此,很容易地編寫(xiě)網(wǎng)絡(luò)通信程序.使用組件開(kāi)發(fā)WinSock程序時(shí),最少要有一對(duì)Socket,一個(gè)客戶端,一個(gè)服務(wù)端.

編寫(xiě)網(wǎng)絡(luò)程序主要依靠Socket套接字,Socket選用的是請(qǐng)求/應(yīng)答模式,也遵循數(shù)據(jù)分包傳送的根本規(guī)則.Socket將底層的細(xì)節(jié)差異屏蔽掉,實(shí)現(xiàn)不同計(jì)算機(jī)間的通訊[4].建立一個(gè)Socket要有4個(gè)基本要素:本地地址、本地應(yīng)用端口號(hào)、遠(yuǎn)方地址、遠(yuǎn)程應(yīng)用端口號(hào).首先建立服務(wù)器端Socket,在事先約定的端口通過(guò)調(diào)用Open()函數(shù)開(kāi)始監(jiān)聽(tīng);客戶機(jī)指定欲連接的服務(wù)器Socket地址和端口號(hào),調(diào)用Open()函數(shù)或者將Active屬性設(shè)置為true,客戶端Socket就會(huì)向服務(wù)器端Socket申請(qǐng)連接服務(wù);如果服務(wù)器套接字處于偵聽(tīng)狀態(tài),它將自動(dòng)接受申請(qǐng)并創(chuàng)建通信[10].

3.1 服務(wù)器工作流程

服務(wù)端主要接收所有傳感器和攝像頭的采集數(shù)據(jù),在上文中描述接收的數(shù)據(jù)用信息頭加以區(qū)分[7].這里規(guī)定,狀態(tài)信息數(shù)據(jù)頭以“Status”開(kāi)頭,視頻數(shù)據(jù)頭以“#Video#”開(kāi)頭.服務(wù)器工作流程如圖4所示.

圖4 服務(wù)器工作流程Fig.4 The flow chart of server working

3.2 服務(wù)器數(shù)據(jù)接收設(shè)計(jì)

服務(wù)器接收的數(shù)據(jù)有兩種,狀態(tài)信息數(shù)據(jù)內(nèi)容較小,在接收的過(guò)程中不存在因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)堵塞而丟包的現(xiàn)象;但對(duì)視頻數(shù)據(jù)而言,因?yàn)橐曨l數(shù)據(jù)過(guò)大,在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)會(huì)丟包導(dǎo)致視頻無(wú)法恢復(fù),因此在視頻數(shù)據(jù)接收過(guò)程中,采用分塊接收的方法,把要傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)分成n個(gè)小的數(shù)據(jù)塊,每個(gè)數(shù)據(jù)塊的傳輸都采用握手的方式,當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)塊在服務(wù)器端傳輸完畢后會(huì)向客戶端發(fā)送一個(gè)握手信號(hào),客戶端緊接著傳送下一個(gè)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊,一幀數(shù)據(jù)運(yùn)送結(jié)束,便把視頻圖像整合[14].具體流程如圖5所示.

視頻數(shù)據(jù)接收主要代碼如下:

datain -> tempSize -> tempTimes ->tempSend;//讀取當(dāng)前塊大小、總塊數(shù)、當(dāng)前塊數(shù)

datain.readRawBytes(tempData, Buf_Size);//讀取目前視頻數(shù)據(jù)

if ((tempSend ==1) || (getSize == tempSize && tempSend == (getSend + 1)))

{

getSend = tempSend;//更新已接收到的塊數(shù)變量

getSize = tempSize;//更新已接收到的當(dāng)前塊大小變量

char *pDEST = dataStack[getSend];//接收當(dāng)前視頻數(shù)據(jù)

}

如上述代碼所示,每一個(gè)視頻數(shù)據(jù)都包括當(dāng)前塊大小、總塊數(shù)、當(dāng)前塊數(shù).數(shù)據(jù)中只有總塊數(shù)是固定的,當(dāng)前塊大小和當(dāng)前塊號(hào)都是可能隨時(shí)更新的數(shù)據(jù),其中,握手信號(hào)函數(shù)主要用來(lái)傳送握手信號(hào)和已收到的塊數(shù)[3].只有當(dāng)前塊數(shù)等于總塊數(shù)時(shí),視頻數(shù)據(jù)才傳輸完整.

圖5 服務(wù)端接收數(shù)據(jù)流程圖Fig.5 The flow chart of server receive the data

3.3 客戶端程序設(shè)計(jì)

客戶端程序主要包括數(shù)據(jù)通信、發(fā)送控制命令和視頻采集3個(gè)方面,其中數(shù)據(jù)通信包括與GSM模塊的RS232通信和與ZigBee、服務(wù)器端的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信;視頻數(shù)據(jù)采集主要包括客戶端的視頻預(yù)覽和視頻數(shù)據(jù)傳輸;傳送控制信息主要是基于消息的內(nèi)容.

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

在硬件和軟件的設(shè)計(jì)工作完成以后,需要對(duì)家居安防監(jiān)控系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試,以驗(yàn)證系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)中所提出的的基本功能.對(duì)通信質(zhì)量的測(cè)試采用點(diǎn)到點(diǎn)的通信方式,分為兩個(gè)部分:一是通信距離的測(cè)試,二是障礙物的傳輸測(cè)試.

通信距離主要測(cè)試協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間的直線通訊長(zhǎng)度.具體測(cè)試方法為:如果協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)A固定不動(dòng),終端節(jié)點(diǎn)B從節(jié)點(diǎn)A處開(kāi)始逐步沿直線向遠(yuǎn)處移動(dòng),采用定時(shí)器使節(jié)點(diǎn)B每隔3 s向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)A發(fā)送一個(gè)test消息,并通過(guò)串口顯示出來(lái),直到不再接收到test消息.

由于本系統(tǒng)是要應(yīng)用在普通家居環(huán)境中的,有必要對(duì)ZigBee節(jié)點(diǎn)在有障礙物傳輸時(shí)進(jìn)行質(zhì)量測(cè)試,采取的具體方法是：ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)放在實(shí)驗(yàn)室里,將普通節(jié)點(diǎn)放在另一室內(nèi),協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口將普通節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的消息顯示在PC機(jī)上,普通節(jié)點(diǎn)通過(guò)定時(shí)器定時(shí)向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送test消息,同樣按無(wú)障礙測(cè)試時(shí)計(jì)算,測(cè)試結(jié)果如表1所示.

表1 有障礙物通信質(zhì)量測(cè)試表

由測(cè)試結(jié)果可知墻壁會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸造成一定的影響,但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)間的距離小于10 m的時(shí)候,一般不會(huì)發(fā)生丟包的現(xiàn)象,在20m的時(shí)候,丟包率也很低,考慮普通的家居室內(nèi)環(huán)境一般是3室一廳或者4室一廳的結(jié)構(gòu),面積一般在100～140 m2左右,若把協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)安放在室內(nèi)的中心位置,其他節(jié)點(diǎn)安放在各個(gè)角落,它們的直線距離一般都在12m左右,能夠滿足家居安防監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的要求.

在門(mén)禁檢測(cè)模塊測(cè)試是將實(shí)驗(yàn)室模擬家庭住宅,將具有指紋識(shí)別功能的ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備放置在實(shí)驗(yàn)室門(mén)、窗等位置.陌生人開(kāi)啟房間門(mén),測(cè)試ZigBee節(jié)點(diǎn)是否報(bào)警聲,綁定手機(jī)是否收到內(nèi)容為“有人強(qiáng)闖”的短信.在火災(zāi)檢測(cè)模塊測(cè)試時(shí),火災(zāi)檢測(cè)模塊由溫度傳感器和煙霧傳感器共同組成,普通環(huán)境下對(duì)這個(gè)模塊的測(cè)試工作很難進(jìn)行,因此這里人為給定一個(gè)容易觸發(fā)的閾值,看兩個(gè)模塊能否做出正確的報(bào)警處理.

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)方案.該系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想對(duì)智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)的軟件進(jìn)行總體設(shè)計(jì),分別從主控中心、服務(wù)端、客戶端等得以將該系統(tǒng)的各個(gè)功能予以實(shí)現(xiàn).并對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)軟件能夠滿足普通家居環(huán)境的安防監(jiān)控要求.

參 考 文 獻(xiàn)

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