基于物联网的楼道安防系统设计

葛 鑫，李中望，李 炜，陈慧蓉，蒋 玲

如果楼道出现的安全及防盗问题不能得到及时处理，将会给人们的生活带来很多潜在的风险，如发生火灾、煤气泄漏及盗窃等情况将会给居民健康及安全带来严重危害.

为了解决楼道中安全及防盗问题，设计了一种基于物联网的楼道安防系统，系统以ZigBee 技术为核心，搭建楼道总控系统及无线终端系统，结合传感器模块、无线GPS 定位模块、GSM 通信模块、摄像头模块等，能够实时进行温度、一氧化碳（CO）、烟雾、压力的检测，实现无线报警锁门、摄像头采集. 相对于传统系统检测，无线的传输方式能够减少建设与维护费用，组网灵活、系统稳定，并且本系统检测范围广、检测功能更加全面.

1 系统架构设计

1.1 ZigBee 结构特点

物联网是通过射频识别技术、各类传感器、红外感应器等装置及技术，实时对需要监控、互动的物体进行信息采集，经过网络的连接，实现物与物、物与人相连，达到对物品及过程的全面化感知、识别与监管［1-2］.

物联网具有ZigBee、WSN 等多种路由器协议，其中ZigBee 是目前应用较为广泛的物联网传输协议，能够实现节点间网络的自动组建，具备较强的灵活性，能够通过网络对数据进行转发和接收，为信息传送建立良好的基础［3-4］.

ZigBee 具有传输距离近、组网智能、功耗低等特点，主要运用在智能控制及远距离控制方面，能够兼容其他设备技术，适用于楼道安防系统.

1.2 系统总体结构

楼道安防系统由总控系统和楼道终端两部分组成，其中总控系统包括网络协调器节点和监控中心，楼道终端主要为无线终端节点，系统总体架构如图1 所示.

图1 系统总体架构图

在系统中，通过楼道无线终端节点采集楼道中温湿度、一氧化碳、烟雾、压力、视频图片等参数，将检测得到的数据传输至网络协调器节点，监控中心接收协调器传送的数据并进行监控和处理. 如果检测到的数据达到上限值，则会发出报警信号，同时利用终端节点中的GPS 模块，传送定位信息，通过摄像头实现视频及图片采集保存，并发送指令至协调器请求终端节点对楼道门锁进行封锁处理. 另外，总控系统中的GSM 通信模块会将实时报警数据以短信息的形式发送给物业中心及住户个人，为其提供及时准确的信息，减少因环境及盗窃等因素带来不必要的损失.

2 硬件设计

系统硬件设计主要包括无线终端节点和总控系统设计. 无线终端节点以集成芯片CC2533 为核心，组建无线传感网络对楼道参数进行检测. 其中CC2533 芯片采用微控制器与ZigBee 射频芯片结合的方式，应用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 片上 系统，并具有功耗模式高效、节点间通信距离远、组网可靠稳定等特点［5-7］.

2.1 无线终端节点设计

无线终端节点在系统中主要负责数据采集、数据传送、功能控制，采集整个系统中温湿度、一氧化碳、烟雾、压力、视频图片、GPS定位模块坐标信息等数据，同时进行楼道门锁控制及报警控制. 其中主要包括传感器模块、摄像头采集模块、报警模块、GPS 定位模块、LED 指示模块等.

在ZigBee 无线网络系统中，终端节点申请加入协调器建立的网络，加入后将采集的数据传递至网络协调器，并且接收其发送的命令，能够实现异常情况的实时报警、视频图片采集、GPS 定位及门锁控制，整个节点通过LED 显示工作与联网状态. 具体节点设计如图2 所示.

图2 无线终端节点结构图

（1）传感检测模块. 系统中传感模块主要应用于对温湿度、一氧化碳、烟雾及压力参数的实时采集，相关传感器选用如下：

温湿度传感器选用DHT11 型号传感器，能够对系统环境温度与湿度进行测量，用于及时发现火灾. 该传感器具有精度高、灵敏等特点，可以长期精确测量.

一氧化碳传感器选用ME2-CO 传感器，能够对系统中煤气泄漏进行测量，及时发现煤气泄漏现象. 该传感器具有精度高、灵敏度高等特点，适合长期实时精确测量.

烟雾传感器选用MQ-2 传感器，能够对发生火灾时产生的烟雾进行测量，可以对火灾爆发前期有较为准确的判断. 该传感器对可燃气体有较高的灵敏度，适用于本系统检测.

压力检测选用MPM-288 压阻式压力传感器，用于系统的防盗检测. 该传感器具有测量范围宽、精度高、灵敏度高等特点，适合本系统的检测.

（2）防盗控制模块. 无线终端节点中的防盗控制模块主要由报警器电路、摄像头采集模块及门锁控制电路组成，当入侵者用非常手段试图开门时，会挤压压力传感器，使其参数发生变化，无线终端模块采集到信号后，发出指令控制摄像头进行视频图片的采集，并激活报警器，警告楼道内住户，同时将采集的信息传递给总控系统，控制楼道门锁关闭，防止入侵者逃离.

（3）GPS 模块.GPS 模块结合终端节点搭建的网络进行定位，能够将定位反馈指令、计算得出的定位坐标通过网络协调器进行信息的传送，具有灵敏度高、功耗低、定位准确等特点，适用于本系统.

2.2 总控系统设计

楼道安防系统的总控系统由网络协调器节点及监控中心两部分组成. 网络协调器主要进行建立和监控网络、接收终端节点传送的数据、发送控制指令、实现与GSM 模块通信等任务，监控中心负责监控、数据保存、查询数据、预警及门锁手动控制.

（1）网络协调器节点设计. 网络协调器节点包括LCD、LED 显示与指示电路、电源模块、GSM 通信模块等. 在系统中，网络协调器节点上电后建立无线网络，向终端节点发送和接收数据，通过RS485 实现与GSM 模块和监控中心的数据通信，显示模块用于监视整个节点状态. 网络协调器节点设计如图3 所示.

图3 网络协调器节点结构框图

（2）监控中心. 监控中心具有保存数据、查询数据、预警、状态监控、门锁手动控制等功能，为物业管理人员提供实时监控，并且可以对以往数据进行查询，当出现紧急情况时可以手动进行门锁控制，大大提高了系统的可靠性.

（3）GSM 通信模块.GSM 通信模块主要由功率放大器、射频芯片等组成，可以对GSM 射频处理.GSM 模块具有基于GSM 移动网络进行通信的所有功能，包括发送SMS 信息、语音通话等. 能够实时将楼道信息通过短信、语音通话等方式通知物业中心工作人员及用户个人，对紧急情况进行及时处理.

3 系统软件设计

楼道安防系统软件设计流程是先进行工作前软硬件初始化，再对温湿度、一氧化碳、烟雾、压力参数设置警戒值，然后进行协调器组网与无线终端入网. 网络建立完成后，协调器会发出指令，经过无线网络输送至无线终端节点，无线终端节点收到传送的指令后，进行传感器、GPS 定位等信息采集，实时将数据反馈至协调器. 在系统中，协调器与监控中心实现串口数据传输.

系统的软件主要由无线终端节点和总控系统组成.

3.1 无线终端模块软件设计

无线终端模块先进行数据采集（包括：温湿度、一氧化碳、烟雾、压力、GPS 定位），并将数据通过协调器建立的无线网络传送，同时接收协调器传送的执行命令，具体流程如下：

模块上电后首先进行软硬件初始化，设置完数据后进行网络扫描，搜索并请求加入网络，入网成功后将传感器采集的数据传送至协调器，若出现温湿度、一氧化碳、烟雾的浓度异常，则进行报警与GPS 定位，并向协调器发送请求指令；若出现压力数据采集异常，则立即报警，同时进行GPS 定位与摄像头数据采集，向协调器发送锁门请求信号. 具体无线终端模块软件设计流程如图4 所示.

图4 无线终端模块流程图

3.2 总控系统软件设计

总控系统主要是通过网络协调器建立无线网络，并接收无线终端节点传送的数据及请求，经过串口实现与监控中心及GSM 模块的数据传送，具体流程如下：

网络协调器上电后进行软硬件初始化，设置相关参数后开始建立无线网络，等待节点加入请求，当有节点加入时分配地址，若是传感器数据，则将数据传送给监控中心，若是报警信号或无线终端节点发送的锁门请求信号，则通过GSM 通信模块发送信息至物业中心及住户，同时发送指令给终端节点进行锁门，并将数据发送至监控中心进行预警与视频图片监控. 具体网络协调器模块软件设计流程如图5 所示.

图5 网络协调器模块流程图

4 实验结果与分析

为验证系统有效性，在芜湖市鸠江区某小区楼道进行数据检测. 采用温湿度、一氧化碳及压力传感器进行测试，检测数据如图6~图8 所示.

图8 楼道压力检测曲线

如图6 所示，楼道一氧化碳浓度在0~6 mg/m3范 围 内，中 午11 时、12 时 及 晚 间17 时、18 时浓度稍高，这是由于在楼道测试时距离厨房较近，时间为做饭时间，可以看出系统用能够对一氧化碳测试有很好的灵敏度.

图6 楼道一氧化碳浓度检测曲线

如图7 所示，楼道的温度变化在26 ℃~29 ℃之间，中午12 时、13 时温度较高，由于未达到设定40 ℃的温度，所以系统未报警，但是系统能够对温度进行实时检测.

图7 楼道温度检测曲线

如图8 所示，对楼道内某一住户进行了压力检测，12 时、14 时、16 时 分别 人 工给 以压力，14 时压力值达到15 kPa，超过了设定值10 kPa，系统发生报警并实现摄像头采集信息，协调器能够接收到GPS 具体定位坐标，通过测试，系统具备一定的检测能力.

5 结语

本文研究了在楼道中运用物联网技术实现安全监测及防盗功能，系统不仅能够监测温湿度、一氧化碳、烟雾等环境安全参数，还可以通过对压力参数的监测实现摄像头视频图片采集、GPS 定位及报警锁门等防盗功能，整个系统具有GSM 信息通信功能，极大地增强了实时监控能力. 设计进一步改善了楼道安防系统，具有检测灵敏、可靠、功能强等特点. 本设计还可以进一步扩展用于一些全新楼宇的环境参数监测，具有一定的运用价值.