基于物聯網和GPRS的公寓安全智能管理系統設計

史振江，谷勇，王渝

（石家莊鐵路職業技術學院電氣工程系，河北石家莊，050041）

基于物聯網和GPRS的公寓安全智能管理系統設計

史振江，谷勇，王渝

（石家莊鐵路職業技術學院電氣工程系，河北石家莊，050041）

目前用于公寓安全管理的產品功能比較單一，不能對學生公寓進行全方位的安全防護。本文基于物聯網和GPRS技術構建公寓安全監測、控制與管理系統，公寓房間內安裝電流檢測、溫度檢測、煙霧檢測、紅外防盜檢測等多種傳感器，對房間的安全信息進行感知與實時監測，實現未授權的門窗入口報警、紅外防盜報警、大功率電器使用報警以及火災報警等功能。所有報警信息通過無線傳感網絡和GPRS實時傳送到數據中心，進行存儲與顯示。實驗證明該系統可以實現對多路傳感信息的準確識別和報警信息的無線傳輸。

物聯網；無線傳感網絡；GPRS；紅外防盜報警

0 引言

學生公寓的安全是學校安全保衛工作中至關重要的環節。很多學者對公寓安全管理進行了深入的研究和探討[1-5]，然而大部分研究工作都是針對公寓安全管理的部分功能，不能很好地對學生公寓進行全方位的安全防護。本文提出在公寓房間內安裝電流檢測、溫度檢測、煙霧檢測、紅外防盜檢測等多種傳感器，對房間的安全信息進行感知與實時監測，可以實現全方位的公寓安全監測、控制與管理。

由于公寓中房間多導致安裝的終端安全控制器較多，因此整個系統的布線非常復雜，導致系統的通信可靠性降低。本文基于無線傳感網絡和GPRS技術構建無線數據傳輸平臺，所有報警信息實時傳送到數據中心，進行存儲與顯示。

1 原理框圖

公寓安全智能管理系統框圖如圖1所示。公寓房間內安裝電流檢測、溫度檢測、煙霧檢測、紅外防盜檢測等多種傳感器，對房間的安全信息進行感知與實時監測，實現未授權的門窗入口報警、紅外防盜報警、大功率電器使用報警以及火災報警等功能，如果檢測到使用大功率電器或者發生了火災系統第一時間切斷房間的電源，防止引起更加嚴重的電氣火災。

利用ZIGBEE無線傳輸模塊構建無線傳感網絡。將每個安全控制器配置為路由器節點，每層公寓設置一個協調器節點，協調器節點負責收集路由器節點的信息。整個公寓設置一個總協調器節點，負責收集每層協調器的信息，匯總整理后通過GPRS模塊傳輸到數據中心。每個房間的所有危險行為信息（包括火災、陌生人進入、使用大規模電器以及門禁刷卡信息錯誤）都會由安全控制器通過路由器節點傳送給協調器，再通過GPRS模塊傳送到數據中心進行數據存儲。

2 安全控制器

如圖2所示，公寓安全控制器由stm32單片機、ID卡識別模塊、火災檢測模塊、紅外防盜模塊、大功率電器檢測模塊、供電控制模塊以及無線傳輸模塊組成。控制芯片采用STM32F103C8T6單片機，該芯片使用高性能的ARM? Cortex?-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器(64K字節的閃存和20K字節的SRAM)；豐富的增強I/O端口，包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和1個PWM定時器；標準的通信接口：包含2個I2C接口和SPI接口、3個USART接口、1個USB接口和1個CAN接口。

圖1 公寓安全智能管理系統框圖

火災檢測模塊負責采集煙霧數據，并將信息傳送給單片機用以判斷是否有火災發生，如果確認有火災發生則立即通過繼電器切斷電源。紅外防盜模塊負責檢測是否有陌生人闖入房間，一旦發現立即發出聲光報警。大功率電器檢測模塊負責檢測是否有大功率電器使用，一旦發現立即通過供電控制模塊切斷電源并發出聲音警告，間隔一定時間后自動恢復供電。ID卡識別模塊用于識別用戶的刷卡信息，并將用戶卡號傳送給單片機進行識別，如果卡號正確則開門并且關閉紅外防盜功能以免誤報警，如果卡號錯誤發出聲音警告。所有警告信息通過無線傳輸模塊發送到數據中心，以便及時處理。

圖2 公寓安全控制器框圖

3 無線數據傳輸平臺構建

本文設計了一種融合ZigBee與GPRS技術的公寓安全數據監測系統。監測系統主要由數據采集終端設備、ZigBee-GPRS網關協調器和上位機監測中心三部分構成。終端設備節點包括傳感器和ZigBee射頻收發器，傳感器負責采集房間的各種安全信息，由射頻器發送到ZigBee網絡。網關協調器包括ZigBee協調器、網關控制器和GPRS模塊，協調器除接收子設備的數據以外，還具有組建、管理和維護整個ZigBee網絡的任務。網關控制器通過串口將協調器數據處理后，經過軟件將ZigBee和GPRS網絡協議轉換，最后由GPRS模塊發送到遠端的上位機監測中心。上位機監測中心用于監聽網絡的連接請求，同時具有數據的接收、顯示和存儲功能。系統將兩種無線通信技術相結合，實現了傳感器網絡與移動數據網絡的融合。

3.1 基于ZIGBEE的無線傳輸

ZIGBEE無線網絡技術具有網絡節點數量巨大、自組織多跳網絡、短距離無線連接、低功耗無線傳輸等特點，在物聯網領域應用非常廣泛。系統使用QAZ系列ZIGBEE模塊，它是基于TI公司CC2530F256芯片，內部運行Zigbee2007/PRO協議棧，上電后自動組網，使用方便。

圖3 ZIGBEE模塊與單片機接口電路

ZIGBEE模塊與單片機接口電路如圖3所示。單片機通過232串口與ZIGBEE模塊連接，通過串行通信方式和ZIGBEE模塊進行數據通訊，通信波特率設定為38400bps，單片機通過向ZIGBEE模塊發送16進制數據可以對其進行參數配置與通信控制。為了防止無線通信中的數據干擾，ZIGBEE模塊采用多點透傳方式，即協調器發的數據，所有路由可以收到，而路由發的數據，只有協調器收到。同一樓層的ZIGBEE模塊設置為相同的信道，不同的路由器配置為不同的地址，協調器節點和多個路由器節點之間的通信協議采用主從機通信模式，當主機（協調器）發送的地址與本機地址一致，從機（路由器）才發送信息，防止多個無線數據同時發送產生的數據沖突與干擾。另外不同層的無線傳輸模塊設置為不同的信道進行通信，防止層與層之間的數據干擾。每層協調器通過動態切換信道實現與總協調器之間的通信。

3.2 GPRS通信

利用單片機控制ATK-SIM900A GPRS模塊實現報警信息的遠程傳輸。單片機通過串口與GPRS模塊進行通信，通信格式為波特率9600bps、沒有校驗位、8位數據位和1位停止位。

單片機通過串口收發與GPRS短信息功能有關的AT指令來控制GPRS模塊實現收發短信。AT指令集通俗地說就是一種操作控制GPRS模塊的軟件協議的集合，每條命令均以字母“AT”開頭而得名。使用TCP向遠端SERVER傳輸數據。先要建立一個TCP連接，模塊作為CLIENT向遠程的SERVER發起一個TCP連接，要成功建立連接需要SERVER端為連接到INTERNET的一臺PC，而且該PC的IP地址是公網的IP地址，然后該PC運行SERVER軟件，這時就可以在模塊端用AT命令與SERVER建立TCP連接(AT+CIPSTART=”TCP”，”SERVER的IP地址”，”SERVER的端口號”)，連接成功后會返回CONNECT OK.然后就可以用AT+CIPSEND發送數據到SERVER，若SERVER有數據,模塊自動通過串口接收，要關閉TCP連接可用AT+CIPCLOSE命令。

3.3 上位機

利用B/S架構和web技術在上位機開發公寓安全智能管理系統。采用sql server 2008數據庫接收公寓總協調器通過GPRS傳送來的數據信息，實現對報警信息的存儲與管理。服務器端利用asp.net4.0框架和C#編程語言實現web程序開發，實現公寓安全信息的管理與圖形化顯示。如果某個公寓房間有危險情況發生，在web頁面上會有報警信息提示，信息內容包含房間號、危險行為類型以及房間負責人員的姓名和聯系方式，便于管理人員及時聯系負責人到房間查看情況，將財物損失降到最低。

公寓安全管理系統上位機監控界面如圖4所示。管理系統報警信息分三層進行提示，首先是對有報警信息的房間所在的樓和單元進行聲光報警顯示，工作人員點擊相應的單元號就可以看到該單元的所有房間的安全狀態（分為正常、火災、盜竊、大功率電器使用四種情況），如果某個房間顯示異常狀態，再次點擊該房間號就可以看到房間的聯系信息。此外該系統還具有信息管理和報表打印等功能。

4 結束語

本文設計了基于物聯網和GPRS技術構建公寓安全監測、控制與管理系統，公寓房間內布設電流檢測、溫度檢測、煙霧檢測、紅外防盜檢測等多種傳感器，對房間的安全信息進行感知與實時監測，實現對學生公寓進行全方位的安全防護。所有報警信息通過ZIGBEE構建的無線傳感網絡和GPRS實時傳送到數據中心進行存儲與顯示。ZIGBEE模塊采用多點透傳方式和動態切換信道機制，既解決了復雜的布線施工問題，又有效避免了多個無線數據同時發送產生的數據沖突與干擾。

圖4 公寓安全管理系統上位機監控界面

[1]王秀平.基于物聯網技術的校園安防系統設計[J].實驗技術與管理, 2011,28(8): 103-106.

[2]周維龍，等.基于物聯網的大功率電器監控系統設計[J].湖南工業大學學報, 2012，28(5): 95-99.

[3]洪樹亮.基于STM32F103住宅智能防火防盜報警系統的設計[D]. 蘭州交通大學, 2015.

[4]嚴錫君,張騰宇,嚴妍.基ARM的無線門禁控制系統的研究與設計[J].微型電腦應用,2012,28(3):33-35.

[5]李清琳,高國偉,陳亞京,等.無線防火防盜智能報警裝置[J].傳感器世界,2016, 22(6):24-28.

Design of Intelligent Management System of Apartment Safety Based on Internet of Things and GPRS

Shi Zhenjiang,Gu Yong,Wang Yu
(Dept. of Electrical Engineering,Shijiazhuang Institute of Railway Technology,Shijiazhuang Hebei, 050041)

At present, the products for apartment safety management are relatively simple and can not carry out all-round security protection for student apartments The apartment security monitoring, control and management system is constructed based on Internet and GPRS technology in the paper Many kinds of sensors including current detection sensor, temperature detection sensor, smoke detection sensor, and infrared detection sensor are installed in every apartment room, to percept and real-time monitor the safety information of room, and the system can achieve functions of unauthorized entrance alarm, infrared antitheft alarm, electrical power use alarm, and fire alarm All the alarm information is transmitted to the data center in real time via wireless sensor networks and GPRS for storage and display. Experimental results show that the system can realize the accurate identification of multi-channel sensing information and wireless transmission of alarm information

Internet of things; Wireless sensor network; GPRS; Infrared anti-theft alarm

河北省教育廳青年基金資助項目（QN2017358）。

史振江（1979-），男，河北省唐山人，碩士學位，副教授職稱。主要研究方向：智能檢測與控制技術。