基于物联网的家居安防系统设计.pdf

?收稿日期:2010-04-13。?基金项目:哈尔滨理工大学创新性实验基金资助项目(2009?0028)。?作者简介:杨广学(1956-),男,吉林德惠人,副教授,主要研究方向:数字信号处理、传感技术;?李凤娇(1985-),女,黑龙江哈尔滨人,硕士研究生,主要研究方向:物联网、嵌入式系统、计算机网络;?慕香永(1971-),男,黑龙江哈尔滨人,副教授,主要研究方向:计算机控制;余腾伟(1981-),女,四川彭州人,博士研究生,主要研究方向:汽车电子。文章编号:1001-9081(2010)S2-0300-03基于物联网的家居安防系统设计杨广学,李凤娇,慕香永,余腾伟(哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院,哈尔滨 150040)(yanggx )摘?要:针对传统家居安防系统存在布线困难、建设及维护费用高昂、接收报警信息不及时等问题,提出一种基于物联网实现家居安防系统的设计方案。系统采用嵌入式 AR M 9处理器 S3C2440A 为系统主控制器,负责接收并处理工作在 2.4GHz IS M 频段 nRF24L01射频芯片所传送的报警信息,并通过对象名解析服务器查阅报警信息服务器。使用 socket套接字实现报警信息的网络传输,最终达到及时报警,远程终端实时监测家居安全情况的目的。实验测试表明,系统取得预期效果。关键词:物联网;安防系统;嵌入式;对象名解析服务器;套接字中图分类号:TP393?文献标志码:ADesign of security and defense system for home based on Internet of thingsYANG Guang?xue,LI Feng?jiao,MU Xiang?yong,YU Teng?wei(College of Electrical and Electronic Engineering,Harbin University of Science and Technology,H arbinH eilongjiang 150040,China)Abstract:A i m ing at the defects of the traditional security and defense system,such as wiring difficulties,highconstruction and maintenance expense,delay of receiving alar minformation,a sche me based on Internet of things wasproposed.EmbeddedARM 9 S3C2440A m icrocontrollerwas e mployed as syste m masterCPU,which perfor ms as receiving andprocessing the transm ission alar m infor mation ofRF chip working at 2.4GH z ISM band and searching the alarm infor mationserver by ObjectName Service(ONS).A lar m infor mationwas transm itted on Internet in ti me by using socket,and the re moteterminalw ill real?ti me monitor the ho me security situation.The experi ment results indicate that the syste m achieves expectedeffects.Keywords:Internet of things;security and defense syste m;e mbedded;ObjectN a me Service(ONS);socket0?引言随着经济的发展,人们对家庭生命财产安全越来越重视。传统意义上采用电话线、电缆等有线方式的家居报警装置受到架线环境、传输距离等条件限制,并且投资成本大、维护费用高,已经远远不能满足市场和大众对安防系统的要求。同时,由于采用 GSM 网络无线报警系统存在接收终端可靠性差、报警内容不够详尽、报警不及时等问题,因此基于物联网的家居安防系统应运而生,可以解决上述问题。物联网是实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种新型网络,主要由电子标签码(Electronic Product Code,EPC)、射频识别系统、主控制器、ONS对象名解析服务器、P ML(PhysicalM arkup Language)信息服务器组成 1-2。将物联网与家居安防系统相结合,突破了监测系统在地域、环境、时间上的限制,真正实现了分散布点、集中监控,具有可靠性高、搭建与维护费用低廉、设置监测终端容易等优势,是未来家居安防系统的研究和发展方向。1?系统整体结构设计系统的核心部分是家居安防系统的主控制器。本设计中采用嵌入式微处理器作为主控制器,它以射频通信的方式接收报警信息,并采用 TCP/IP网络协议将信息发布到互联网上,使远程监测端能及时监测家居安全情况。针对家居安防系统中的火灾、煤气泄露、非法入室等主要处理信息,系统将分配了 EPC码的电子标签部署在容易出现这些安全隐患的区域,称之为监测防区。远程监测端可以设置在小区保安室、消防局、公安局、家居主人办公室,以供随时查阅家居安全状况,及时处理突发事件。系统整体结构设计如图 1所示。图 1?系统整体结构2?系统硬件设计2.1?主控制器选择系统核心 M CU 采用三星公司推出的 32位 RISC微处理器 S3C2440A,负责处理射频收发数据,并将报警信息通过网络传送到远程监测端。S3C2440A 采用了 AR M 920T的内核,加强的 ARM 体系结构 MMU用于支持 W inCE操作系统,拥有130个通用 I/O 口,具有 DMA、UART、SPI、USB、P WM 以及ADC和触摸屏接口,丰富的硬件资源为与射频模块的连接以及外部硬件的扩展提供了方便。S3C2440A 内嵌 DM9000 网卡芯片,无需外部扩展,自适应 10/100M bps网络,RJ45连接头包含了耦合线圈,使用普通的网线即可连接路由器或者交换机。2.2?防区电子标签监测防区电子标签主要由防区传感器、现场报警装置、电源模块、MCU 和射频模块五部分组成。电源模块负责提供单片机工作电压,同时充当备用电源。单片机作为防区 MCU,第 30卷增刊 22010年 12月?计算机应用Journal ofComputerApplications?Vo.l 30 Supp.l 2Dec.2010负责实时采集传感器监测信息,有异常状况时,单片机启动射频模块工作,同时命令现场报警装置报警。监测防区结构如图 2所示。图 2?防区电子标签结构2.2.1?防区 MCU选择电子标签的设计过程中,MCU 的选择是关键性问题。M CU 主要负责控制传感器数据采集,存储报警信息 EPC码,启动射频模块工作,命令现场报警装置报警。处于电子标签对成本低、体积小、处理速度快、性能好等要求的考虑,本系统防区 MCU 选用工作在 2.2 3.6V低功耗 STC12LE5A60S2型单片机,增强型 8051内核,速度比普通 8051单片机快 8 12倍,8路 10位高速 ADC,60 KB片内 Flash,擦写次数 10万以上,便于 EPC码的分配与存储,小型 LQFP?48引脚封装包含多达 44个通用 I/O 口,与传感器、射频模块电路连接简单。2.2.2?防区传感器防区传感器的设计与选择在很大程度上决定了系统的可靠性。为了降低系统误报率,提高整个系统稳定性,本系统在设计时,同一监测防区采用原理互补的多个传感器同时进行监测。系统中所用传感器均为开关量传感器,当监测参数超过设定的安全阈值时,传感器与单片机相连的引脚上就会有高低电平的变化,只有当同一监测防区内与单片机相连的每个传感器都有引脚的变化,逻辑关系有效时,单片机才认为此次报警有效 3。在门窗处安置 KP506B 红外传感器和 GH?423微波传感器组成的双鉴传感器以监测是否有非法入室情况。在卧室、客厅安置 S801光电感烟探测器、DS18B20温度传感器以及 CO 气体探测器,监测火灾情况 4。在厨房处安置 MQ?5天然气体传感器监测天然气是否泄露。2.2.3?射频模块设计无线射频模块采用工作在 2.4GHz ISM 频段 nRF24L01芯片,工作电压为 1.9 3.6V低功耗,通过 SPI总线与 MCU相连。具有 126个频道,满足多点通信和跳频通信的需要,支持 CRC校验,能够提供高达 2M bps的传输速率,可以工作在有较 强 干 扰、低 功 耗 的 场 合。nRF24L01 的EnhancedShockBurst模式具有自动应答和自动重传的功能,极大地减少了丢包率,增加了传输可靠性。实验测试证明,当有门、窗、墙等障碍物阻挡时,无线射频通信范围在 50 80m,适用于小型居民区。如需更大通信范围,可适当增加功率放大装置。3?系统软件实现3.1?防区 EPC码为了降低电子标签成本,AUTO?ID中心要求最大限度地降低标签中嵌入的信息量,将 EPC码看做是信息数据的?指针,指向用来存储详细信息的服务器。EPC码是新一代与EAN/UCC编码兼容的新编码标准,通用结构是一个比特串,由一个分层次、可变长度的标头以及一系列数字字段组成,码的总长、结构和功能完全由标头的值决定5-6,标头有 2位和8位两种,去掉全 0的编码方式,分别有 3种和 63种编码形式,标签的长度可以通过标头来标识。EPC码标签长度可以是 64位或 96位,标头编码方式与标签长度对应关系如表 1所示 7。本系统为每一个监测防区分配唯一 EPC码,EPC码采用两位标头 01,共 64位编码方式,足以满足对亿万监测防区报警信息的标识。表 1?标头与标签编码长度对应关系标头(二进制)标签长度/bit0164106411640011 0000960011 0001?0011 1111963.2?ONS服务器ONS服务器,又称之为对象名解析服务器,功能类似于DNS域名解析,它将 EPC码与相应报警信息进行匹配,具有分布式的系统架构。服务器解析之前,ONS解算器会将 EPC码转换成 EPC 域名,然后采用与 DNS相同的解析原理,向ONS服务器提交查询请求以获得所需信息服务器的网络地址,查阅相关报警信息8-9。解算器使用 GNU adns库执行DNS查阅。用 initialize_ons_resolver函数初始化解算器初始状态信息数据结构 ons_resolver_state,并调用 get_epc_do main_2函数对其状态进行初始化,计算出给定 EPC编码的 EPC域名。ONS解析前运算接口可以在 头文件里找到,函数可以在 ons库里找到。EPC域名由域前缀名和根域名组成,前缀名由 EPC编码经格式化字符串转换而得,根域名为 固定不变 10。系统中为火灾监测防区分 配 标 头 为01 的64 位EPC 码:0111100101110100111011001101001001110110111001100101011001010101,采用部分格式化字符串转换形式,设定格式化字符串为:4.1.44.1.3.33.4.3。字符串 30位,因此 EPC码后 34位被删除而形成一个 30位 EPC前缀码。按 EPC码转换 EPC域名规表 2?EPC码转换 EPC域名格式化字符串30位前缀码转换后前缀名311341100C31015311063100411141101D41001911141004则 11,转换过程如表 2所示。因此,EPC域前缀名为 4.1.D9.1.4.56.C.3,添加根域名得 到最终 EPC 域名:4.1.D9.1.4.56.C。3.3?P M L信息服务器为了降低成本,电子标签中只嵌入少量信息,大量详细的报警信息采用实体标识语言(PML)存储在 PML信息服务器中。P ML 实质上是一种 对信息区分的方法,可以以 SQL数据库、数据表、文件等任意格式存储在 服务器中。查 询P ML服务器流程如图 3所示,大致上可以分为 5个步骤:1)本地服务器将 EPC码提交给 ONS解算器进行解算,经解算器解算后 EPC码转化为 EPC域名。2)EPC域名向 ONS基础架构提交解析申请,经基础架构解析,获取 PML服务器 IP地址。3)将解析得到的 I P地址返回给本地服务器,本地服务器得知 IP网络地址,就可以查询到 P ML 服务器。4)本系统中详细报警信息采用文件的形式存储在 PML服务器中,文件内容包含报警信息类型、家居主人姓名、家庭住址、联系方式等详细信息。5)系统中火灾防区 EPC域名为 4.1.D9.1.4.56.C,经 ONS解析后得到 P ML服务器 IP地址:222.27.196.77。3.4?射频通信系统初始化时,将 nRF24L01射频芯片配置成 EnhancedShockBurstTM 模式,使其具有自动应答和自动重传的功能,极301增刊 2杨广学等:基于物联网的家居安防系统设计?大地减少丢包率。设置射频收、发模块同时工作在 2.4GH z信道、发射速率均为 1MHz、发射功率设为最大值 0dB、频道 0自动应答允许,设置相同的本地、接收地址:TX _ADDRESS TX_ADR_ W IDTH=0 x31,0 x43,0 x10,0 x10,0 x01,RX _ADDRESS RX _ADR _W I DTH =0 x31,0 x43,0 x10,0 x10,0 x01。图 3?查询 PML服务器流程示意图发送数据时,将接收端的地址和待发送的数据按 SPI总线时序送入 nRF24L01,配置 CONFI G 寄存器,使之进入发送模式。将 CE信号置高至少 10?s激发 nRF24L01进行发射。Enhanced ShockBurstTM 模式下的发射,会自动给射频数据加字头,加 CRC校验码打包,高速发射数据包。当接收到自动应答信号时,表示发射成功;否则,会自动重传数据,直到在规定时间内还未接到应答信号,则表示发射失败。接收数据时,首先配置本机地址和待接收的数据包大小,配置 CONFI G 寄存器,进入接送模式,将 CE置高 130?s,进入监视状态,等待数据包的到来,当接收到正确的数据包后,nRF24L01自动把字头、地址和 CRC校验位移去,同时,nRF24L01把 STATU 寄存器的 RX _DR置位,产生中断信号,通知微控制器,微控制器把数据从 N e wM sg_RF2401读出,所有数据读取完毕后,清除 STATUS寄存器,射频收发流程如图 4所示。图 4?无线射频 nRF24L01收发流程3.5?主控制器与互联网通信主控制器 S3C2440A 支持 W inCE操作系统,采用 socket端口套接字实现 TCP/IP协议网络数据的传输。Socket采用C/S通信机制,服务器端调用 socket函数创建一个 socket套接字,再使用 bind函数将套接字绑定到一个本地地址和端口上。调用 listen函数,处于监听状态。客户端发出连接请求,服务器接受(accept)后,返回新的套接字,建立连接。利用新套接字,调用 Send()、Recv()两个函数发送、接收数据,传送完毕,关闭(close)socket 12。套接字 C/S模式实现网络数据通信如图 5所示。系统是在 V isualStudio开发环境下,基于 MFC框架编程实现的。程序中添加 头文件,加载套接字库,进行版本协商。服务器端及客户端部分初始化代码如下:服务器端:m _socket=socket(AF_I NET,SOCK _STREAM,0);/创建基于 TCP/IP的套接字sockaddr_in addr Srv;/设置地址结构addrSrv.sin_family=AF_I NET;/设置 TCP/IP协议族addrSrv.sin_port=htons(9000);/端口号定义为 1024以上addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr=htonl(I NADDR_ANY);/设置为可接收任意地址图 5?Socket套接字 C/S模式通信客户端:采用与服务器端相同的地址族,但要给出请求连接的服务器端 IP地址:addrSrv.sin_addr.S_un.S_addr=inet_addr(222.27.196.103)。在接收数据时,数据没有到来,recv函数会阻塞整个进程,为避免导致整个程序暂停进行,程序中采用创建多线程的编程方式,将接收数据放到一个单独的线程中完成,这样等待接收数据的同时,不会阻碍其他线程的正常运行,创建线程代码如下:HANDLE hThread=CreateThread(NULL,0,RecvProc,(LPVOID)pRecvPara m,0,NULL)。其中 RecvProc为线程函数地址,pRecvPara m 是一个指向结构的指针,向线程函数传递参数。4?系统测试在实验室环境下模拟家居环境,监测 20位住户家居安全情况。将监测终端设置在 4个不同的实验室房间内,分别用来模拟消防局、公安局、小区保安室、家居主人办公室 4个监测端。远程监测端监测窗口如图 6(a)所示。07业主家居出现火警,4个监测端的监测窗口都可以查看到 07编号异常。点击按钮,弹出 报警 对话 框,同时 显示 用户 资料,如图 6(b)、(c)所示。窗口内显示家居主人姓名、家庭住址、联系方式及家居安全情况,提示火灾情况异常,相关部门将会电话通知户主并及时到达事发现场提供救助。5?结语本文提出了一种将物联网技术与家居安防系统相结合的设计方案,详细介绍了软、硬件的实现方案,并在实验室条件下模拟家居环境,搭建安防系统,经过测试,系统取得良好效果。物联网报警系统具有建设、维护费用低廉,可在线更新数据、软件升级容易等优点,且不受地域、环境等条件的限制,只要有网络的地方,就可以搭建报警系统,可以同时在多个远程终端查阅到报警信息,便于相关部门之间的协调、配合,有效开展救援工作。在网络飞速发展的今天,已经具备了建立物联网报警系统的必要条件,可以说物联网报警系统是适合未来家居安全防范系统要求的一种新型安防报警系统。(下转第 318页)?302?计算机应用2010年页质量会明显变好,当交换的 URL 到达一定数目时,基本保持不变。且本文的网页质量在 URL数量较低时要好于现有DW S,但随着 URL数目的增多,两者趋于相同。图 2?不同数目的 Spider覆盖率与重叠度关系图 3?网页质量与交换 URL 数目关系如图 4所示,纵轴表示表示通信开销(每一个网页中需要传输的平均 URL数目),可以看出,在随着交换 URL的增大,通信开销呈非线性增长,同时,在交换的 URL数目相同的情况下,Spider的数目越小其通信开销越大。这是因为在PageRank中,一个排名很高的 URL就是出现多次,在 URL交换中也只交换一次,因此可以显著地降低通信开销。4?结语Spider越来越多地用于搜索引擎和数据挖掘中来收集互联网数据。随着互联网的规模不断增大,越来越需要使用分布式 Spider来完成这一任务。通过实验获取的数据有力地证明了该设计能显著地改善现有 Spider在性能上的不足,并具有很大的灵活性和扩展能力。下一步的研究是探索网页更新对分布式 Spider运行带来的问题,以更好地改进 Spider对这种动态不定期变化的网页的处理能力。图 4?通信开销与交换 URL数目关系参考文献:1?BHARAT K,BRODER A,HENZI NGER M,et al.The connectivi?ty server:Fast access to linkage infor mation on the Web J.Com?puterN etworks and I SDN Systems,1998,30(1-7):469-477.2?LYMAN P,VAR I AN H R.How much infor mation school of infor?mation management and systems EB/OL.2010-01-10.ht?tp:/www2.si ms.berkeley.edu/research/projects/how?much?info/.3?DONG X Y,SU L T.Search engines on theW orldW ideW eb andinfor mation retrieval from the Internet:A review and evaluation J.Online and CDROM review,1997,21(2):67-81.4?CHO J,GARCI A?MOLI NA H,PAGE L.Efficient craw ling throughURL ordering J.Computer Net works and I SDN Systems,1998,30(1-7):161-172.5?BRI N S,PAGE L.The anatomy of a large?scale hypertextualW ebsearch engine J.Computer Net works and I SDN Systems,1998,30(1-7):107-117.6?BOLD IP,CODENOTTIB,SANTI N IM,etal.Ubicraw ler:A scal?able fully distributedW eb crawler J.Software?P ractice and Expe?rience,2004,34(8):711-726.(上接第 302页)图 6?远程监测端监测界面参考文献:1?王保云.物联网技术研究综述 J.电子测量与仪器学报,2009,23(12):1-7.2?李如年.基于 RFI D 技术的物联网研究 J.中国电子科学研究院学报,2009,4(6):594-597.3?崔芳杰.智能住宅安全防范系统的研究与设计 D.汕头:汕头大学,2005.4?郭新华,蒋艳,曹建霞.基于 ARM 9的火灾图像报警监控系统设计 J.计算机应用,2007,27(12):289-294.5?EPCg lobal tag data standards version 1.4 EB/OL.(2008-06-11)2010-02-01.http:/www.epcglobalinc.org/standards/tds/tds _ 1 _ 42standard220080611.pd.f6?刘志峰,张宏海,王建华,等.基于 RFI D技术的 EPC全球网络的构建 J.计算机应用,2005,25(12):14-19.7?周圆.基于物联网管理系统的 EPC规范研究 D.成都:西南交通大学,2007.8?EPCg lobalObjectName Service(ONS)1.0 S/OL.(2004-12)2010-02-18.http:/www.epcglobalinc.org/standards_tech?no logy/specifications.ht m.l9?郑方伟,周明天,佘堃.RFI D信息获取机制的分析与比较 J.计算机应用研究,2010,27(1):6-9.10?ARMEN IO F,BARTHEL H,BURSTEI N L,et al.The EPCglobalarchitecture framework(EPCglobal final version 1.2)EB/OL.(2007-09-10)2010-01-22.http:/www.epcg lobalinc.org/standards/architecture/architecture_1_22framework220070910.pd.f11?梁浩.基于物联网的 EPC接口技术架构 D.武汉:武汉理工大学,2006.12?朱卫东,王潜平,马海波.基于 ARM 9的嵌入式网络接口设计 J.微计算机信息,2007,23(26):160-161.318?计算机应用2010年