基于物联网和GPRS的公寓安全智能管理系统设计

史振江，谷勇，王渝

（石家庄铁路职业技术学院电气工程系，河北石家庄，050041）

基于物联网和GPRS的公寓安全智能管理系统设计

史振江，谷勇，王渝

（石家庄铁路职业技术学院电气工程系，河北石家庄，050041）

目前用于公寓安全管理的产品功能比较单一，不能对学生公寓进行全方位的安全防护。本文基于物联网和GPRS技术构建公寓安全监测、控制与管理系统，公寓房间内安装电流检测、温度检测、烟雾检测、红外防盗检测等多种传感器，对房间的安全信息进行感知与实时监测，实现未授权的门窗入口报警、红外防盗报警、大功率电器使用报警以及火灾报警等功能。所有报警信息通过无线传感网络和GPRS实时传送到数据中心，进行存储与显示。实验证明该系统可以实现对多路传感信息的准确识别和报警信息的无线传输。

物联网；无线传感网络；GPRS；红外防盗报警

0 引言

学生公寓的安全是学校安全保卫工作中至关重要的环节。很多学者对公寓安全管理进行了深入的研究和探讨[1-5]，然而大部分研究工作都是针对公寓安全管理的部分功能，不能很好地对学生公寓进行全方位的安全防护。本文提出在公寓房间内安装电流检测、温度检测、烟雾检测、红外防盗检测等多种传感器，对房间的安全信息进行感知与实时监测，可以实现全方位的公寓安全监测、控制与管理。

由于公寓中房间多导致安装的终端安全控制器较多，因此整个系统的布线非常复杂，导致系统的通信可靠性降低。本文基于无线传感网络和GPRS技术构建无线数据传输平台，所有报警信息实时传送到数据中心，进行存储与显示。

1 原理框图

公寓安全智能管理系统框图如图1所示。公寓房间内安装电流检测、温度检测、烟雾检测、红外防盗检测等多种传感器，对房间的安全信息进行感知与实时监测，实现未授权的门窗入口报警、红外防盗报警、大功率电器使用报警以及火灾报警等功能，如果检测到使用大功率电器或者发生了火灾系统第一时间切断房间的电源，防止引起更加严重的电气火灾。

利用ZIGBEE无线传输模块构建无线传感网络。将每个安全控制器配置为路由器节点，每层公寓设置一个协调器节点，协调器节点负责收集路由器节点的信息。整个公寓设置一个总协调器节点，负责收集每层协调器的信息，汇总整理后通过GPRS模块传输到数据中心。每个房间的所有危险行为信息（包括火灾、陌生人进入、使用大规模电器以及门禁刷卡信息错误）都会由安全控制器通过路由器节点传送给协调器，再通过GPRS模块传送到数据中心进行数据存储。

2 安全控制器

如图2所示，公寓安全控制器由stm32单片机、ID卡识别模块、火灾检测模块、红外防盗模块、大功率电器检测模块、供电控制模块以及无线传输模块组成。控制芯片采用STM32F103C8T6单片机，该芯片使用高性能的ARM® Cortex™-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(64K字节的闪存和20K字节的SRAM)；丰富的增强I/O端口，包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器；标准的通信接口：包含2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、1个USB接口和1个CAN接口。

图1 公寓安全智能管理系统框图

火灾检测模块负责采集烟雾数据，并将信息传送给单片机用以判断是否有火灾发生，如果确认有火灾发生则立即通过继电器切断电源。红外防盗模块负责检测是否有陌生人闯入房间，一旦发现立即发出声光报警。大功率电器检测模块负责检测是否有大功率电器使用，一旦发现立即通过供电控制模块切断电源并发出声音警告，间隔一定时间后自动恢复供电。ID卡识别模块用于识别用户的刷卡信息，并将用户卡号传送给单片机进行识别，如果卡号正确则开门并且关闭红外防盗功能以免误报警，如果卡号错误发出声音警告。所有警告信息通过无线传输模块发送到数据中心，以便及时处理。

图2 公寓安全控制器框图

3 无线数据传输平台构建

本文设计了一种融合ZigBee与GPRS技术的公寓安全数据监测系统。监测系统主要由数据采集终端设备、ZigBee-GPRS网关协调器和上位机监测中心三部分构成。终端设备节点包括传感器和ZigBee射频收发器，传感器负责采集房间的各种安全信息，由射频器发送到ZigBee网络。网关协调器包括ZigBee协调器、网关控制器和GPRS模块，协调器除接收子设备的数据以外，还具有组建、管理和维护整个ZigBee网络的任务。网关控制器通过串口将协调器数据处理后，经过软件将ZigBee和GPRS网络协议转换，最后由GPRS模块发送到远端的上位机监测中心。上位机监测中心用于监听网络的连接请求，同时具有数据的接收、显示和存储功能。系统将两种无线通信技术相结合，实现了传感器网络与移动数据网络的融合。

3.1 基于ZIGBEE的无线传输

ZIGBEE无线网络技术具有网络节点数量巨大、自组织多跳网络、短距离无线连接、低功耗无线传输等特点，在物联网领域应用非常广泛。系统使用QAZ系列ZIGBEE模块，它是基于TI公司CC2530F256芯片，内部运行Zigbee2007/PRO协议栈，上电后自动组网，使用方便。

图3 ZIGBEE模块与单片机接口电路

ZIGBEE模块与单片机接口电路如图3所示。单片机通过232串口与ZIGBEE模块连接，通过串行通信方式和ZIGBEE模块进行数据通讯，通信波特率设定为38400bps，单片机通过向ZIGBEE模块发送16进制数据可以对其进行参数配置与通信控制。为了防止无线通信中的数据干扰，ZIGBEE模块采用多点透传方式，即协调器发的数据，所有路由可以收到，而路由发的数据，只有协调器收到。同一楼层的ZIGBEE模块设置为相同的信道，不同的路由器配置为不同的地址，协调器节点和多个路由器节点之间的通信协议采用主从机通信模式，当主机（协调器）发送的地址与本机地址一致，从机（路由器）才发送信息，防止多个无线数据同时发送产生的数据冲突与干扰。另外不同层的无线传输模块设置为不同的信道进行通信，防止层与层之间的数据干扰。每层协调器通过动态切换信道实现与总协调器之间的通信。

3.2 GPRS通信

利用单片机控制ATK-SIM900A GPRS模块实现报警信息的远程传输。单片机通过串口与GPRS模块进行通信，通信格式为波特率9600bps、没有校验位、8位数据位和1位停止位。

单片机通过串口收发与GPRS短信息功能有关的AT指令来控制GPRS模块实现收发短信。AT指令集通俗地说就是一种操作控制GPRS模块的软件协议的集合，每条命令均以字母“AT”开头而得名。使用TCP向远端SERVER传输数据。先要建立一个TCP连接，模块作为CLIENT向远程的SERVER发起一个TCP连接，要成功建立连接需要SERVER端为连接到INTERNET的一台PC，而且该PC的IP地址是公网的IP地址，然后该PC运行SERVER软件，这时就可以在模块端用AT命令与SERVER建立TCP连接(AT+CIPSTART=”TCP”，”SERVER的IP地址”，”SERVER的端口号”)，连接成功后会返回CONNECT OK.然后就可以用AT+CIPSEND发送数据到SERVER，若SERVER有数据,模块自动通过串口接收，要关闭TCP连接可用AT+CIPCLOSE命令。

3.3 上位机

利用B/S架构和web技术在上位机开发公寓安全智能管理系统。采用sql server 2008数据库接收公寓总协调器通过GPRS传送来的数据信息，实现对报警信息的存储与管理。服务器端利用asp.net4.0框架和C#编程语言实现web程序开发，实现公寓安全信息的管理与图形化显示。如果某个公寓房间有危险情况发生，在web页面上会有报警信息提示，信息内容包含房间号、危险行为类型以及房间负责人员的姓名和联系方式，便于管理人员及时联系负责人到房间查看情况，将财物损失降到最低。

公寓安全管理系统上位机监控界面如图4所示。管理系统报警信息分三层进行提示，首先是对有报警信息的房间所在的楼和单元进行声光报警显示，工作人员点击相应的单元号就可以看到该单元的所有房间的安全状态（分为正常、火灾、盗窃、大功率电器使用四种情况），如果某个房间显示异常状态，再次点击该房间号就可以看到房间的联系信息。此外该系统还具有信息管理和报表打印等功能。

4 结束语

本文设计了基于物联网和GPRS技术构建公寓安全监测、控制与管理系统，公寓房间内布设电流检测、温度检测、烟雾检测、红外防盗检测等多种传感器，对房间的安全信息进行感知与实时监测，实现对学生公寓进行全方位的安全防护。所有报警信息通过ZIGBEE构建的无线传感网络和GPRS实时传送到数据中心进行存储与显示。ZIGBEE模块采用多点透传方式和动态切换信道机制，既解决了复杂的布线施工问题，又有效避免了多个无线数据同时发送产生的数据冲突与干扰。

图4 公寓安全管理系统上位机监控界面

[1]王秀平.基于物联网技术的校园安防系统设计[J].实验技术与管理, 2011,28(8): 103-106.

[2]周维龙，等.基于物联网的大功率电器监控系统设计[J].湖南工业大学学报, 2012，28(5): 95-99.

[3]洪树亮.基于STM32F103住宅智能防火防盗报警系统的设计[D]. 兰州交通大学, 2015.

[4]严锡君,张腾宇,严妍.基ARM的无线门禁控制系统的研究与设计[J].微型电脑应用,2012,28(3):33-35.

[5]李清琳,高国伟,陈亚京,等.无线防火防盗智能报警装置[J].传感器世界,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

河北省教育厅青年基金资助项目（QN2017358）。

史振江（1979-），男，河北省唐山人，硕士学位，副教授职称。主要研究方向：智能检测与控制技术。