家庭智能安防系统的设计与实现

王雷等

摘要：安全性的需求是人们家居生活的第一需求。为了实现家庭安防报警的自动化管理，文章从技术角度对家庭安防系统的体系结构、工作流程、开发环境、实现效果等方面进行了介绍，提出了一个在物联网背景下基于ARM和ZigBee技术的家庭智能安防系统的设计方法。

关键词：家庭安防报警；智能安防系统；物联网；ARM；ZigBee 文献标识码：A

中图分类号：TP273 文章编号：1009-2374（2015）22-0027-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.22.014

随着物联网技术的逐渐成熟，作为物联网具体应用之一的家庭智能安防也迎来了良好的发展机遇。安全性的需求是人们家居生活的第一需求，本文主要从技术角度，研究家庭智能安防系统的设计与实现。

整个智能安防项目是一个复杂的系统，采用的关键技术有ARM技术和ZigBee技术。家庭网关是系统的核心部件，采用嵌入式ARM技术，该技术具有小体积、低成本、低功耗、高性能等特点，负责系统数据的分析和处理。家庭内部网络主要采用ZigBee近距离无线通信技术，该技术由ZigBee联盟于2004年推出，具有低成本、低功耗、网络的自组织自愈合能力强等特点，特别适合在监控类系统中应用。

1 系统设计

1.1 体系结构设计

智能安防系统为用户家庭财产安全提供了保障，其体系结构如图1所示：

整个系统采用星型拓扑结构，以嵌入式家庭网关为核心，家庭内部的烟雾采集节点、CO采集节点、霍尔门磁探测节点等信息采集节点利用ZigBee无线信号通过协调器与家庭网关相互通信，ZigBee协调器负责家庭内部无线网络的建立和管理，摄像头节点通过有线方式与网关相连，本地用户可以直接通过家庭网关上的触摸屏控制整个系统，远程用户可以利用PC机通过Internet网络或利用手机通过GPRS网络监控整个系统。

烟雾采集节点利用内部的烟雾传感器实时监测家居环境的烟雾浓度，CO采集节点利用内部的CO传感器实时监测室内CO等可燃性气体的浓度，霍尔门磁探测节点利用内部的霍尔传感器监测门窗磁场的变化情况，判断是否有人非法侵入。当系统设防后，一旦有某个信息采集节点触发报警，系统马上将报警信息以短信的方式发送到用户预先设置的手机中，并开启报警器鸣响，同时摄像头节点连续抓拍现场照片数张存于SD卡中，以备用户查看报警起因，判断是否误报。

1.2 工作流程设计

智能安防系统的工作流程如图2所示，其主要工作过程描述如下：

第1步：各类信息采集节点（烟雾采集节点、CO采集节点、霍尔门磁探测节点）上的传感器实时监测家庭内部环境的参数变化，并将检测数据进行打包，通过ZigBee无线信号将打包后信息发送给ZigBee协调器。

第2步：ZigBee协调器接收信息采集节点传来的检测数据后，将其按照预定协议格式转发给家庭网关。

第3步：家庭网关在系统计时器的作用下周期性的接收串口数据，当网关从串口接收到ZigBee协调器发来的数据后，首先判断数据是来自哪类传感器及判断数据的类别，然后再对数据进行解析处理。如果上报数据超过系统预设阈值，则触发报警，系统首先读取预先配置的报警手机号码，将报警信息以短信的方式发送给用户，并循环检测确保短信发送成功，然后再检测若报警器没有开启，则发送报警器打开指令并更新用户界面，最后打开摄像头连续抓拍现场照片数张存于SD卡中，以备用户查看报警起因。如果上报数据未超过阈值，则不触发报警，系统不做任何处理。

第4步：ZigBee协调器接收到家庭网关的设备控制指令后，对指令进行解析，将其发送给相应的控制执行节点。

第5步：控制执行节点接收到协调器转发的指令后，解析并执行相应指令。

2 系统实现

本小节主要介绍系统的开发环境和最终的软件实现效果。

2.1 开发环境

根据运行的位置不同，智能安防系统应用程序主要分为两大类：网关程序和ZigBee节点程序，前者运行在家庭网关上，后者运行在各个ZigBee节点上，包括各种信息采集节点、控制执行节点和协调器节点。两种程序均是在安装有Ubuntu操作系统的普通PC机上开发，然后下载到实验箱相应位置的芯片中运行。其中，网关程序的设计开发是本文的重点工作。网关程序主要在PC机上使用基于Qt 4.7的集成开发环境Qt Creator 2.0进行开发，交叉编译工具使用arm-Linux-gcc 4.3，使用C++语言编写代码。网关程序经编写、调试并最终交叉编译完成后，通过串口使用超级终端方式或通过网口使用FTP方式下载到实验箱的嵌入式网关上授权运行。嵌入式网关CPU处理器为基于ARM Cortex-A8的Samsung S5PV210芯片，主频1GHz，内存为1GByte，存储器1GByte，其上运行的是嵌入式Linux操作系统（Linux 2.6内核）。

2.2 软件实现效果

程序最终的测试运行主要是将其下载到物联网实验箱上进行，测试用实验箱为凌阳物联网多网技术教学科研平台（型号：SP-MNTCE15A），网关程序的实现效果如图3所示：

图3 智能安防标签及视频监控标签

单击“智能安防”标签进入智能安防界面。“一键布防”：可以通过该按钮启动或关闭整个智能安防系统，具有一键设防、一键撤防功能，方便用户操作。“视频监控”：单击该按钮会转到“视频监控”界面，可以查看家居的实时视频信息。“小喇叭”按钮：当报警触发后，小喇叭立即开始鸣响报警，用户可以通过该按钮关闭正在鸣响的喇叭，如有需要也可通过触摸该按钮，打开喇叭使其鸣响。烟雾报警功能：可任意设定或修改接收烟雾报警信息的手机号码，当系统触发烟雾报警时，小喇叭开始鸣响，并向预设的手机发送报警信息，通过“启用烟雾报警功能”按钮开启或关闭安防系统对烟雾及有害气体浓度的监控。门窗防盗功能：可任意设定或修改接收门窗报警信息的手机号码，当系统检测到门窗有人非法入侵时，小喇叭开始鸣响，并向预设的手机发送报警信息，通过“启用门窗防盗功能”按钮开启或关闭霍尔门磁对门窗的监控。

单击“视频监控”标签进入视频监控界面。左半侧区域：左上方视频区域用于显示摄像头的实时视频信息，下方两个按钮“打开视频”和“关闭视频”控制摄像头的开关。云台控制：可控制摄像头的云台上、下、左、右移动，方便观察。焦距控制：可控制摄像头的焦距，使镜头拉近和推远，方便观察。抓拍照片：由于嵌入式系统资源的限制，本系统不具有视频保存功能，摄像头开启后，可通过该按钮人工抓拍实时照片，系统自动保存，另外，当安防报警触发时，系统会自动抓拍照片。查看照片：查看系统保存之前抓拍的照片。

3 结语

为了保证智能安防系统的有效性和稳定性，在系统集成后对系统进行了功能测试、性能测试和稳定性测试。经过测试后可知，系统满足了功能设计要求，实现了家庭安防报警的自动化管理，而且在系统的性能以及稳定性上也达到了预期的设计目标。

参考文献

[1] 武士涛.基于物联网技术的智能安防系统应用研究

[J].信息安全与技术，2012，（2）.

[2] 王婉.智能安防系统工程方案的多目标决策分析[J].山东广播电视大学学报，2010，（1）.

[3] 金周斌.智能楼宇安防监控系统设计[J].科技创新与应用，2015，（2）.

作者简介：王雷（1981-），男，河北衡水人，河北传媒学院讲师，网络工程师，研究方向：物联网技术、计算机网络技术。

（责任编辑：周 琼）