王榆

摘要：由于社會技術(shù)的不斷發(fā)展和人們生活水平的日益提高，人們對家庭安防系統(tǒng)的要求也越來越高。本論述結(jié)合國內(nèi)外家庭安防系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r以及傳統(tǒng)的家庭安防系統(tǒng)的特點，提出了一種基于 ARM 和 ZigBee 的無線家庭安防系統(tǒng)的設(shè)計方法?；谝苿又悄芷脚_的遠(yuǎn)程監(jiān)控終端如手機、平板電腦等，使得其不僅僅是簡單意義上的監(jiān)控顯示終端，也可以替代原有的專一的、非智能的嵌入式設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。通過比較幾種常用的短距離無線通信技術(shù)，如紅外通信技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、IEEE802.11X技術(shù)、ZigBee 技術(shù)等，綜合考慮到無線網(wǎng)絡(luò)要便于用戶管理與升級，網(wǎng)絡(luò)成本低、功耗低等因素，最終使用 ZigBee 技術(shù)來實現(xiàn)家居安防系統(tǒng)中家庭無線網(wǎng)絡(luò)的組建。因此本論述采用移動網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)與 ZigBee 技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)對家居環(huán)境的實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程調(diào)控，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性。

關(guān)鍵詞：安防系統(tǒng);移動智能平臺;ZigBee 技術(shù)

中圖分類號：U24???????????????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在傳統(tǒng)家庭安防系統(tǒng)中，我們比較常見的大多都是采用有線組網(wǎng)方法，整體布線相對比較繁瑣，而且系統(tǒng)維護、系統(tǒng)升級實現(xiàn)難度比較大，整體實現(xiàn)成本也很高。但是隨著電子信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)、軟件開發(fā)等技術(shù)的快速發(fā)展，安防系統(tǒng)的功能也在不斷地完善升級中。隨著整個移動網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，除了在實時監(jiān)控方面，對于智能安防的遠(yuǎn)程調(diào)控方面也帶來了極大的便利。移動網(wǎng)絡(luò)有著傳輸距離遠(yuǎn)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高以及具有普遍性等優(yōu)點，因此作為智能安防遠(yuǎn)程調(diào)控的首選網(wǎng)絡(luò)方法?，F(xiàn)有的手機、平板電腦等移動智能設(shè)備也可以提供很多種通信方式，極大地提高了遠(yuǎn)程監(jiān)控的效率。與此同時，移動智能設(shè)備有著智能操作系統(tǒng)的大力支持，使得我們并不需要再額外開發(fā)移動終端設(shè)備及系統(tǒng)，大大的降低了整個智能安防系統(tǒng)移動終端及軟件開發(fā)的成本，從而有利于智能安防系統(tǒng)的推廣。隨著 ZigBee 無線技術(shù)的出現(xiàn)，在整個家庭網(wǎng)絡(luò)的組建過程中發(fā)揮著很大的作用。

本論述采用移動網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)與 ZigBee 技術(shù)的結(jié)合，整個系統(tǒng)采用 ARM 結(jié)合linux嵌入式系統(tǒng)作為系統(tǒng)的控制中心[1 ]，通過 ARM 結(jié)合相關(guān)技術(shù)可進行多種任務(wù)的處理，例如可以通過通信移動網(wǎng)絡(luò)模塊對手機進行報警，通過互聯(lián)網(wǎng)部分實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控等，從而實現(xiàn)對家居環(huán)境的實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程調(diào)控，同時也保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖1 所示，整個家庭安防系統(tǒng)主要由智能家居系統(tǒng)（移動終端）、中心協(xié)調(diào)器、傳感器和控制器節(jié)點、攝像機構(gòu)成。移動終端部分如手機、平板電腦等可以用來實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理功能，以及對異常事件做出反應(yīng)并處理異常的功能。中心協(xié)調(diào)器主要是采用 ARM 架構(gòu)的 S3C2440為處理器的嵌入式系統(tǒng)作為控制中心，通過該控制中心可同時處理多種任務(wù)。傳感器和控制器節(jié)點這兩大部分主要是進行數(shù)據(jù)的感應(yīng)和采集，并且對采集的數(shù)據(jù)信息進行反饋和控制。攝像機部分是由 USB 驅(qū)動來實現(xiàn)視頻采集和拍照的功能。

其中中心協(xié)調(diào)器是整個系統(tǒng)的核心，起著信息管理和網(wǎng)關(guān)的雙重作用，它可由高性能處理器搭建，配備 ZigBee，WiFi，Gmac等功能，其中WiFi用于近距離與移動終端設(shè)備的通信，Gmac可用于與移動終端進行遠(yuǎn)程通信[3]。該平臺為用戶提供了非常多的通信、調(diào)試、顯示以及輸入輸出接口。移動終端與中心協(xié)調(diào)器的通信方法主要是在無線局域網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)，通過 Socket 編程實現(xiàn)服務(wù)器（中心協(xié)調(diào)器）與客戶端（移動終端）的無線通信。中心協(xié)調(diào)器與傳感器之間的通訊過程使用的是 ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)的方法。同時中心協(xié)調(diào)器采用攝像頭通過 USB 接口與終端機連接，完成視頻圖像的獲取與采集，從而實現(xiàn)可視化功能。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 主控電路模塊設(shè)計

ARM 開發(fā)板是整個系統(tǒng)的核心，本設(shè)計采用 S3C2440芯片，其具有16KB數(shù)據(jù)緩存，3通道 UART ，1 個 USB 設(shè)備和2個 USB 主機。通過電源電路為處理器提供電壓，以保證系統(tǒng)正常運行;通過晶振電路外部振蕩器提供時鐘;通過 JTAG 進行系統(tǒng)程序的調(diào)試編寫;通過串口實現(xiàn)與協(xié)調(diào)器之間的通信;通過蜂鳴器實現(xiàn)報警功能。

2.2 傳感器模塊設(shè)計

在家庭安防系統(tǒng)中，需要采用各種傳感器對家庭環(huán)境進行檢測。傳感器的工作原理相對簡單，而且成本比較低，在本設(shè)計中起到良好的效果。比如 MQ-2對煙霧非常敏感，所以采用煙霧傳感器 MQ-2和溫度傳感器 DS18B20獲知空氣中的煙霧濃度以及實時溫度，如果出現(xiàn)超過限定值，則采取報警以及一定的補救措施，從而達(dá)到預(yù)防火災(zāi)的效果;采用紅外傳感器檢測是否有人員進入，如果有人進入，傳感器會將采集的信息發(fā)送到控制端，從而達(dá)到預(yù)防入室盜竊的效果;采用煤氣傳感器感 MQ-5感知煤氣是否泄漏，如果 CO 濃度超標(biāo)，則也會發(fā)出報警信息至控制端等。

2.3 ZigBee模塊設(shè)計

從上述的總體方案中可看出：設(shè)計整個安防系統(tǒng)主要由兩部分組成。一個是由 ARM 開發(fā)板和 USB 攝像頭共同構(gòu)成的主控部分;二是由 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)及傳感器和控制器節(jié)點共同構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)部分。通過分析，整個系統(tǒng)至少要求兩塊 ZigBee 模塊，即用 ZigBee 終端節(jié)點和 ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點進行點對點的通信。17718A3D-4362-4515-AA4D-D5A3F39A9C8B

2.4 圖像采集模塊設(shè)計

在本設(shè)計中，考慮到成本因素，選用普通的 CMOS 攝像頭進行圖像獲取。采用 USB 接口將攝像頭與 ARM 板相連接，將采集的圖像保存在開發(fā)板后在顯示屏進行顯示。一方面實現(xiàn)圖像采集與顯示的目的，另一方面，在滿足系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上，提高系統(tǒng)的性價比。

3 系統(tǒng)之間的通訊設(shè)計

3.1 移動終端與中心協(xié)調(diào)器的通信

基于 TCP/IP 協(xié)議的套接字通信，TCP/IP（Transmis? sion Control Protocol/Internet Protocol），即傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議，它能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上不同類型操作系統(tǒng)的計算機相互通信。套接字為通信的端點，是整個網(wǎng)絡(luò)通信的基石，也是支持 TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)通信的基本構(gòu)件。Socket 是用于 TCP/IP 協(xié)議簇與應(yīng)用層之間通訊的中間抽象層，Socket 是一組接口，每個套接字的組成部分都是一個 IP 地址和一個端口號。Socket 通信的過程中，用戶不需要關(guān)心協(xié)議的實現(xiàn)，而是以一種門面模式，將復(fù)雜的TCP/IP 協(xié)議簇的內(nèi)容隱藏在套接字接口背后，從而只使用 Socket 能夠提供的相應(yīng)的接口即可以實現(xiàn)。也就是說，可以把它看作是不同主機之間的進程進行雙向通信的端點，通信雙方通過用套接字中的相關(guān)函數(shù)來完成通信過程的一中約定過程。

3.2 移動終端與服務(wù)器端基于TCP/IP協(xié)議的Socket 通訊

在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的過程中，通常需要設(shè)計兩個模塊，一個用于表示客戶端，另一個用于表示服務(wù)器，服務(wù)器主要用來實現(xiàn)接收客戶端的連接請求，工作過程中向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，并能夠接收客戶端數(shù)據(jù)等。

3.2.1?? 在服務(wù)器端（中心協(xié)調(diào)器）

首先服務(wù)器需要進行啟動，完成服務(wù)器初始化;然后調(diào)用 socket（）來創(chuàng)建套接字;接著調(diào)用 bind（）來指定服務(wù)器 socket 地址，如果端口被占用，則說明 bind 失敗;再調(diào)用 listen（）讓服務(wù)器做好偵聽準(zhǔn)備，為之后的 accept（）做好準(zhǔn)備，同時并規(guī)定好請求隊列的長度，這時服務(wù)器進入阻塞狀態(tài)，從而等待客戶的連接請求;最后通過 accept（ ）來接收連接請求，從而獲得客戶的 socket 地址，等待客戶端連接。服務(wù)器收到消息，會給客戶端發(fā)送一個確認(rèn)應(yīng)答的同時發(fā)送一個請求，表示同意建立連接。

3.2.2? 在客戶端（移動終端）

客戶首先要創(chuàng)建套接字并指定客戶 socket 地址，然后就調(diào)用 connect（）和服務(wù)器之間建立連接，向服務(wù)器發(fā)起連接請求，connect（）會發(fā)送一個請求并阻塞等待服務(wù)器應(yīng)答。連接的過程中，如果連接建立成功，在同一連接、同一時刻，通信雙方可同時寫數(shù)據(jù)（全雙工），客戶端和服務(wù)器之間就可以通過調(diào)用 read（）和 write（） 兩個函數(shù)進行接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，這個過程也可用send（） 和recv（）函數(shù)來實現(xiàn)，一旦數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，服務(wù)器和客戶立即通過調(diào)用 close（）來關(guān)閉套接字。

TCP 套接字連接流程如圖2所示。

3.3 中心協(xié)調(diào)器與傳感器和控制器節(jié)點之間的通信

3.3.1?? ZigBee 模塊的優(yōu)點

現(xiàn)在的設(shè)計觀念與傳統(tǒng)的智能家居相比有很多的優(yōu)點，比如 ZigBee 模塊的安全性好;功耗比較低，所以在很多傳感器同時使用普通電池供電的情況下，工作時間可長達(dá)一年以上;還方便管理、查找和及時感知信息，及時控制系統(tǒng)，還可云端無縫鏈接;除此之外，Zig? Bee 模塊的系統(tǒng)兼容性強，采用國際通用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可伸縮，也可以兼容其它品牌的設(shè)備，并且隨時可以擴容擴展[6]。因此 ZigBee 無線技術(shù)在安全監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控等領(lǐng)域的無線技術(shù)中都得到了廣泛應(yīng)用，所以這也是本系統(tǒng)采用 ZigBee無線技術(shù)進行家庭無線網(wǎng)絡(luò)的組建方法的原因。

3.3.2?? ZigBee 無線通信模塊

ZigBee 無線通信模塊也是主要包括電源電路、調(diào)試接口電路、串口電路等外圍電路部分。其中串口電路的主要功能是用于與 ARM 開發(fā)板相連接，進行數(shù)據(jù)信息的傳輸工作。調(diào)試接口電路可實現(xiàn)模塊程序的下載與調(diào)試，有助于我們及時觀察模塊的工作及運行情況，并及時進行反饋處理。

4 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

4.1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的組建

4.1.1?? ZigBee 協(xié)議棧

ZigBee 技術(shù)的協(xié)議棧是一系列的通信標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)這樣的標(biāo)準(zhǔn)，通信雙方要根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)進行正常的通信，主要是進行數(shù)據(jù)發(fā)射和接收工作。協(xié)議棧實際上就是協(xié)議的一種具體實現(xiàn)形式，用通俗的語言來說，協(xié)議棧就是協(xié)議與用戶二者之間的一個接口，我們在開發(fā)的發(fā)過程中，主要通過使用協(xié)議棧來使用這個協(xié)議，從而完成無線數(shù)據(jù)收發(fā)。Zigbee 協(xié)議棧的任務(wù)就是就是將各個層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式進行實現(xiàn)，并給用戶提供 API 應(yīng)用層，這樣用戶可以直接調(diào)用。

4.1.2? 建立 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)

在本系統(tǒng)中，主要采用 S3C2440芯片將 ZigBee 無線傳感器進行控制，并且采用 S3C2440芯片作為數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點的核心控制模塊。在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)過程中，主要通過函數(shù)模塊實現(xiàn)對應(yīng)的功能。建立網(wǎng)絡(luò)的方法只有通過協(xié)調(diào)器設(shè)備進行實現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)建立過程中，所有的實現(xiàn)過程都是通過函數(shù)實現(xiàn)的。ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)的組建，其軟件實現(xiàn)的主要過程主要是在 Zig? Bee 協(xié)議棧上完成，然后根據(jù)不同的設(shè)計需求，再添加不同的函數(shù)，從而來完成既定功能的設(shè)計。

協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)的流程是首先進入系統(tǒng)初始化，通過應(yīng)用層調(diào)用函數(shù)，從而進入執(zhí)行事件，通過網(wǎng)絡(luò)初始化函數(shù)對事件進行啟動、處理，最終建立網(wǎng)絡(luò)并啟動網(wǎng)絡(luò)。而終端節(jié)點與與協(xié)調(diào)器二者建立網(wǎng)絡(luò)的方法是不相同的，終端節(jié)點的主要功能是通過實現(xiàn)搜索附近網(wǎng)絡(luò)，從而加入網(wǎng)絡(luò)，整個終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的具體流程為初始化設(shè)備后，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)初始化事件，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)消息，則申請加入網(wǎng)絡(luò)請求，如果傳感器收到加入確認(rèn)，此時在終端節(jié)點更新最新的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。17718A3D-4362-4515-AA4D-D5A3F39A9C8B

4.2 控制傳輸系統(tǒng)軟件設(shè)計

在實現(xiàn)的過程中，需要在 ARM 板上運行嵌入式系統(tǒng)，需要搭建編譯環(huán)境。首先需要 Windows 下安裝虛擬機，然后在虛擬機下根據(jù)安裝步驟安裝嵌入式操作系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，完成 Bootloader 的移植、嵌入式內(nèi)核的移植、Qt 移植以及制作根文件系統(tǒng)。

4.3 控制系統(tǒng)主程序軟件設(shè)計

在主程序的實現(xiàn)過程中，主要是通過調(diào)用子程序的模塊化函數(shù)實現(xiàn)的，首先通過 open（）函數(shù)打開設(shè)備文件，然后通過set_opt（）函數(shù)對串口進行設(shè)置，再開發(fā)板獲取串口的數(shù)據(jù)后，判斷是否有效，如需要進行報警，則通過 switch （）函數(shù)進行相關(guān)操作。圖像信息通過 IOCTL 接口對攝像頭進行相關(guān)操作，首先打開設(shè)備文件，采用對 USB 攝像頭進行初始化，使用ioctl（）函數(shù)獲取圖像信息并進行保存，最后再關(guān)閉設(shè)備。

5 結(jié)束語

本次設(shè)計主要是基于 ZigBee 技術(shù)和移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的家庭安防系統(tǒng)。在實施的過程中，將移動網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)與 ZigBee 技術(shù)的結(jié)合，通過 ARM 進行多種任務(wù)的處理，通過網(wǎng)絡(luò)部分實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控等，從而實現(xiàn)對家居環(huán)境的實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程調(diào)控。ZigBee 技術(shù)以其低成本、低功耗、低速率、低復(fù)雜度等優(yōu)點，在整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)過程中，完成了中心協(xié)調(diào)器與傳感器和控制器節(jié)點的通訊。移動終端設(shè)備也有著普遍性和成本低的特點，通過 TCP/IP 協(xié)議的 Socket 通訊來實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和圖像采集工作。但本論述還有不足之處，只是針對通信方式做了簡單基礎(chǔ)的介紹，在后續(xù)的學(xué)習(xí)中，還需在系統(tǒng)的功能、抗干擾能力、攝像頭顯示清晰度等技術(shù)方面做更深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1 ]? 李賢紅. 安防報警系統(tǒng)與門禁系統(tǒng)的集成方案[J]. 中國安防，2011（6）：92-94.

[2 ]? 胡瑋. 基于 ARM9和 ZigBee 嵌入式無線家庭安防系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010（30）：268-291，295.

[3]? 禇欣媛. 基于 ZigBee 的智能家居安防系統(tǒng)[J]. 科技信息，2014（13）：157.

[4 ]? 李宏楷. 智能安防系統(tǒng)移動終端設(shè)計[D ]. 廣州：華南理工大學(xué)，2014.

[5]? 潘曉貝. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居家庭安防系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2018，17（3）：127-132.

[6]? 盛盟. 基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭安防系統(tǒng)設(shè)計[J]. 信息記錄材料，2020，21（ 2）：205-206.17718A3D-4362-4515-AA4D-D5A3F39A9C8B