基于Android手机的家庭安防系统应用研究

2013-08-13杜恒，陆剑

电视技术 2013年13期

杜恒，陆剑

(河南工业职业技术学院a.计算机工程系;b.电子工程系，河南南阳 473009)

责任编辑:任健男

随着“感知中国”的提出，物联网技术得到了飞速的发展。智能交通、智能电网、智能家居等作为物联网的典型示范，不论是从理论研究方面，还是从市场应用方面，都取得了骄人的成绩，而智能家居成为发展最快、需求最大的物联网产业。据慧聪智能家居网的市场检测数据分析可知，“家庭安防”和“智能家居”一直列居前两位，2010年8月数据分析显示，在排在前十名的智能家居网产品中，“家庭安防”以绝对高的优势占据着第一名的位置。

国家对平安城市、平安社区等工程的不断推进，也为家庭安防市场的兴起提供了良好的发展契机。个人家庭应用以普通大众为基础，其所蕴藏的市场潜力是无法估量的。虽然在国外这一市场已经初具规模，但在国内市场仍处于萌芽状态。通过手机查看家中的实时影像，利用煤气探测器、烟雾传感器及门磁传感器对家中燃气，火灾报警［1］，对入室行窃进行报警，这一切通过家庭摄像头监控即可轻松实现。

相对于计算机等设备，手机具有更好的便携性，在很多监控领域已经担任了重要角色［2］，在家用监控方面也具有无可比拟的优势，而且随着3G系统与WLAN系统的融合，手机的无缝式无线监控方式的应用将更加促进家用视频监控系统的发展。

1 系统总体设计

1.1 系统功能说明

家庭安防系统主要用于对住宅内环境进行监测，包括温湿度、燃气，以及对家庭大门和窗户状态进行监视，当发现有人非法侵入，及时向用户发送预警信息，使住户家庭免受侵害。

Android手机家庭安防系统功能模块主要由3个部分构成:1)感知探知模块，由红外传感器、烟雾探测器、门磁传感器和温湿度传感器构成，外加一个用于预警的报警器［3］;2)嵌入式网关，主要负责将传感器及探测器的数据提取出来并进行数据协议的封装，同时负责前端与手机端的数据转发通信;3)手机用户端，作为客户端对传感器数据进行获取，同时进行摄像头查看及预警处理。具体结构图如图1所示。

家庭安防系统共有两种工作状态:布防状态与撤防状态。设置两种状态的目的是为了防止不必要的报警，也是安防系统的人性化设计。布防状态的选择主要由手机操作。布防状态主要用于住宅中无人的情况，此时需要将家中的所有探测器打开并处于工作状态。撤防状态下所有探测器与传感器进入休眠状态，家里人正常出入活动也不会触动报警。

图1 基于手机客户端的家庭安防系统结构图

1.2 系统框架设计

家庭安防系统网关与传感探测器通信采用ZigBee通信方式，为了增加网络稳定性，且根据家庭安防系统所用传感器的数量和特点，采用星型网络构建，网关作为整个星型网络的中心节点，对整个网络的稳定性起着至关重要的作用。配有ZigBee无线模块的传感探测器设备通过ZigBee网关经过3G模块或者WiFi模块将数据发送至手机端，实现对数据的查看。具体系统框架图如图2所示。

图2 手机安防系统总体框架图

该系统分为前端、网关汇聚端和用户端3个部分［4］。前端传感层是由红外探测器、烟雾传感器、门磁探测器、温湿度传感器、摄像头及报警器构成。探测器与传感器主要负责对住宅内的燃气、门禁的监测。摄像头则是对室内环境进行监测。报警器作为报警系统，提示住宅内有危险信息，前端每个模块在ZigBee网络中均为一个ZigBee终端节点，有独立的MCU，能自动加入ZigBee网络，并且实现传感层数据的采集与发送。摄像头数据采用了有线方式进行传输，考虑到ZigBee网络的稳定性和数据流的多少问题，采用了稳定性较好的有线串口方式直接连接嵌入式网关。网关汇聚端一方面负责ZigBee网络的组建，并利用ZigBee网络获取传感器信息，另一方面将传感信息通过3G无线或者WiFi方式发送至手机端，同时将报警信号发送至报警器。用户端主要负责对整个安防系统的系统配置及视频监测，并且能即时拨通物业电话和110电话求助。

手机安防系统嵌入式网关采用三星公司的S3C6410作为主芯片，再加上串口、Flash和SDRAM等基本模块，另外为了使嵌入式网关具有强大的网络通信性能，且能兼容不同的无线网络通信方式，外扩了3G模块、WiFi模块及ZigBee模块［5］。为了具备视频监测的功能，加上了模拟摄像头，价格便宜且能满足室内监测的要求。具体硬件结构图如图3所示。

图3 嵌入式网关硬件结构图

本文根据ZigBee前端节点功能，可以将前端节点分成采集节点与控制节点。采集节点扩展的主要连接探测器与传感器，对室内燃气及门禁进行监测，具体硬件结构图如图4所示。控制节点指报警器节点，它和采集节点硬件大部分相同，唯一不同的是加了继电器来辅助报警器工作。

图4 前端节点硬件图

2 系统软件设计与实现

2.1 前端节点软件设计

采集节点上电后，进行设备初始化，初始化完成后便开始ZigBee网络的查找，当查找到附近的网络后，发送加入网络请求，网关节点接收请求批准采集节点加入网络，然后进入接收线程，不断查询传感器数据，当数据大于设定的阈值时，则向网关节点发送报警数据。采集节点工作流程图如图5所示。

图5 采集节点工作流程图

控制节点主要完成对报警器的触发，在硬件结构上与采集节点类似，只是探测传感器变成了报警器，在工作流程方面与采集节点有相同的地方，比如查找并加入Zig-Bee网络的方式与采集节点如出一辙，但在工作方式上有些差别，报警器在接收网关节点的报警指令之前都处于休眠状态，一旦接收到网关节点的报警指令，便开始响铃报警。

2.2 网关软件设计

网关节点的作用是建立整个ZigBee网络并对网络进行维护，同时还担任传感数据和手机指令数据的转发，是连接前端节点与手机的桥梁［6］。具体而言，其作用主要体现在3个方面:1)建立ZigBee网络，对新加入的ZigBee终端节点进行绑定，同时为其分配网内唯一地址作为身份识别，网络建立完成后，能够对网络进行维护，当有节点退出网络后，能对网络结构进行更新;2)接收传感器与探测器的报警信息，并将信息发送至手机端，同时也下达报警指令触发报警器工作，除此之外，还需要对摄像头视频数据进行采集并压缩处理;3)实现与手机端通信，通过Socket方式实现与手机端的上下行传输。网关软件工作流程图如图6所示。

图6 网关工作流程图

当设备上电后，然后调用一系列原语来实现ZigBee网络的组建，如网络创建原语ZNWK_NETWORK_FORM_REQ(＆APS2NWK，＆NWK2APS)，设置允许其他终端节点加入ZigBee网络的原语ZNWK_PERMIT_JOIN_REQ(＆APS2NWK，＆NWK2APS)等，来实现 ZigBee网络的组建［7－8］。在网络成功组建之后，网关节点便可实现与加入网络的其他终端节点进行数据传输。

2.3 协议报文组建

2.3.1 网关节点与前端节点通信协议

网关节点与探测传感节点间的数据需要一定的协议来组建报文，这样双方才能识别数据内容。ZigBee网络组建时，网关节点为各终端节点分配了网内唯一地址来识别不同的终端节点，而协议则是让网关节点与终端节点能够互相识别所通信数据的具体内容［9］。

网关节点发送命令至探测器和传感器，其协议格式为:帧头1B、命令字3B、地址10B、数据16B、校验和1B、帧尾1B。＆为协议帧的起始符;命令字，比如ZigBee网络组建所用命令JON、RNS查看网络连接状态命令、SON设置终端节点开始工作的命令、SOF设置终端节点休眠的命令。

当从撤防状态转换为布防状态时，所有传感器和探测器都需要从休眠状态转换为工作状态，以烟雾传感器为例，网关节点设置烟雾传感器开始工作，指令如表1所示。

网关节点的地址是0000000000，烟雾传感器分配的节点地址是000000000，则网关节点设置地址为0000000003的烟雾传感器开始工作。

表1 设置烟雾传感器开始工作指令表

2.3.2 网关节点与手机端通信协议

网关节点与手机端通信采用Socket传输机制，协议报文的组建为:帧头1B、上下行标志1B、帧功能码1B、帧信息12B、帧尾1B。帧头为#;上下行标志用来标识帧的传输方向，发送方(网关)向接收方(手机)发送的命令帧为上行帧，用0xDD标识，下行帧用0xEE标识;帧功能码标识该帧信息与之关联的传感器、探测器或报警器模块;帧信息标识操作具体内容，如设置传感器工作时间;帧尾用0xAA表示。

具体帧功能码结构如表2所示。

表2 帧功能码与帧信息

帧信息的主要作用是开启或关闭各种传感器与探测器，而且可以设置工作时间或者关闭时间。帧信息工作时间格式为:“起始时间:关闭时间(统一转换为16进制数据)+打开/关闭状态数据”。其中立刻生效时间部分用全0表示，打开用0x00表示，关闭用0x01表示，比如手机设置门磁传感器关闭，帧协议为:#EE03000000000001AA。

2.4 Android手机客户端软件设计

2.4.1 手机客户端软件功能解析

手机客户端功能模块如图7所示。

图7 手机客户端功能模块图

布防/撤防切换，主要是从使用者舒适度的方面来考虑，不可能时刻处于布防状体，这样设备将可能频繁出现不必要的报警，且浪费资源。当住户在住宅内，一切在自己掌控之内时，可以采用撤防状态，因此布防与撤防的切换是家庭安防系统必备的功能。布防状态触发所有传感器和探测器从休眠状态切换到工作状态，撤防状态则让设备处于低功耗的休眠状态。

视频查看是为了更直观地监测住宅内实际情况，住宅内的视频监控没必要使用高清的模拟摄像头，用USB类型的数字摄像头即可，手机方便快捷地监测室内一举一动，是家庭安防系统的必备功能。

视频保存可以将当前视频保存在手机SD卡内，供历史查看。也可以设定监测时间段，将特定时间段内的视频保存在SD卡内，但考虑到手机内存有限，应当合理设置视频保存的时间。

系统设置主要是对传感器、探测器工作时间段设置，视频保存时间段设置，选择报警语音提示信息，日志记录保存时间段，报警电话号码设置，用户名和密码设置。

电话报警是直接给小区保安处电话报警或110报警。

日志记录的作用是记录每次报警的时间、报警信息等，以供历史查询。

2.4.2 手机客户端软件界面设计

手机客户端软件界面设计应尽可能简单美观，既要满足功能的基本需要，也要满足人性化设计需求。根据MVC原则，尽量降低界面设计与程序逻辑之间的耦合度，不考虑直接在功能代码中实现界面，而是采用.xml文件格式生成界面文件，功能文件则用.java文件来实现。

软件界面主要由主界面main.xml、系统设置systemset.xml、视频查看 videoview.xml、日志查看 logview.xml等界面构成。main.xml由手机家庭安防系统TextView、布防、撤防、电话报警等Button组成。主界面与子界面之间的跳转采用startActivity(intent)来完成。

2.4.3 SQLite 数据库模块设计

为了存储配置信息及报警日志记录，使用轻量级数据库 SQLite［10］创建数据库 securityhome.db，在 eclipse 的客户端软件工程中创建数据库文件Databaseutil.java，从database.sqlite基本类中封装一些功能类方便调用，database.sqlite主要类接口说明如表3所示。

表3 SQLite包中主要类/接口说明

根据需要，主要组建了类tabIsExist，用于判断数据库中是否存在指定的表项，类updataSecrityHomeInfo，用于更新数据库数据。

3 系统功能验证

连接硬件设备，确定传感器与探测器处于正常工作状态，可以参考传感器指示灯及串口打印信息，同时打开网关设备，用串口调试助手查看ZigBee网络是否组建完成，ZigBee网络组建成功后，串口打印出提示信息，并且可以查看每个节点分配的地址。

当所有设备都开始工作，且网络畅通的情况下，打开手机客户端软件。主页面显示如图8所示，包括布防撤防状态切换，电话报警选择，视频查看与视频存储功能选项，系统设置所有探测器和传感器的布防撤防时间，报警声音和震动提示，以及视频存储和图像存储的SD卡路径。日志记录按钮可以查看当前日志信息，日志包括客户端软件的登录日志和退出日志，电话报警日志，报警信息日志记录。所有日志信息均保存在securityhome.db数据库中。既可以在客户端软件查看，也可以将数据库文件导入计算机进行查看并存储备份。