基于數據融合的家庭遠程監護系統研究

苗喚舟++唐旺++龐允建++王朗

摘 要

本文提出一種基于視頻和安防數據的家庭遠程監護系統。該系統由無線傳感器與嵌入式報警終端連接，報警終端通過GPRS與后臺服務器實現遠程信息交互。同時手機用戶利用開發的APP軟件與遠程服務器相連，完成家庭遠程監控和管理。通過這種基于數據融合的遠程家庭監護系統，滿足了家中特殊人群的健康關注和安防需求。

【關鍵詞】數據融合 無線傳感 遠程監控

智慧家居是一個典型的物聯網系統（Cyber-Physical Systems， CPS），來自學術界和工業界的許多國際著名專家學者已經指出，物聯網系統將改變人與自然交互的方式，就像Internet 改變了人與人交流、溝通的方式一樣。本文介紹了一種基于數據融合的家庭遠程監護系統，它通過安裝在家中的無線傳感器，實時監測家中情況，如有意外發生，傳感器會發出信號，傳遞到嵌入式系統，再通過GPRS信息傳遞系統將報警信息及時傳遞到用戶手機或電腦上，實現了信息的及時反饋。本文首先介紹了該系統的主要架構，然后具體介紹了實現架構的各模塊的主要設計，最后給出相應的實驗結果。

1 遠程監護系統的系統架構分析

1.1 需求分析

從安防角度來講，智能家居安防系統可實現家居安防的報警點的等級布防，并采用邏輯判斷，避免系統誤報警；可采用手機或者平板電腦對系統進行布防、撤防，一旦發生報警，系統自動確認報警信息、狀態及位置，而且報警時能夠自動強制占線。本系統基于以下的主要需求展開研究：

1.1.1 報警及聯動需求

通過安裝門磁、窗磁，防止非法入侵，主人可通過安裝在住戶室內的報警控制器，在手機上得到信號從而快速接警處理。同時，報警聯動控制可在室內發生報警時，系統向外發出報警信息的同時，可自動打開室內的照明燈光、啟動警號等。

1.1.2 緊急求助需求

安裝在室內的報警控制器具有緊急呼叫功能，小區管理中心可對住戶的緊急求助信號做出回應和救助。

1.1.3 報警管理顯示需求

住戶離開家時，設防進入離家模式即防盜報警狀態，為有效防止非法入侵，用戶的手機可實時接收報警信號，自動顯示報警類型，并自動進行系統信息存檔。

1.1.4 設/撤防聯動控制需求

主人外出前啟動安全防范系統的同時，系統可以聯動切斷某些家用電器的電源，例如：關掉所有的燈光，切斷電熨斗、電水壺、電視機等家用電器的插座電源等；主人回家時可調整為正常，進入在家撤防模式，部分照明燈自動打開，門磁和窗磁離線，而室內煙感探測器和廚房的可燃氣體探測器仍在報警模式。

當然，家庭智能安防系統是智能化住宅小區的重要組成部分，通過小區與家庭安防系統對小區及家居重點區域的實時監控、層層設防，可讓小區居民生活在無形防盜網之中，先進的人性化防范，也讓智能住宅小區具備了立體化、全方位的安全保障。

1.2 架構設計

本系統由無線傳感器，嵌入式系統，GPRS信息傳遞系統，互聯網信息收集系統五個主要部分組成。前端的無線傳感器可分為無線煙霧傳感器，無線煤氣探測器，無線紅外傳感器，無線紅外對射等。若有人非法入侵或有意外發生等，無線傳感器便會立刻將報警信號傳遞到嵌入式系統，嵌入式系統通過GPRS將信息通過互聯網傳遞到警情應用管理服務器上，同時能傳遞至用戶的手機或電腦上，手機軟件和電腦瀏覽器會記錄下這些信息，以備查閱，如圖1所示。

2 系統架構的實現

該系統由硬件與軟件兩大模塊實現，硬件模塊中由傳感器模塊，主控模塊，通信模塊三個主要部分組成，具體運行流程如圖2所示。

2.1 硬件部分的實現

2.1.1 傳感器模塊

傳感器模塊由ZigBee模塊來實現，ZigBee模塊采用CC2530芯片，它是德州儀器生產的、基于2.4 GHz無線發射與接收器，內部包括數據的篩選以及地址的識別功能，同時內部集成了8051的CPU核。在ZigBee的節點模塊中，配置了MQ-2系列的可燃氣體及煙霧傳感器模塊（檢測可燃氣體的濃度）、人體紅外感應模塊（感應到人體活動）、電磁繼電器（通過接入電器的零線和火線至繼電器的常閉端以及公共端來控制電器設備）、DS18B20溫度傳感器（檢測溫度值）以及光敏傳感器（檢測光照值）。而ZigBee的網關模塊主要接收節點的傳感信息，并通過串口將收到的數據實時傳輸給主控設備。

2.1.2 主控模塊

ARM主控模塊采用S3C2440A控制器，S3C2440A是韓國三星公司推出的16/32位RISC微控制器，其CPU采用的是ARM920T內核。ARM內核對傳送的數據接收處理，如圖3所示。

2.1.3 通信模組

該通信模組使用SIM300為主芯片，以無線移動網絡GPRS實現點對點數據和語音數據的傳輸。同時，模組在網絡傳輸層具備TCP/IP協議，可實現無線網絡通信。模組具有標準的通信串行接口UART，可與主芯片及其他任何具有標準UART串口的控制器實現連接通信。該模組具備的特性如下：

（1）兼容GSM Phase 2/2+制式，并支持三種主流頻段DCS1800M、PCS1900ME、GSM900M。

（2）可提供PPP連接并集成PAP協議。

（3）具備TCP/IP協議棧，可實現上網通信功能。

（4）支持PBCCH（包交換廣播控制通道）。

（5）滿足USSD（無限制的輔助服務數據）支持。GPRS模組使用標準串口與主控制器進行通訊。模組帶有一個10針的接口，該接口可以直接和MCU相連接。或者用戶可以通過模組上的RS232接口和PC機直接相連接使用。GPRS模組需通過J4的電源開關信號（PWRKEY）輸入引腳向GPRS模組輸入上電時序GPRS才能被啟動，啟動后GPRS的信號指示燈會閃爍。也可以手 動按下GPRS模組上的ON/OFF按鍵，大約2秒之后松開，GPRS模組亦可以被啟動。GPRS模組啟動之后，即可通過UART接口發送AT指令來控制語音或數據收發。

2.2 軟件部分實現

軟件設計工作量主要集中在Android客戶端、硬件系統中的主控模塊以及無線通信節點網關ZigBee等模塊的數據傳輸管理和控制實現。軟件模塊采用Linux的程序編寫，它是一套 Unix-like 的操作系統，可實現多用戶并發請求處理，它控制整個系統基本服務的核心程序 （kernel）。移動客戶端采用Android用于定制開發，開源豐富，如圖4所示。

3 實驗結果

該系統具有模式切換的功能。當家中無人時，可利用客戶端將手機置于“absence”狀態。此時，該系統的安防設備傳感器（如門磁、窗磁、紅外感應探測器等防盜傳感器）均處于工作狀態，有人闖入，即時觸發傳感器，系統自動報警，并自動上傳報警信息給移動客戶端。當家中有人，客戶端顯示為“present”狀態，智能網關自動關閉安防傳感設備，并打開煤氣、煙霧、火災等預警裝置。該模式切換功能可以保證對家中實現全天候的監控，數據無縫傳輸到后臺服務器，并實時顯示到手機終端。系統功能展示如圖5所示。

（a）求助中心面板。求助中心可以一鍵報警，也可以發送圖文報警和語音報警，并把報警信息顯示出來。

（b）撤布防控制面板。可顯示各監控地點的信息與監控地的地理位置，提供遠程對主機的撤防、布防工作。

（c）視頻播放面板。能夠實時查看各時段的監控畫面，并以2x速度4x速度8x速度播放視頻。

（d）公共信息面板。以瀑布流的形式來展現云平臺中發布的視頻信息，用戶也可以自行搜索相關信息。列表中每一個項都是圖文形式的，帶視頻截圖和文字描述信息。

（e）消息面板。消息列表具有報警消息，系統消息，用戶消息，商業消息。

（f）個人中心面板。個人中心用來導航到個人信息設置，客戶端系統設置，賬戶設置等面板。

4 結論

該智慧家居遠程監控系統，通過安置在家中的無線傳感器與報警主機，可將報警信息通過無線報警模塊傳遞到用戶的手機或電腦上，同時通過GPRS系統實現數據的傳遞與地理位置的顯示。該系統能夠解決家庭中特殊人群的健康關注和安全防范的問題，今后將隨著各傳感器的更新換代，控制系統成本，得到更多的市場認同。

（通訊作者：王朗）

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作者簡介

王朗（1980-），男，現為浙江大學寧波理工學院講師，主要研究方向為無線傳感網絡。

作者單位

浙江大學寧波理工學院 浙江省寧波市 315100