基于物联网的住所安全远程无线监控系统的设计

陈锦煌

（中山大学新华学院 广东 广州510520）

基于物联网的住所安全远程无线监控系统的设计

陈锦煌

（中山大学新华学院 广东 广州510520）

为了实现用户能够实时远程监控住所环境的安全，文中提出一种应用物联网技术进行信息采集的住所安防监控系统。系统通过ZigBee无线组网采集住所环境信息，使用ARM处理器负责数据的处理和发送，能够把住所中的实时情况通过GSM网络发送至用户手机或者终端上实现远程监控，及时对异常情况进行处理，保障住所的安全性。测试结果表明，该系统能够实现住所信息的采集并进行远程通信，设计成本低，稳定性好，具有良好的扩展性。

物联网；ZigBee；远程监控；GSM；安防

随着人们生活水平的不断提高，对住所安全性等方面提出更高的要求，住户希望在离开住所的情况下也能实现安防监控，实时获取异常警报信息并及时处理。物联网是以感知为出发点实现“物物相连”的一种创新技术[1]，结合无线传感网络和移动通信技术能够把物件信息通过移动网络发送至用户手上，构成一个简单智能的信息传输网络[2]。文中利用物联网技术对住所环境进行设置，使用各类传感器实时采集相应的数据，通过ZigBee无线网络把收集到的数据发送至ARM内核的STM32处理器上，在处理器分析采集的数据过程中，发现数据超过预先设定的阀值时，系统能够及时通过GSM网络把异常情况以短信的形式告知用户，使用户能够实时获取住所安防情况并及时对异常情况做出处理，给住户带来安全的住所环境，保障人们的生命财产安全，为智能家居的安防子系统提供了参考，具有一定的研究意义。

1 系统的总体设计

基于物联网的住所安全监控系统总体架构如图1所示，系统由远程控制终端、无线传输网络和信息采集终端三大部分组成。在信息采集终端上设计有红外探测器、温度传感器、气体传感器、火焰传感器等模块实时采集住宅中各种安全信息，通过ZigBee无线传感网络将信息传送到ARM内核的STM32处理器进行分析和处理，检测到异常情况即可通过GSM网络以短信方式告知住户，及时做出相应的控制，使住户居所免受损失，该系统具有成本低、耗能少、操作简便、数据传输可靠等优点，各模块之间实现协同工作。

图1 系统总体架构图

2 系统的硬件设计

基于物联网的远程无线监控住所安全信息的系统主要涉及到ARM处理器、各种信息采集传感器、无线传输网络等硬件设备，各个传感器采集到的信息通过处理器的处理后实现相应的功能，使用ZigBee通信技术能更好地实现系统各模块的通信。

2.1 信息采集终端的设计

住所安全内容主要包括防盗、防有毒气体泄露、防火灾等方面[3]。要实现对住所的布防，需要在信息采集终端上加入多种传感器检测住所环境的信息，在采集信息完成后模块对数据进行A/D的转换，在ZigBee无线网络下把数据传送到ZigBee协调器再作进一步的处理。各传感器节点每隔一个设定的时间就会自动对环境信息进行采集，当发现了采集到的数据超过了预先设计好的阀值，系统会进行报警和处理，住户无论身处何地都能随时通过移动终端接收短信及时了解住宅情况，并对发生的异常情况进行处理[4]。

信息采集终端主要收集燃气、烟雾、人员进出和温湿度等信息，该终端节点的硬件结构由电源模块、传感器模块、处理器模块和无线通信模块四部分组成[5]，如图2所示。

图2 终端节点硬件结构图

本系统使用到温湿度传感器[6]、红外热释传感器、光敏传感器和烟雾传感器[7]等模块，每个传感器模块都组成一个信息采集的终端节点，对住宅信息进行采集，通过ZigBee无线传感网络发送采集到的信息。表1给出了各个传感器的型号和参数等信息。

表1 系统中各传感器的型号和参数

2.2 无线传输网络的设计

系统采用ZigBee技术设计无线传输网络，实现物与物之间的相连，传感器采集数据能够无线传输，构成一个住宅的内联网络。无线传输网络模块的设计采用德州仪器（TI）公司的一款高性能、低功耗、抗干扰性强、高灵敏度的无线接收芯片CC2530，该芯片是用于ZigBee标准的一个真正的片上系统（SoC）解决方案[8]，工作频段为2.4 GHz，结合了RF前端和内存，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，工作电压为2～3.6 V，具有工作、中断和睡眠的3种工作模式，降低整个系统功率的消耗。

ZigBee网络具有星型、树型和网状型 3种拓扑结构[9-10]，如图3所示。本系统中ZigBee无线传输网络模块使用星型的拓扑结构将住所内各个传感器组建成一个无线网络[11]，无线通信模块通过SPI总线与ARM处理器进行通信，ARM处理器接收到相关的控制信息和命令后把控制信息发送到ZigBee协调器处理，最终把指令发送到信息采集终端上，同时，ZigBee各个传感器子节点把数据传送至协调器，再与处理器实现通信接收其发送的控制命令。

图3 ZigBee网络拓扑结构

2.3 远程控制终端

系统通过信息采集终端和无线传输网络把住宅中安装的传感器模块采集的信息发送到ARM处理器，接着处理器对采集信息进行分析并将异常情况以短信的形式通过GSM网络发送到远程住户的手机中，让住户能够随时随地获取住宅中的安全情况。

2.3.1 处理器模块的设计

住宅安全数据信息的处理是系统的核心部分，采用ST公司资源丰富、低功耗、处理速度快的ARM Cortex-M3内核的32位STM32F103作为系统采集信息的处理器[12]，其最高工作频率达72 MHz，内置512 K字节的闪存，更有112个快速多功能I/O口，3个12位模数（A/D）转换器和2通道12位数模（D/A）转化器，工作在2～3.6 V，该处理器设有3种工作模式，分别为唤醒、睡眠和停机，不仅保证了系统的正常工作还满足了系统低功耗的要求。

2.3.2 住户远程接收信息的设计

系统对住宅安全状态判断完成后，若发现异常的情况，需要告知住户，由于住户的流动性较大，要求系统能够实现远程的通信，所以设计采用GSM网络通过发送SMS短信的方式与住户通信，能够快速告知用户。

短信发送模块采用的是SIMCOM公司的一款 GSM/ GPRS芯片SIM900A，该芯片具备省电技术，而且数据下行传输速率可高达85 kbps，其体积足够小适合用于各种应用的尺寸要求，而且芯片内部嵌入了TCP/IP协议，使用AT指令实现TCP连接，还能向指定手机发送短信[13]。SIM900A芯片的串口连线图如图4所示。

3 系统的软件设计

本系统的软件设计部分主要是对无线传输网络和短信发送模块实现的，程序使用C语言编写，增加程序的可读性，对于无线传输网络主要是对ZigBee协调器进行设计，而短信发送模块则通过简单的连接使模块正常工作。

图4 SIM900A芯片的串口连线图

3.1 ZigBee协调器的设计

采用ZigBee无线自组网实现通信，把住所中的传感器联系成星型网络。ZigBee组网由ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端三大部分组成[14]。而这3个部份的分别以有线或无线方式相互联系，同时又相互独立，整个系统运行时各个部件间通过程序实现协调的工作。

给系统上电后，ZigBee协调器会自动初始化并组建网络，建网成功后接受ZigBee终端部分的进网请求，同时对串口进行监听，ZigBee协调器一直处于工作状态，如果接收到串口传送的命令则向对应节点发送该命令；如果节点需要发送数据时，协调器会将全部节点数据进行融合后发送出去[15]。其程序设计流程如图5所示。

图5 ZigBee协调器程序设计流程图

3.2 短信发送模块的设计

住户与住所的通信使用移动终端实现，通过GSM模块实现警报信息的发送和控制命令的接收[8]。

GSM模块采用的SIM900A芯片通过串口的方式与处理器实现通信，短信发送采用PDU格式并使用AT命令设置短信的收发，程序如下：

4 系统的测试结果

在整体的硬件模块连接好后，给系统上电后开始调试操作。首先对系统各传感器进行测试，观察其信息采集的正确性，然后再测试ZigBee网络的连通性，最后对系统各模块实现联合调试，模拟系统产生的异常情况，向手机终端发送报警短信，在手机端接收到的报警短信界面如图6所示。实验表明，通过物联网技术的住宅安全监控系统能够很好地实现对异常信息的及时报警，并且能够对系统进行远程控制的管理，短信发送的延时平均在5s的时间以内，收到的短信内容为预先设定的相应报警内容，系统各功能模块能够正常运作，满足了系统对住宅安全信息的远程无线监控和住户对住宅异常信息的实时处理，其移植性较高，能够为智能家居系统提供良好的安防子系统的支持。

5 结束语

文中介绍的远程住宅安全监控系统应用了物联网的技术，结合ARM的高性能处理器和GSM网络，实现了防盗、防火、防气体泄漏、异常警报等功能，同时详细介绍了系统的硬件部分和软件部分的设计，住户能够不受时间和空间的限制就能按照自己的需求对住宅环境进行监控，确保了住宅的安全，通过对系统进行测试，结果表明系统满足住宅安全的远程监控要求，整体设计成本低、无需布线、运行可靠性和稳定性高、维护简易，采用低功耗的模块使得系统工作时间更长，为住宅等场所实现智能化的远程无线监控系统同时为智能家居安防子系统的设计提供一种简易、科学、可靠的参考方案。

图6 火焰传感器检测到火源后系统发送警报短信

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Design of remote wireless residence security system based on the Internet of Things

CHEN Jin-huang
（Xinhua College of Sun Yat-sen University，Guangzhou 510520，China）

To implement real-time remote monitoring the safety of residence environment，this paper presents an application in collecting residence security information by using Internet of tings technology.The environment information of residence is acquiring by ZigBee wireless network，this system using ARM processor is responsible for data processing and corresponding，also be able to send the real-time residence information to householder via GSM network and dispose the abnormal condition in time，guarantee the safety of the residence.Test results show that the system can achieve residence information acquiring and telecommunication，the design is low cost，good stability and good extensibility.

Internet of Things；ZigBee；remote control；GSM；security

TN919

A

1674－6236（2016）24-0190-04

2015-12-18 稿件编号：201512195

实验教学示范中心研究规划课题（2013S002）

陈锦煌（1988—），男，广东潮州人，硕士研究生，助理工程师。研究方向：嵌入式系统应用。