家庭智能安防系統的設計與實現

王雷等

摘要：安全性的需求是人們家居生活的第一需求。為了實現家庭安防報警的自動化管理，文章從技術角度對家庭安防系統的體系結構、工作流程、開發環境、實現效果等方面進行了介紹，提出了一個在物聯網背景下基于ARM和ZigBee技術的家庭智能安防系統的設計方法。

關鍵詞：家庭安防報警；智能安防系統；物聯網；ARM；ZigBee 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2015）22-0027-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.22.014

隨著物聯網技術的逐漸成熟，作為物聯網具體應用之一的家庭智能安防也迎來了良好的發展機遇。安全性的需求是人們家居生活的第一需求，本文主要從技術角度，研究家庭智能安防系統的設計與實現。

整個智能安防項目是一個復雜的系統，采用的關鍵技術有ARM技術和ZigBee技術。家庭網關是系統的核心部件，采用嵌入式ARM技術，該技術具有小體積、低成本、低功耗、高性能等特點，負責系統數據的分析和處理。家庭內部網絡主要采用ZigBee近距離無線通信技術，該技術由ZigBee聯盟于2004年推出，具有低成本、低功耗、網絡的自組織自愈合能力強等特點，特別適合在監控類系統中應用。

1 系統設計

1.1 體系結構設計

智能安防系統為用戶家庭財產安全提供了保障，其體系結構如圖1所示：

整個系統采用星型拓撲結構，以嵌入式家庭網關為核心，家庭內部的煙霧采集節點、CO采集節點、霍爾門磁探測節點等信息采集節點利用ZigBee無線信號通過協調器與家庭網關相互通信，ZigBee協調器負責家庭內部無線網絡的建立和管理，攝像頭節點通過有線方式與網關相連，本地用戶可以直接通過家庭網關上的觸摸屏控制整個系統，遠程用戶可以利用PC機通過Internet網絡或利用手機通過GPRS網絡監控整個系統。

煙霧采集節點利用內部的煙霧傳感器實時監測家居環境的煙霧濃度，CO采集節點利用內部的CO傳感器實時監測室內CO等可燃性氣體的濃度，霍爾門磁探測節點利用內部的霍爾傳感器監測門窗磁場的變化情況，判斷是否有人非法侵入。當系統設防后，一旦有某個信息采集節點觸發報警，系統馬上將報警信息以短信的方式發送到用戶預先設置的手機中，并開啟報警器鳴響，同時攝像頭節點連續抓拍現場照片數張存于SD卡中，以備用戶查看報警起因，判斷是否誤報。

1.2 工作流程設計

智能安防系統的工作流程如圖2所示，其主要工作過程描述如下：

第1步：各類信息采集節點（煙霧采集節點、CO采集節點、霍爾門磁探測節點）上的傳感器實時監測家庭內部環境的參數變化，并將檢測數據進行打包，通過ZigBee無線信號將打包后信息發送給ZigBee協調器。

第2步：ZigBee協調器接收信息采集節點傳來的檢測數據后，將其按照預定協議格式轉發給家庭網關。

第3步：家庭網關在系統計時器的作用下周期性的接收串口數據，當網關從串口接收到ZigBee協調器發來的數據后，首先判斷數據是來自哪類傳感器及判斷數據的類別，然后再對數據進行解析處理。如果上報數據超過系統預設閾值，則觸發報警，系統首先讀取預先配置的報警手機號碼，將報警信息以短信的方式發送給用戶，并循環檢測確保短信發送成功，然后再檢測若報警器沒有開啟，則發送報警器打開指令并更新用戶界面，最后打開攝像頭連續抓拍現場照片數張存于SD卡中，以備用戶查看報警起因。如果上報數據未超過閾值，則不觸發報警，系統不做任何處理。

第4步：ZigBee協調器接收到家庭網關的設備控制指令后，對指令進行解析，將其發送給相應的控制執行節點。

第5步：控制執行節點接收到協調器轉發的指令后，解析并執行相應指令。

2 系統實現

本小節主要介紹系統的開發環境和最終的軟件實現效果。

2.1 開發環境

根據運行的位置不同，智能安防系統應用程序主要分為兩大類：網關程序和ZigBee節點程序，前者運行在家庭網關上，后者運行在各個ZigBee節點上，包括各種信息采集節點、控制執行節點和協調器節點。兩種程序均是在安裝有Ubuntu操作系統的普通PC機上開發，然后下載到實驗箱相應位置的芯片中運行。其中，網關程序的設計開發是本文的重點工作。網關程序主要在PC機上使用基于Qt 4.7的集成開發環境Qt Creator 2.0進行開發，交叉編譯工具使用arm-Linux-gcc 4.3，使用C++語言編寫代碼。網關程序經編寫、調試并最終交叉編譯完成后，通過串口使用超級終端方式或通過網口使用FTP方式下載到實驗箱的嵌入式網關上授權運行。嵌入式網關CPU處理器為基于ARM Cortex-A8的Samsung S5PV210芯片，主頻1GHz，內存為1GByte，存儲器1GByte，其上運行的是嵌入式Linux操作系統（Linux 2.6內核）。

2.2 軟件實現效果

程序最終的測試運行主要是將其下載到物聯網實驗箱上進行，測試用實驗箱為凌陽物聯網多網技術教學科研平臺（型號：SP-MNTCE15A），網關程序的實現效果如圖3所示：

圖3 智能安防標簽及視頻監控標簽

單擊“智能安防”標簽進入智能安防界面?！耙绘I布防”：可以通過該按鈕啟動或關閉整個智能安防系統，具有一鍵設防、一鍵撤防功能，方便用戶操作?！耙曨l監控”：單擊該按鈕會轉到“視頻監控”界面，可以查看家居的實時視頻信息?！靶±取卑粹o：當報警觸發后，小喇叭立即開始鳴響報警，用戶可以通過該按鈕關閉正在鳴響的喇叭，如有需要也可通過觸摸該按鈕，打開喇叭使其鳴響。煙霧報警功能：可任意設定或修改接收煙霧報警信息的手機號碼，當系統觸發煙霧報警時，小喇叭開始鳴響，并向預設的手機發送報警信息，通過“啟用煙霧報警功能”按鈕開啟或關閉安防系統對煙霧及有害氣體濃度的監控。門窗防盜功能：可任意設定或修改接收門窗報警信息的手機號碼，當系統檢測到門窗有人非法入侵時，小喇叭開始鳴響，并向預設的手機發送報警信息，通過“啟用門窗防盜功能”按鈕開啟或關閉霍爾門磁對門窗的監控。

單擊“視頻監控”標簽進入視頻監控界面。左半側區域：左上方視頻區域用于顯示攝像頭的實時視頻信息，下方兩個按鈕“打開視頻”和“關閉視頻”控制攝像頭的開關。云臺控制：可控制攝像頭的云臺上、下、左、右移動，方便觀察。焦距控制：可控制攝像頭的焦距，使鏡頭拉近和推遠，方便觀察。抓拍照片：由于嵌入式系統資源的限制，本系統不具有視頻保存功能，攝像頭開啟后，可通過該按鈕人工抓拍實時照片，系統自動保存，另外，當安防報警觸發時，系統會自動抓拍照片。查看照片：查看系統保存之前抓拍的照片。

3 結語

為了保證智能安防系統的有效性和穩定性，在系統集成后對系統進行了功能測試、性能測試和穩定性測試。經過測試后可知，系統滿足了功能設計要求，實現了家庭安防報警的自動化管理，而且在系統的性能以及穩定性上也達到了預期的設計目標。

參考文獻

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[2] 王婉.智能安防系統工程方案的多目標決策分析[J].山東廣播電視大學學報，2010，（1）.

[3] 金周斌.智能樓宇安防監控系統設計[J].科技創新與應用，2015，（2）.

作者簡介：王雷（1981-），男，河北衡水人，河北傳媒學院講師，網絡工程師，研究方向：物聯網技術、計算機網絡技術。

（責任編輯：周 瓊）