远程在线家居安防监控系统的设计与实现

程琪戬 王桂兰 周明亮

（长江工程职业技术学院，湖北 武汉 430000）

目前，物联网技术在家居安防监控系统的应用方面还有待研究，研究一种集远程监控、智能控制、安全管理于一体的智能家居安全监控系统势在必行。目前，用于设计无线传感器网络的主流网络协议有Bluetooth、Zigbee和UWB等[1]，Zigbee网络主要应用在智能家居、家庭护理、安全系统和工业监控等领域[2]，本文采用Zigbee技术作为无线传感器网络。通过无线通信方式形成一个自组织的家居网络系统，通过感知、采集和处理网络覆盖家居生活中的各种数据，并发送给协调器。协调器与云平台之间经过无线通信进行数据交换，云平台最终通过应用终端实现家居信息显示和控制。根据智能家居的各种应用场景，结合物联网、无线通信技术，提出了一种远程在线家居安防监控系统，在此基础上研究了远程在线家居安防监控系统的实现方案。通过该方案实现了集远程监控、智能控制、安全管理于一体的智能家居安全监控功能，为家庭住宅环境的安全提供了高效的管理方式，进一步提高了人们的生活质量。

1 远程在线安防监控系统总体设计

本系统按照现有家居安全防护功能进行划分，将系统设计为安防子系统、视频监控子系统、智能控制子系统三大部分[3]。整个系统通过无线物联网进行通信，三大子系统构成无线传感网络，收集信息，再利用智能主机将信息传送到无线终端。系统总体设计方案如图1所示。

图1 系统总体设计方案

安防子系统：集成安防类传感器采集相应的安全防护相关物理量，通过Zigbee网络传送到Zigbee协调器。协调器上集成智能网关构成智能主机，将数据通过云平台转发到无线终端。

视频监控子系统：将智能锁、门铃以及摄像头与Zigbee连接，通过同样的方式将信息发送到手机客户端供用户查看。应用端能通过下发指令、开锁或查看视频监控。

智能控制子系统：集成智能门窗、照明、家电等执行设备与Zigbee连接，可以通过同样的方式接收应用端的信息，执行相应的操作。

各个Zigbee终端集成独立的MCU和Zigbee天线，构成简单的智能化终端，可以支持完成底层智能控制，支持多接口扩展。

系统网络架构包括终端应用层、无线网关层、WSN网络层、数据感知层[4]。

系统网络架构如图2所示。

图2 系统网络架构

2 远程在线安防监控系统的实现

本系统结构采用智能主机对整体协调部分进行统一控制，各大子系统对相应的分支部分进行单独控制。智能主机的功能主要包括远程监控部分、物联网通信部分、各子系统间协调控制部分。安防子系统功能负责家居环境的监测，智能化控制断水断电，将必要信息传到应用端及时提醒用户；视频监控子系统负责家居情况实时在线监测，用户随时调用摄像头；智能控制子系统负责智能照明控制、智能家电控制、智能窗帘控制、智能安防设备控制。各个模块相互独立，某个模块出现故障不影响其他模块运行。

2.1 远程在线安防监控系统的硬件设计

Zigbee终端与智能主机的硬件结构如图3所示。

图3 Zigbee终端与智能主机的硬件结构

智能主机由ARM、CC2530、RT5350等模块组成采用ARM作为主控模块管理数据收发，CC2530作为Zigbee网络中的协调器模块，RT5350作为网关模块转发数据。CC2530核心电路使用的8051CPU内核是一个单周期的8051兼容内核，有3个不同的存储器访问总线（SFR、DATA、CODE/XDATA），以单周期访问SFR、DATA以及主SRAM。网关基于Ralink RT5350，仅需要很少的外围器件就可以实现低成本2.4 GHz 802.11n无线产品。RT5350引入了Ralink的第二代802.11n无线技术，可以提供更大的覆盖范围和更高的无线吞吐量。使用远程模式时，手机通过无线互联网访问网关模块，网关模块将收发到的数据给主控模块进行数据处理。处理后的数据与Zigbee协调器进行交互，从而达到远程控制家居系统的目的。

2.2 远程在线安防监控系统的软件设计

2.2.1 终端应用层

终端应用层采用App应用。手机控制端主界面用于显示数据信息，通过若干个虚拟按键与图片实现对小灯的控制和气体状态的检测。主界面上可以显示温度、湿度、可燃气体状态、小灯的开关状态，提供了可以接入物联网的远程访问IP地址和局域网连接模式。

本设计选择Android2.3.3版本操作系统，以IBM公司的Eclipse为平台[5]。使用AVD在电脑上模拟一个虚拟的手机设备，通过Java应用类设置相应的硬件配置，以选择开发的版本、设备的屏幕尺寸大小等。通过Eclipse插件ADT创建一个Android控制端应用软件。

2.2.2 无线网关层

无线网关层采用RT5350网关作为二级路由远程访问Zigbee，RT5350网关连入家用路由器网络后分配到动态IP，通过配置RT5350网关把端口映射到这个IP，RT5350网关采用Linux操作系统，在该操作系统上运行管理系统的软件ser2net实现转发功能[6]。移动端只要能够连接互联网，就可以通过研发的手机端应用App将相应指令发往指定IP地址（RT5350网关分配到的动态IP地址）完成对Zigbee网络的控制。

添加ser2net应用程序：进入OpenWrt系统源码，运行“make menuconfig”命令进行配置。

配置WiFi串口：WiFi串口由两部分组成，一部分是网络编程器的TCP服务器，用于接收客户端通过WiFi传来的数据；另一部分是串口，用于将TCP服务器收到的数据通过串口发送出去。TCP服务器需要设置IP地址和端口号，串口需要设置波特率等参数。通过修改ser2net.conf配置文件，可以实现参数的配置。

2.2.3 WSN网络层

WSN网络层软件开发是基于TI提供的Z-Stack协议栈，在Z-Stack协议栈的基础上开发了应用程序。处理各类传感器收到的信号，进行无线转发；接收各类无线控制信号，处理后控制相应的执行器动作。接在Zigbee终端上的传感器程序编写通常作为Z-Stack协议栈中的子程序进行编写。

传感器子程序工作流程如图4所示。

图4 传感器子程序工作流程

3 远程在线安防监控系统的测试

3.1 试验内容

测试手机端远程控制小灯的点亮；测试电脑端远程控制小灯的点亮；可燃气体探测器、温度、湿度传感器读取；可燃气体探测器、温度、湿度传感器数据上传到电脑端；可燃气体探测器、温度、湿度传感器数据上传到手机端。

3.2 试验方法

将终端节点连接可燃气体探测器、温度、湿度等传感器及继电器；打开Zigbee协调器和Zigbee终端中的Zigbee网络；让Zigbee自组网，观察组网成功后刷新应用端，查看数据是否已上传、手机和电脑访问无线互联网测试是否可以控制物联网家居。

3.3 试验结果

应用端测试效果如图5所示。

图5 应用端测试效果

通过Zigbee组网后，终端节点连接可燃气体探测器、温度、湿度传感器以及继电器，将数据上传到协调器，协调器通过网关上传到无线互联网，手机和电脑端可以远程控制物联网家居。

4 结语

本文根据智能家居的各种应用场景，结合物联网、无线通信技术提出了一种远程在线家居安防监控系统，在此基础上研究了远程在线家居安防监控系统的实现方案。该方案功耗低，在待机模式下，两节普通5号电池可使用6～24个月；可扩展性强，理论上网络可以容纳65 000个设备；时延短，一般为15～30 ms；安全性好，Zigbee本身采用AES-128加密算法；使用2.4 G全向天线，空旷直视传输距离可达300 m。通过该方案实现了集远程监控、智能控制、安全管理于一体的智能家居安全监控，为家庭住宅环境的安全提供了高效的管理方式。