一种基于多场景的可移动式安防系统

周汉达 梁佳 陈广明 李梓新 房嘉泽 苏国涛

摘 要：为了满足人们对室内安全越来越高的需求，以及解决市面现有安防产品的种种弊端，设计一种由ZigBee、WiFi网关、物联网云平台、微信平台组成的可移动式安防系统。该系统设计了全新的设备安装转移机制与多级互助的安全反馈机制，更具便捷性与安全性。

关键词：无线传感技术;安防系统;ZigBee;WiFi网关;物联网云平台;微信平台

中图分类号：TP309文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）04-00-04

0 引 言

随着我国改革开放的推进，人们的生活水平不断提高，拥有更舒适、更安全的生活成为人们的追求，因此室内安全问题成为人们关注的热点。然而，目前的安防系统仅以防止非法入侵或监测火灾为目的，主要采用有线技术进行联网，不但需要施工布线，成本较高，而且安防模式也较为单一，不能同时兼顾火灾与盗窃问题。另外，有线安防系统还存在线路老化、电磁干扰等增加系统误报率的问题[1]。种种缺陷导致现有有线安防系统渐渐地不能满足人们的需求。

随着无线传输技术的蓬勃发展，陆续出现了各种无线通信协议标准，从无线广域网到基于 IEEE 802.11 的无线局域网， 以及基于蓝牙与ZigBee 的无线个域网，各类设备的互相连接不再局限于有线连接，无线技术的出现解决了有线安防的线路问题，大大增加了安防系统的便捷性、智能性。采用无线网络的智能安防系统保证了信息的稳定传输，免除了施工布线的繁琐，移动端更能让人时刻关注室内的安全状况，但是智能安防系统同样存在独立设备不能同时兼顾火灾与盗窃的问题。同时，智能安防系统虽然采用无线网络，但由于设备构造等方面因素的影响，空间移动性与场景移动性较差，不能较好地转移，移动端的反馈也常常因为移动设备不在身边而错过安防提醒，导致财产损失。

因此，本文提出一种可在学生宿舍、个人家庭、出租房等多个室内场景间快速安装部署、转移的便携式智能安防系统，在现有无线智能安防系统的基础上，采用更为灵活的设备设计，方便用户将系统进行快速转移，并且系统终端设备集成火灾检测与入侵检测两种功能，能够解决其他安防系统终端设备安防功能单一的弊端。系统采用全新依托微信的安全反馈机制，使智能安防系统移动端通知被错过的问题能够很好地得到解决，变“自我保护”为“科技与相互保护”，变“固定安防”为“移动安防”，更加适应人们当今的安防需求。

1 系统总体框架

物联网跟互联网的层次结构不同， 从网络架构上可将其分为三层：最基础的是感知层， 即通过传感技术随时随地获取物体本身或周边各种动态信息，这些构成了网络传递的基础数据;第二层是网络层，即将感知层感知到的信息通过无线或有线网络进行实时传送，在技术上必须保证无缝互联、可靠传递;第三层是应用层，通过中央处理器、网络云计算等技术，对收到的各种实时数据进行处理，实现对物体的智能化管理与控制，真正达到人与物的沟通[2]。

系统依据经典的物联网架构搭建，主要由感知层、网络层、应用层三部分组成。

感知层：由安防子设备与安防主设备相结合的主从模式设备构造，两者间利用2.4 GHz射频技术进行通信，从模式设备构造更好的适应室内不同地点以及白夜不同的安防需求。

网络层：采用WiFi技术与物联网云平台相连接，对ZigBee无线网络传送来的数据进行转换并上传至云平台，云平台实现数据管理、消息转发，而独立的数据库服务器提供了数据存储与挖掘分析，为设备的互联互通与数据服务提供无限可能。

应用层：微信用户端提供设备信息查询显示、故障提醒、安全情况报警与推送等实时服务，同理，利用微信强大社交能力的特点，构造多级互助模式下的安全反馈机制，大大降低人员反应不及时的安全漏洞。系统主要功能如图1所示，其整体架构如图2所示。

2 系统硬件模块设计

2.1 安防子设备模块

安防子设备包括核心主控板STM8S103F2P6最小电路、2.4 GHz发射模块、按键模块、独立供电模块、传感器模块及蜂鸣器报警模块等，适用于门窗等地点，采用独立充电设备进行供电，用户可自行根据电量显示灯进行操作。安防子设备硬件如图3所示。

2.2 数据采集终端模块

数据采集终端（安防主设备）包括CC2530最小电路、2.4 GHz接收模块、蜂鸣器报警模块、电源供电模块、按键模块及传感器模块等，均采用独立充电设备进行供电，用户可自行根据电量显示灯进行操作。数据终端硬件如图4所示。

3 系统流程设计

3.1 设备端设计

設备端软件主要由安防主、从设备两部分组成。安防主设备主要适用于室内无人状况，子设备主要适用于夜晚熟睡时门窗的安防扩展。程序设计中，整个无线网络采用树状的网络拓扑结构，通过ZigBee技术将各安防主设备连接到网络中。安防子设备通过2.4 GHz无线技术与安防主设备相关联，形成最终的ZigBee+2.4 GHz安防传感网络，实时监控室内的环境状况。

ZigBee网络主要基于德州仪器公司Z-Stack协议栈进行开发，Z-Stack协议栈引入了OSAL（操作系统抽象层）的概念[3]。OSAL通过轮循处理事件的机制形成简单的多任务操作系统。当同时有多个任务需要处理器处理时，操作系统判断事件优先级，逐次解决[4-5]。多任务操作系统适合室内网络任务与数据处理，为数据采集与传输提供较好的网络支持。

安防主设备进行设备初始化后，发起网络发现的相关操作，申请加入相应的无线网络。入网成功后，设备被定时唤醒，采集相关环境数据，通过ZigBee网络与网关进行信息交互、并进行数据传输、上报与存储，便于日后数据分析等操作。继而设备判断是否触发相应的报警模块，流程结束后进入休眠状态降低功耗。

安防子設备通过按键开启，按下按键后，开启传感器模块，对当前环境进行监测。当有人员入侵时，开启报警模块，并将信息发送到主设备，由主设备进行报警信息的上报等操作。安防主设备与子设备程序流程如图5所示。

3.2 数据主要流程

物联网是一种由智能实体持续不断产生数据、物体与物体之间互联互通以及通过互联网将数据进行传输的网络范例[6]。数据是物联网流动的血液，因此数据的流通与管理是物联网系统架构中的重要环节。

本文系统采用成熟的ZigBee无线传感技术采集各个传感器的信息，再通过WiFi网关将信息数据上传至相应的云平台进行数据筛选分析，依据相应的规则逻辑进行消息转发或转储到专门的数据库服务器进行保存与后续操作。微信端可发送、接收云平台的消息，且可直接与数据库服务器通信进行相应的数据操作。数据流向如图6所示。

3.3 移动端流程设计

本文系统移动端（微信小程序）处理流程如图7所示。一方面从百度天气端获取当前地区相应的天气信息，并将所在地天气信息以天气预报信息的方式显示，以提醒用户。另一方面，从云端获取终端设备采集上报的室内环境数据信息，根据环境数据判断是否需要直接显示传感器信息或根据用户设置的安防等级进行报警信息的输出，并在用户未在第一时间做出反应的情况下自动采取多人互助模式。

4 系统的响应与报警机制

4.1 设备报警机制

安防子设备采用独立自主供电设计，主要用于监测用户在室内熟睡时门窗的防盗报警。由用户自行选择放置地点，开启设备后，传感器对设备周围情况进行监测。当有人员经过时，延迟一定时间后开启报警模块，并将信息发送到主设备，如果一段时间内未解除警报，子设备将发送更高级安防响应，提升安防等级，启用更高级响应策略。

安防主设备同样采用独立自主供电设计，主要用于用户不在室内时室内火灾、入侵等情况的监测，由用户自行选择放置地点。主设备对室内温度、烟雾、火焰、人员等环境因素进行采集比对，当采集数值超过设定值时，立即主动上报数据，延迟一定时间后开启报警模块，如果应用端一段时间内未解除警报，平台端将采取更高级响应策略，触发多级互助的响应机制，及时挽救用户损失。

4.2 多级互助响应机制

市面上存在的大多数安防系统存在通知不及时的弊端，只有单一的手机用户会接收到警报信息，很多情况下往往会错过警报，造成不可挽回的损失。本文系统基于此弊端，利用微信平台的社交属性，打造多用户互助的安全反馈机制。

当设备将警报数据上传至云平台后，通过消息转发机制通知对应的微信用户端，等待用户解除警报响应。若一定时间内用户未在微信端解除警报响应，则触发更高一级响应策略，将警报信息通过云平台转发至其他地点相近的其他用户，或者由用户指定的备用用户，由他们进行进一步确认，变“自我保护”为“科技与相互保护”，从而达到一种互相帮助、共同安防的模式。多级互助模式如图8所示。

5 结 语

本文针对目前安防系统的不足，依托成熟的ZigBee无线网络传输技术、WiFi技术、物联网云平台、数据库服务器、微信小程序，设计一种可在多个建筑场景下自由迁移的便携式安防系统。该系统可由用户自行设置与拆卸，方便快捷，克服了施工人员上门布线安装等弊端。主从模式安防设备的设计与实现更具灵活性，适用于多种安防场景。全新的微信安全反馈机制相较于其他安防系统更具安全性，更能保障用户财产安全，具有较大的市场应用价值。

参 考 文 献

[1]贺小艳.基于物联网无线传感的小区安防系统设计[J].电子测试，2018（7）：38-40.

[2]李园园，毕晓冬，张永胜，等.物联网框架安全威胁及相应策略研究[J].计算机技术与发展，2011，21（12）：148-151.

[3]周海鸿，周嘉奉.基于ZigBee技术的温湿度监测系统[J].国外电子测量技术，2015（7）：75-79.

[4]奇华，李铮，刘军.基于ZigBee的污水监测系统节点软件设计[J].国外电子测量技术，2014，33（12）：26-30.

[5]葛年明，周泉，沈春梅.基于STM32的物联网开发应用系统设计[J].微型机与应用，2012，31（17）：80-83.

[6]史俊茹，黑敏星，杨军.一种物联网数据管理框架研究[J].计算机科学，2015，42（z1）：294-298.

[7]王菁艺，李斌勇，姚瑶.基于物联网的家庭消防安全监控系统[J].网络安全技术与应用，2018（3）：100-101.

[8] JAHNAVI V S，AHAMED S F.Smart wireless sensor network for autonated greenhouse[J].IETE journal of research，2015（2）：180-185.

[9]刘敏，单志勇.基于ZigBee的小区无线安防系统设计[J].电子测量技术，2012（11）：28-31.

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