基于物聯網的家居無人車安防系統

馬 靜 張 雪 王佳斌

（西安工業大學計算機科學與工程學院，陜西 西安 710021）

基于物聯網的家居無人車安防系統

馬 靜 張 雪 王佳斌

（西安工業大學計算機科學與工程學院，陜西 西安 710021）

隨著人們生活質量的提高，家居安全已經成為人們普遍關注的問題。文章通過以ARM Cotex-M3系列處理器為核心，利用物聯網、遠程控制以及紅外發射與接收等技術，結合攝像頭、WIFI、溫濕度等相關環境感知模塊，實現以無人車為載體的家居安防系統。系統通過無人車對環境的實時監察，從而完成APP與系統的遠程交互。

智能家居；物聯網；無人車；嵌入式系統；WIFI；手機APP

智能家居[1]作為智能生活重要的標識，其中人們最為關注的是智能安防系統部分。美國于1984年建造的第一個智能建筑，其將智能化融入建筑物之中，至此，世界智能家居的帷幕正式揭開。繼美國之后，歐洲、韓國、新加坡、日本等國家的住宅智能化也得到了飛速的發展。而在我國，智能住宅的概念推廣相對較晚，國內第一家智能家居企業出現于90年代末21世紀初。直到目前，已經將智能化小康示范區的建設列入國家重點發展方向。

智能安防系統以物聯網[2]為基礎，實現遠程通信，實時獲取家居信息，能夠對環境狀況進行反饋、警報，并能保存相關視頻信息，能夠有效地完成家居安防任務。系統采用無人車作為移動監測點，擺脫了安防系統的位置固定的缺點，實現了動態監察，靈活調動的作用，同時也方便了后續的系統更換與模塊維修等。

本系統以自制的無人車“西工2號”作為研究平臺，ARM Cotex-M3[3]系列處理器為無人車的處理核心，keil uvision4 和JDK為開發平臺，外加攝像頭、煙霧傳感器、溫濕度傳感器和移動物體檢測傳感器作為環境感知模塊，WIFI模塊作為通信基礎模塊。利用WEB服務器[4]作為中間媒介實現手機和無人車的遠程通信。

1 系統方案

本系統系統結構如下圖 1所示，主要分為三個部分：無人車硬件部分、服務器處理部分以及手機客戶端部分，通過這三個部分的信息實時交互，實現手機對家庭環境的實時監控，確切保障家居安全。

圖1　系統結構圖

1.1 無人車系統方案

無人車是整個系統的重要組成部分，它主要負責采集整個家庭環境中的各類環境信息并上傳到服務器。無人車安裝并使用多種模塊，包括WIFI通信模塊、攝像頭模塊、紅外循跡模塊以及相關其他環境檢測模塊，能夠獲得家庭空間中的多種環境信息。

1.1.1 WIFI通信模塊[5]

WIFI通信采用 USI MR09WIFI模塊，WiFi芯片支持802.11b/g無線網絡模式，包含了WIFI協議棧、lwip協議棧、Uip協議棧和OSI七層協議棧，信號穩定，覆蓋范圍廣。它有SDIO和SPI兩種接口，本系統采用的是SDIO接口，可以提供比SPI更高的傳輸速率，能夠實時進行各類信息的傳輸。

1.1.2 攝像頭模塊

攝像頭采用的是鷹眼OV2640攝像頭[6]，120度視角、速度快、穩定性好和微光靈敏度高、是ov系列三十萬像素當中成像質量最棒的攝像頭。用它作為圖像采集的工具，能夠獲得清晰的視頻信息

1.1.3 環境因素檢測模塊

環境因素檢測模塊主要由 MQ-2煙霧傳感器[7]、DHT11溫濕度傳感器[8]和移動物體檢測傳感器[9]組成，使得無人車能夠在巡查過程中獲得家庭環境的各項信息，如相關氣體濃度、溫濕度以及對移動物體的自主監察，通過無人車處理器處理并可以通過手機客戶端進行信息查詢，從而有效判斷是否有意外突發情況。

1.2 尋徑方案

無人小車在家庭空間進行安防工作時，需要一條固定并且能夠全面檢測家庭環境的行駛路徑，如果采用路徑規劃[10]的方式，那樣可能會導致覆蓋點不全面，并且家庭空間中的家具變動也會帶來一些問題。紅外循跡模塊[11]DOFLY LY-0040，用于小車走黑線、數字信號輸出，感應范圍為2mm——20mm。利用該模塊，能夠靈活地變動無人小車的行駛路徑，自行根據物品擺放路循跡模塊，用于小車走黑線，數字信號輸出，電位器用于調節靈敏度，LED燈指示確定最佳行駛路徑，并且設定起點和終點，到達終點后自動調頭再回到起點，以最簡單最全面的路徑使無人車能獲取到整個家庭空間的視頻信息和其他環境因素信息。

無人車在家庭環境中的尋徑路線如圖2：

圖2　尋徑路線

1.3 無人車工作模式設置

無人車有三種工作模式，即休眠模式、安防模式和自動控制模式。

休眠模式：無人小車僅開啟煙霧傳感器、溫濕度傳感器、移動物體檢測傳感器，攝像頭以及WIFI模塊在該模式處于被動觸發狀態。即當這三類傳感器任意一個反饋異常信息到處理器時，自動觸發攝像頭和WIFI模塊進行響應，從而進入安防模式，并且向手機客戶端發送警報。

安防模式：將沿著固定的巡查路徑進行環境信息的采集，在行駛的過程中，無人小車會不停采集周圍的環境信息，如果一切正常，那么就在一次巡查結束后向手機客戶端反饋一切正常的信息，如果有異常情況，則在巡查過程中及時向手機客戶端發出報警信息。一次巡查完成后，無人小車自動進入休眠模式。

自動控制模式：用戶可利用手機控制無人車的行駛方式、行駛狀態以及各模塊的狀態，實現自主控制。

1.4 遠程通信的實現

1.4.1 遠程信息交互

手機和無人車之間的通信，以服務器作為中間媒介，實現手機和無人車的遠程信息交互[12]。實現過程如圖3：

圖3　實現過程

無人車上安裝的 WIFI模塊借助家庭內的路由器[13]訪問外網連接服務器，將采集到的環境信息（如有毒氣體濃度、移動物體信息和溫度等）以及視頻信息傳到服務器。手機移動客戶端連接互聯網后，通過訪問服務器與無人小車進行互聯，獲取相應的傳感器信息，以及視頻信息，并且能夠對無人小車進行遠程操控。

服務器后臺對信息進行處理和存儲，并且創建一個用于實時查看視頻信息的接口，便于在手機移動端進行遠程實時監控。利用數據庫SQLITE[14]，來實現數據的大規模存儲，并運用 JAVA語言[15]對其進行操作做一些簡單的分析為了實現更便捷的管理，添加一個可以生成時間列表的模塊（即生成一個TIMEDATA.XLS文件），以時間間隔為參考，以每3小時的時間間隔來對視頻數據進行分段處理。利用服務端的時間列表模塊，在手機端可以很輕松的查看一天中任意時間段家庭內的情況。

1.4.2 報警系統的實現

無人小車的各個環境傳感器模塊均能夠給小車的處理器反饋環境信息，利用軟件設定環境因素異常的值，當環境因素返回處理器的值異常后，處理器生成報警信號，利用WIFI模塊將異常值和報警信號發送給服務器，服務器及時發送給手機客戶端，手機客戶端接收到該報警信號后手機將會產生連續震動或響鈴，以提醒異常情況的發生。此時，可以手機遠程遙控無人小車，根據實時視頻控制無人小車進行定點的環境查看。

2 手機客戶端的設計

手機客戶端利用JDK開發，分為五個功能模塊，如圖4所示，通過登錄遠程訪問服務器，獲取傳感器信息、控制小車的狀態。

用戶登陸模塊：限制權限，即設置賬號、密碼和驗證碼三個服務器訪問機制，從而有效地保證軟件使用時的安全性。

模式選擇模塊：利用手機可以任意切換無人車的休眠模式、安防模式和自動控制模式。

實時監控模塊：可實時查看無人車的安防過程視頻和當前家庭環境中各環境因素的狀況。實時監控界面如圖5所示：

圖5　實時監控界面

視頻回放模塊：通過日期選擇所需回放的安防視頻。在點擊選擇想要查詢的日期時，軟件會到數據庫中查詢，并找到相應時間名稱的表，再從表中選擇中對應的時刻，實現手機觀看安防視頻的回放。

自主控制模塊：當無人車的工作模式為自動控制模式時，手機客戶端可以切換無人車的行駛方式是自主循跡還是人工控制，手機界面如圖6，能夠控制無人車的行駛狀況，如前進、后退、左轉、右轉和停止，無人小車能實時做出調整，實現定點巡查。

圖6　手機界面

3 安防系統實現過程

本系統的具體實現過程流程圖，如圖7所示：

圖7　實現過程流程圖

當用戶手機連接互聯網，然后打開客戶端并登錄，實現無人車與手機的遠程連接，并且選擇無人車的工作模式，確定無人車的運行狀態。如果選擇休眠模式，無人車將只開啟煙霧傳感器、溫濕度傳感器和移動物體檢測傳感器，攝像頭和WIFI模塊處于休眠狀態，這樣延長無人車待機時間；一旦所檢測到的環境因素異常，無人車將啟動攝像頭和 WIFI模塊，及時向手機報警。如果選擇自動安防模式，無人車將沿行駛路徑自主尋徑進行安防巡查，巡查時若檢測到異常信息，將立馬發送到手機，并向手機報警，知道手機響應，然后繼續安防巡查工作，到達終點后自動調頭再回到起點，并自動置為休眠模式。如果選擇自動控制模式，則無人車的所有模塊均受到手機控制，可進行人為控制的安防巡查工作。

4 結束語

家居智能安防系統作為人工智能的重要開發方向，在未來有很廣的拓展空間，提高了人們的生活質量。本系統以物聯網為載體，采用ARM-Cortex-M3作為核心處理器，實現了遠程人機交互，但是很多細節有待于后期提升和調整。作者設想主要從以下幾個方面進行改進：第一，居室環境應該實現自主巡查和循跡巡查協同模式，避免單一循跡的局限性。第二，可以實現自主充電進而實現持久工作。第三，通過添加舵機，可以增大攝像頭的視覺范圍，并在其基礎上通過與移動物體識別模塊結合，來完成對移動物體的圖像自主抓取功能。對于以上幾點的可行分析性有待后期研究加以論證。

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[16] 潘勇.無線遠程控制管理系統:中國,CN203054564U[P]. 2013-07-10.

Home unmanned vehicle security system based on the internet of things

With the improvement of people's living quality, home security has become a widespread concern. This paper introduces home security system of ARM Cortex-M3-based unmanned vehicle, which uses internet of things, remote control technology and emission and receiving of infrared technology and combines some environmental perception modules like camera, WIFI, temperature and humidity sensor and so on. This system uses unmanned vehicle to monitor home environment real-timely and realize the long distance interaction between APP and the system itself.

Intelligent home; internet of things; unmanned vehicle; embedded system; WIFI; APP

TP242.6

A

1008-1151(2016)09-0006-04

2016-08-10

西安工業大學跨學科研究基金無人車自動避障與路徑規劃技術研究（CXY 1340-6）；國家大學生創新創業項目（201410702037）。

馬靜（1980－），女，陜西西安人，西安工業大學計算機科學與工程學院講師，碩士，研究方向為嵌入式系統；張雪（1995－），女，四川樂山人，西安工業大學計算機科學與工程學院在讀學生，研究方向為嵌入式系統；王佳斌（1992－），男，陜西西安人，西安工業大學計算機科學與工程學院在讀學生，研究方向為嵌入式系統。