石家莊鐵路職業(yè)技術學院電氣工程系，河北石家莊 050041

一、引言

學生公寓的安全是學校順利開展教育教學工作的基礎和保障。很多學者對公寓安全的監(jiān)測與管理進行了較為深入的研究[1-5]，但是大部分研究成果都只是實現(xiàn)了公寓安全監(jiān)測與管理的部分功能，因此不能對學生公寓進行全方位的實時的安全保護。同時，由于公寓中房間比較多，監(jiān)測系統(tǒng)的線路布線會非常復雜，進而導致系統(tǒng)的通信可靠性下降。

ZigBee無線傳輸技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。例如，張雄[6]采用ZigBee技術組建了一個家庭內部無線網絡，整個系統(tǒng)主要由系統(tǒng)控制終端、家庭網關、系統(tǒng)終端節(jié)點三部分構成。系統(tǒng)控制終端是用戶實現(xiàn)對智能家居系統(tǒng)進行操控的界面和平臺，系統(tǒng)控制終端可以通過WIFI/Internet等方式向家庭網關發(fā)起連接實現(xiàn)遠程控制。楊曉迪等[7]針對傳統(tǒng)智能家居采用有線組建布線繁瑣，增減設備需要重新布線，影響美觀，且升級和維護均不方便的問題，將ZigBee無線通信技術及嵌入式ARM技術結合在一起，設計了一種既能利用PC機又能利用手持終端對家居進行控制的智能家居控制系統(tǒng)。

GPRS（General Packet Radio Service，GPRS） 技術是通用分組無線服務技術的簡稱，具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快、通信質量高、永遠在線等優(yōu)點，支持TCP/IP協(xié)議，可以直接與Internet互通。例如，張成研等[8]設計了一種基于ZigBee無線傳感器網絡和GPRS技術的森林火災監(jiān)測系統(tǒng)，利用ZigBee無線傳感器網絡進行區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)采集，CC2530與GTM900C組成遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊，傳輸森林環(huán)境數(shù)據(jù)。耿紅琴等[9]針對當前的大區(qū)域內火情監(jiān)控以人工為主、實時性較差和報警存在延時等問題，設計并實現(xiàn)了一種基于嵌入式與GPRS技術的大區(qū)域火情監(jiān)控系統(tǒng)，利用GPRS網絡的大范圍數(shù)據(jù)通信能力傳遞各種火情信息。

本文基于物聯(lián)網設計了一種融合ZigBee與GPRS技術的公寓安全管理系統(tǒng)。在公寓房間內安裝電流檢測、溫度檢測、煙霧檢測、紅外防盜檢測等多種傳感器，對房間的安全信息進行實時監(jiān)測；利用STM32單片機設計安全控制器對傳感器的數(shù)據(jù)進行分析和報警判斷；利用ZigBee無線傳感網絡和GPRS技術構建無線數(shù)據(jù)傳輸平臺，所有報警信息實時傳送到數(shù)據(jù)中心進行存儲與顯示，實現(xiàn)全方位的公寓安全監(jiān)測、控制與管理。

二、系統(tǒng)原理框圖

公寓安全智能管理系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集終端設備、ZigBee+GPRS網關協(xié)調器和上位機監(jiān)測中心三部分構成。終端設備節(jié)點包括傳感器、控制器和ZigBee無線傳輸從機模塊，傳感器負責檢測房間的安全信息，控制器將傳感器的信息分析處理后由ZigBee無線傳輸從機模塊發(fā)送到本樓層的ZigBee無線傳輸主機模塊。網關協(xié)調器包括ZigBee總協(xié)調器、網關控制器和GPRS模塊，總協(xié)調器除接收各個樓層的ZigBee無線傳輸主機模塊的數(shù)據(jù)以外，還具有組建、管理和維護整個ZigBee網絡的任務。網關控制器通過串口將ZigBee總協(xié)調器數(shù)據(jù)處理后，將ZigBee和GPRS網絡協(xié)議進行轉換，最后由GPRS模塊發(fā)送到遠端的上位機監(jiān)測中心。上位機監(jiān)測中心用于監(jiān)聽網絡的連接和數(shù)據(jù)收發(fā)請求，并且完成數(shù)據(jù)的接收、顯示和存儲。系統(tǒng)將兩種無線通信技術相結合，實現(xiàn)了傳感器網絡與移動數(shù)據(jù)網絡的融合。

三、系統(tǒng)下位機設計

1、數(shù)據(jù)采集終端設備

數(shù)據(jù)采集終端設備框圖如圖2所示，由單片機、ID卡識別模塊、火災檢測模塊、紅外防盜模塊、大功率電器檢測模塊、供電控制模塊以及無線傳輸模塊組成。控制芯片采用STM32F103C8T6單片機，該芯片使用Cortex -M3內核，具有豐富的增強I/O端口和標準的通信接口。單片機和外圍模塊需要使用2個ADC通道、2個串行接口和若干普通I/O引腳。

火災檢測模塊利用煙霧傳感器檢測空氣中CO煙霧濃度并將其轉化成線性電壓或者電流信號，通過比較電路輸出高低電平。火災檢測模塊輸出連接到單片機的普通I/O引腳，單片機判斷I/O引腳的信號跳變可以識別是否有火災發(fā)生，如果確認有火災發(fā)生則通過繼電器切斷房間電源。

紅外防盜模塊利用紅外熱釋電傳感器檢測是否有人進入房間，當檢測到人體移動時改變輸出電平。紅外防盜模塊輸出連接到單片機的普通I/O引腳，單片機判斷該I/O引腳的信號跳變可以識別是否有人進入房間，如果確認則進行聲光報警。

ID卡識別模塊用于讀取用戶的刷卡卡號，并將用戶卡號通過串口傳送給單片機，串口通信協(xié)議采用9600bps波特率、無奇偶校驗、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位。單片機將串口接收到的ID卡號與存儲器中存儲的所有正確卡號進行逐一比較，如果卡號正確則通過繼電器控制電磁鎖開門，如果是錯誤的卡號則進行報警提示。

大功率電器檢測模塊采集電網的電流和電壓信號，經過信號調理后分別接到單片機內部的12位A/D轉換器的不同通道，轉換后的數(shù)字量經過計算可以得到房間供電的視在功率。一旦發(fā)現(xiàn)功率增加值超過程序設定的閾值則判定為有大功率電器使用，單片機立即通過供電控制模塊切斷電源以防止引起電氣火災，同時發(fā)出聲音警告，間隔一定時間后自動恢復供電。

ZigBee無線傳輸模塊與單片機通過串口連接，通信波特率設定為38400bps，單片機通過向ZigBee模塊發(fā)送16進制數(shù)據(jù)可以對其進行參數(shù)配置與通信控制。

2、基于ZigBee+ GPRS的無線傳輸

ZigBee無線網絡技術具有網絡節(jié)點數(shù)量巨大、自組織多跳網絡、短距離無線連接等特點。利用ZigBee無線傳輸模塊構建無線傳感網絡。將每個數(shù)據(jù)采集終端設備配置為路由器節(jié)點，每層公寓設置一個協(xié)調器節(jié)點，協(xié)調器節(jié)點負責收集路由器節(jié)點的信息。整個公寓設置一個總協(xié)調器節(jié)點，負責收集每層協(xié)調器的信息，匯總整理后通過GPRS模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。

為了防止無線通信中的數(shù)據(jù)干擾，ZigBee模塊采用多點透傳方式，即協(xié)調器發(fā)的數(shù)據(jù)，所有路由器可以收到，而路由器發(fā)的數(shù)據(jù)，只有協(xié)調器收到。同一樓層的ZigBee模塊設置為相同的信道，不同的路由器配置為不同的地址，協(xié)調器節(jié)點和多個路由器節(jié)點之間的通信協(xié)議采用主從機通信模式，當主機（協(xié)調器）發(fā)送的地址與本機地址一致，從機（路由器）才發(fā)送信息，防止多個無線數(shù)據(jù)同時發(fā)送產生的數(shù)據(jù)沖突與干擾。另外不同層的無線傳輸模塊設置為不同的信道進行通信，防止層與層之間的數(shù)據(jù)干擾。每層協(xié)調器通過動態(tài)切換信道實現(xiàn)與總協(xié)調器之間的通信。

系統(tǒng)采用ATK-SIM900A GPRS模塊實現(xiàn)報警信息的遠程傳輸。該模塊是一款尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊，采用SMT封裝，基于STE的單芯片案，采用ARM926EJ-S架構，性能強大。網關控制器通過串口與GPRS模塊進行接口，通信波特率為9600bps、無校驗位、8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。網關控制器通過串口發(fā)送與GPRS短信息功能有關的AT指令來控制GPRS模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。網關控制器將來自ZigBee總協(xié)調器數(shù)據(jù)處理后將其傳送給GPRS模塊，GPRS模塊進行網絡協(xié)議轉換后將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠端的上位機監(jiān)測中心。

3、下位機實物圖

公寓安全管理系統(tǒng)下位機實物圖如圖3所示。圖中左半部分是數(shù)據(jù)采集終端設備，主要包括讀卡器、電流傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器、單片機控制板以及ZigBee路由器，負責完成房間的安全狀態(tài)信息采集和報警判斷。圖中右半部分是ZigBee+GPRS網關控制器，主要包括ZigBee總協(xié)調器、SIM900A GPRS模塊以及單片機控制板，負責收集匯總各個ZigBee路由器發(fā)出的報警信息，并將其進行GPRS網絡協(xié)議轉換發(fā)送到遠端的上位機監(jiān)測中心。

四、系統(tǒng)上位機界面開發(fā)

利用B/S架構和web技術在上位機開發(fā)公寓安全智能管理系統(tǒng)。采用sql server 2008數(shù)據(jù)庫接收公寓總協(xié)調器通過GPRS傳送來的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對報警信息的存儲與管理。公寓安全管理系統(tǒng)上位機監(jiān)控界面如圖4所示。

管理系統(tǒng)報警信息分三層進行提示，首先是對有報警信息的房間所在的樓和單元進行聲光報警顯示，工作人員點擊相應的單元號就可以看到該單元的所有房間的安全狀態(tài)（分為正常、火災、盜竊、大功率電器使用四種情況），如果某個房間顯示異常狀態(tài)，再次點擊該房間號就可以看到房間的聯(lián)系信息。此外該系統(tǒng)還具有信息管理和報表打印等功能。

五、系統(tǒng)測試

系統(tǒng)功能測試主要包括：ID卡識別模塊、火災檢測模塊、紅外防盜模塊、大功率電器檢測模塊、供電控制模塊以及無線傳輸模塊測試。為了方便測試，將數(shù)據(jù)采集終端設備、ZigBee+GPRS網關協(xié)調器和上位機服務器放在同一個房間，房間面積20m2，測試環(huán)境為室溫常濕條件。測試前首先檢查各接口連接狀態(tài)是否正確，避免因短路等原因造成系統(tǒng)損壞。隨后對系統(tǒng)加5V穩(wěn)定直流電壓，進行各個項目的單獨測試試驗，最后進行多個項目參數(shù)聯(lián)合的測試試驗。

ID卡識別模塊測試：將讀卡器安裝于門外側，ID卡識別與門禁控制板安裝在室內；測試結果：ID卡識別反應時間1s，識別正確率100%。

火災檢測模塊測試：在鐵質容器內燃燒紙質物品產生煙霧，用以測試煙霧傳感器輸出電壓變化；測試結果：火災檢測反應時間9s，識別正確率100%。

紅外防盜模塊測試：人體在房間內移動，測試紅外熱釋電傳感器輸出電壓變化；測試結果：紅外檢測反應時間3s，識別正確率100%。

大功率電器檢測模塊測試：利用白熾燈、電腦和電熱水壺分時接入供電系統(tǒng)，測試單片機檢測到的功率變化情況；測試結果：檢測反應時間5s，識別正確率100%。

供電控制模塊測試：利用按鍵觸發(fā)單片機系統(tǒng)，測試繼電器狀態(tài)變化情況；測試結果：繼電器動作反應時間1s，正確率100%。

無線傳輸模塊測試：利用單片機系統(tǒng)通過串口發(fā)出報警信號，測試上位機是否收到正確數(shù)據(jù)；測試結果：通信時間5s，通信正確率100%。

最后將整個系統(tǒng)進行整體聯(lián)合調試，在上位機圖形界面應能正確接收與顯示數(shù)據(jù)采集終端設備傳送的各種危險行為信息，實現(xiàn)了報警功能。測試實驗證明該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對多路傳感信息的準確識別和報警信息的無線傳輸。

六、結束語

本文設計了基于物聯(lián)網和ZigBee+GPRS技術構建公寓安全監(jiān)測、控制與管理系統(tǒng)，公寓房間內布設多種傳感器，對房間的安全信息進行感知與實時監(jiān)測。所有報警信息通過ZigBee+GPRS構建的無線傳感網絡實時傳送到數(shù)據(jù)中心進行存儲與顯示。ZigBee模塊采用多點透傳方式和動態(tài)切換信道機制，既解決了復雜的布線施工問題，又有效避免了多個無線數(shù)據(jù)同時發(fā)送產生的數(shù)據(jù)沖突與干擾。