基于物联网和ZigBee的公寓安全智能管理系统设计

石家庄铁路职业技术学院电气工程系，河北石家庄 050041

一、引言

学生公寓的安全是学校顺利开展教育教学工作的基础和保障。很多学者对公寓安全的监测与管理进行了较为深入的研究[1-5]，但是大部分研究成果都只是实现了公寓安全监测与管理的部分功能，因此不能对学生公寓进行全方位的实时的安全保护。同时，由于公寓中房间比较多，监测系统的线路布线会非常复杂，进而导致系统的通信可靠性下降。

ZigBee无线传输技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。例如，张雄[6]采用ZigBee技术组建了一个家庭内部无线网络，整个系统主要由系统控制终端、家庭网关、系统终端节点三部分构成。系统控制终端是用户实现对智能家居系统进行操控的界面和平台，系统控制终端可以通过WIFI/Internet等方式向家庭网关发起连接实现远程控制。杨晓迪等[7]针对传统智能家居采用有线组建布线繁琐，增减设备需要重新布线，影响美观，且升级和维护均不方便的问题，将ZigBee无线通信技术及嵌入式ARM技术结合在一起，设计了一种既能利用PC机又能利用手持终端对家居进行控制的智能家居控制系统。

GPRS（General Packet Radio Service，GPRS） 技术是通用分组无线服务技术的简称，具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线等优点，支持TCP/IP协议，可以直接与Internet互通。例如，张成研等[8]设计了一种基于ZigBee无线传感器网络和GPRS技术的森林火灾监测系统，利用ZigBee无线传感器网络进行区域环境数据采集，CC2530与GTM900C组成远程数据传输模块，传输森林环境数据。耿红琴等[9]针对当前的大区域内火情监控以人工为主、实时性较差和报警存在延时等问题，设计并实现了一种基于嵌入式与GPRS技术的大区域火情监控系统，利用GPRS网络的大范围数据通信能力传递各种火情信息。

本文基于物联网设计了一种融合ZigBee与GPRS技术的公寓安全管理系统。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实时监测；利用STM32单片机设计安全控制器对传感器的数据进行分析和报警判断；利用ZigBee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，实现全方位的公寓安全监测、控制与管理。

二、系统原理框图

公寓安全智能管理系统框图如图1所示。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、控制器和ZigBee无线传输从机模块，传感器负责检测房间的安全信息，控制器将传感器的信息分析处理后由ZigBee无线传输从机模块发送到本楼层的ZigBee无线传输主机模块。网关协调器包括ZigBee总协调器、网关控制器和GPRS模块，总协调器除接收各个楼层的ZigBee无线传输主机模块的数据以外，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ZigBee总协调器数据处理后，将ZigBee和GPRS网络协议进行转换，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和数据收发请求，并且完成数据的接收、显示和存储。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。

三、系统下位机设计

1、数据采集终端设备

数据采集终端设备框图如图2所示，由单片机、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Cortex -M3内核，具有丰富的增强I/O端口和标准的通信接口。单片机和外围模块需要使用2个ADC通道、2个串行接口和若干普通I/O引脚。

火灾检测模块利用烟雾传感器检测空气中CO烟雾浓度并将其转化成线性电压或者电流信号，通过比较电路输出高低电平。火灾检测模块输出连接到单片机的普通I/O引脚，单片机判断I/O引脚的信号跳变可以识别是否有火灾发生，如果确认有火灾发生则通过继电器切断房间电源。

红外防盗模块利用红外热释电传感器检测是否有人进入房间，当检测到人体移动时改变输出电平。红外防盗模块输出连接到单片机的普通I/O引脚，单片机判断该I/O引脚的信号跳变可以识别是否有人进入房间，如果确认则进行声光报警。

ID卡识别模块用于读取用户的刷卡卡号，并将用户卡号通过串口传送给单片机，串口通信协议采用9600bps波特率、无奇偶校验、8位数据位、1位停止位。单片机将串口接收到的ID卡号与存储器中存储的所有正确卡号进行逐一比较，如果卡号正确则通过继电器控制电磁锁开门，如果是错误的卡号则进行报警提示。

大功率电器检测模块采集电网的电流和电压信号，经过信号调理后分别接到单片机内部的12位A/D转换器的不同通道，转换后的数字量经过计算可以得到房间供电的视在功率。一旦发现功率增加值超过程序设定的阈值则判定为有大功率电器使用，单片机立即通过供电控制模块切断电源以防止引起电气火灾，同时发出声音警告，间隔一定时间后自动恢复供电。

ZigBee无线传输模块与单片机通过串口连接，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。

2、基于ZigBee+ GPRS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、短距离无线连接等特点。利用ZigBee无线传输模块构建无线传感网络。将每个数据采集终端设备配置为路由器节点，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。

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，所有路由器可以收到，而路由器发的数据，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。

系统采用ATK-SIM900A GPRS模块实现报警信息的远程传输。该模块是一款尺寸紧凑的GSM/GPRS模块，采用SMT封装，基于STE的单芯片案，采用ARM926EJ-S架构，性能强大。网关控制器通过串口与GPRS模块进行接口，通信波特率为9600bps、无校验位、8位数据位和1位停止位。网关控制器通过串口发送与GPRS短信息功能有关的AT指令来控制GPRS模块实现数据通信。网关控制器将来自ZigBee总协调器数据处理后将其传送给GPRS模块，GPRS模块进行网络协议转换后将数据发送到远端的上位机监测中心。

3、下位机实物图

公寓安全管理系统下位机实物图如图3所示。图中左半部分是数据采集终端设备，主要包括读卡器、电流传感器、烟雾传感器、红外传感器、单片机控制板以及ZigBee路由器，负责完成房间的安全状态信息采集和报警判断。图中右半部分是ZigBee+GPRS网关控制器，主要包括ZigBee总协调器、SIM900A GPRS模块以及单片机控制板，负责收集汇总各个ZigBee路由器发出的报警信息，并将其进行GPRS网络协议转换发送到远端的上位机监测中心。

四、系统上位机界面开发

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。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。

五、系统测试

系统功能测试主要包括：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测试。为了方便测试，将数据采集终端设备、ZigBee+GPRS网关协调器和上位机服务器放在同一个房间，房间面积20m2，测试环境为室温常湿条件。测试前首先检查各接口连接状态是否正确，避免因短路等原因造成系统损坏。随后对系统加5V稳定直流电压，进行各个项目的单独测试试验，最后进行多个项目参数联合的测试试验。

ID卡识别模块测试：将读卡器安装于门外侧，ID卡识别与门禁控制板安装在室内；测试结果：ID卡识别反应时间1s，识别正确率100%。

火灾检测模块测试：在铁质容器内燃烧纸质物品产生烟雾，用以测试烟雾传感器输出电压变化；测试结果：火灾检测反应时间9s，识别正确率100%。

红外防盗模块测试：人体在房间内移动，测试红外热释电传感器输出电压变化；测试结果：红外检测反应时间3s，识别正确率100%。

大功率电器检测模块测试：利用白炽灯、电脑和电热水壶分时接入供电系统，测试单片机检测到的功率变化情况；测试结果：检测反应时间5s，识别正确率100%。

供电控制模块测试：利用按键触发单片机系统，测试继电器状态变化情况；测试结果：继电器动作反应时间1s，正确率100%。

无线传输模块测试：利用单片机系统通过串口发出报警信号，测试上位机是否收到正确数据；测试结果：通信时间5s，通信正确率100%。

最后将整个系统进行整体联合调试，在上位机图形界面应能正确接收与显示数据采集终端设备传送的各种危险行为信息，实现了报警功能。测试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。

六、结束语

本文设计了基于物联网和ZigBee+GPRS技术构建公寓安全监测、控制与管理系统，公寓房间内布设多种传感器，对房间的安全信息进行感知与实时监测。所有报警信息通过ZigBee+GPRS构建的无线传感网络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。