基于物联网智能感知系统的设计

海 涛，陶 虎，林 波，李昭勇，宋倩怡

（1.广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004；2.广西比迪光电科技工程有限责任公司，广西 南宁 530031；3.华北电力大学 控制与计算机工程学院，北京 102206）

物联网（The Internet of things）是指通过各种信息传感设备和智能识别、运算设备，按约定的协议，实现对网络节点的智能化识别、定位、跟踪、监测、管理和操作的网络系统［1－2］。物联网实现了人与物、物与物的连接。物联网被认为是继互联网之后的第三次信息产业革命，将被广泛应用于农业、工业、公共安全、城市管理、智能交通、远程医疗等领域［3］。

在现代社会中，安防系统是确保人们生命财产安全的重要保障，目前市场上的安防系统有两种类型：以485总线为代表的有线型和以GPRS短信报警为代表的无线型。有线型系统功能单一、安装复杂、成本较高；无线型系统虽然成本较低、能实现远程短信报警，但报警内容单一、用户无法迅速了解现场情况。基于此背景，设计了基于物联网架构的智能感知系统。系统具有非法入侵检测、灾情检测、视频监控、远程报警等功能，同时，用户在任何地点、任何时间均可通过电脑、智能手机等终端实时查看监控区域的信息。当监控区域发生紧急情况时系统会将相关信息发送至小区物业、公安、消防等相关部门，实现紧急情况的及时处理。目前产品已经投放市场，效果较好。

1 系统的物联网架构

物联网按其功能分为感知层、传输层和应用层，各层具有各自的功能和特点。

（1）感知层由各种信息传感设备构成，主要完成数据的采集，该系统中的感知层指由各种传感器与ZigBee收发模块构成的无线传感网络；

（2）传输层主要完成网络接入、数据传输及相应的控制管理等工作，该系统中传输层包括GPRS网络和互联网［4］。

（3）应用层主要实现信息的处理、远程监测、人机交互等，该系统中应用层指远程信息监控平台，包括服务器程序和各种用户的应用软件［5］。系统的物联网架构图如图1所示。

图1 系统的物联网架构图

1.1 ZigBee无线传感网络

该部分主要由三部分组成：ZigBee无线网关节点、路由节点和前端感知节点。

（1）ZigBee无线网关节点是网络的控制中心，由控制芯片、ZigBee射频收发单元及GPRS传输模块等组成。网关节点发送和接收路由节点或前端感知节点的数据并通过GPRS模块将数据发送到目标服务器，同时负责网络的维护以及数据处理等工作。

（2）路由节点。在网关节点无法与终端节点建立连接时，路由节点作为网关和感知节点的中介实现路由通信功能，与此同时路由节点也具备采集数据的能力。

（3）前端感知节点。负责前端感知信息的采集，由各种传感器（烟雾传感器、温湿度传感器、门磁窗磁传感器等）和ZigBee CC2530无线收发模块组成。

1.2 GPRS网络传输层

ZigBee网络将采集到的报警数据上传到协调器节点后，通过GPRS模块与移动互联网连接，并将数据传送到后台服务器，实现数据到互联网的传输。

1.3 信息监控系统

由服务器及软件组成，系统采用B／S架构。服务器从各网关节点接收信息，完成数据解析、处理、存储、查询、统计、网络发布等功能。各种用户可以通过各种终端（如手机、ipad、笔记本、PC机等）、使用 Web方式、随时随地访问服务器获得自己相应权限内的服务。

1.4 系统功能

该系统具有阳台、门、窗等全方位的实时防盗监控功能，同时具备对家庭火灾、煤气泄漏、老人呼救等突发状况时的实时报警与自动处理的能力。当家庭出现突发状况如火灾、非法入侵、煤气泄漏、老人紧急呼救等突发状况时，前端感知节点将相应报警信息通过ZigBee模块传输到网关节点，网关节点随即启动摄像头拍摄照片或视频、保存并通过GPRS网络将相关数据发送到后台服务器，服务器根据预设的警情处理模式向用户、小区保安中心、公安、消防等相关部门发送告警提示。告警形式多样，可以是短信、电话及彩信等方式。用户收到告警信息后可通过智能终端、PC登录服务器查询现场照片等信息，同时还可以通过网络授权小区保安刷卡进入家中察看现场情况。小区物业监控中心、公安、消防中心接到监控系统告警信息时根据传回系统的照片及相关信息及时地做出相应处理，大大增强了用户家庭的安全性。此外用户随时随地都可以通过网络登录服务器查询家里的实时情况。

2 系统各部分硬件设计

本系统硬件结构框图如图2所示，主要由前端感知节点、路由节点、无线网关节点（中央协调节点）和远程服务器设备组成。本文硬件设计部分重点介绍前端感知节点和无线网关的设计。

2.1 前端感知节点设计

前端感知节点主要负责传感器信息的采集和传送以及系统控制指令的传输（如门禁控制指令）。综合考虑节点的功耗、接收灵敏度、发射功率及芯片成本等各方面的因素，前端感知节点采用TI公司的CC2530芯片。由各种传感器与CC2530内嵌的8051单片机I／O口相连，实现数据交换。硬件框图如图3所示。该部分主要由传感器模块、ZigBee CC2530无线收发模块、时钟模块、电源模块等组成［6］。

2.2 路由节点设计

路由节点由ZigBee cc2530模块构成，工作于2.4 GHz，自带ZigBee协议栈，实现ZigBee通信，具有自动路由功能，在前端感知节点与无线网关节点之间起中继作用，对数据进行融合、存储和转发［7］。

图2 系统硬件结构框图

图3 前端节点硬件框图

2.3 无线网关节点设计

网关节点主要负责完成ZigBee网络与GPRS网络的上下行数据封装、解析、传输和协议转换，ZigBee网络的组建、节点的增加、删除，摄像头控制命令的发送，照片数据传输等工作，对实时性要求较高，需要硬件具备较强的运算、存储和处理能力。网关采用三星公司的S3C2440微处理器作为控制核心，由ZigBee无线收发模块CC2530、GPRS模块、FLASH、SDRAM、TFT LCD显示屏、遥控键盘输入接口等组成。S3C2440最高工作频率可达400MHz，具有丰富的I／O接口，功能强大的外设支持接口，能完全满足系统的功能需求。硬件结构如图4所示。

2.3.1 网关电源模块

图4 网关硬件结构框图

电源电压的稳定与负载能力是整个系统的稳定性及网关使用寿命长短的重要决定因素。由于GPRS模块在启动、数据发送接收时需要较大的瞬时电流（SIM900B模块的VBAT电源需要提供2A以上的电流），因此要求电源能提供较大的瞬时电流，且电压稳定性要好，本网关采用负载特性好、输出驱动电流可以达到3A的LM2596S－5.0开关电压调节器，电路原理图如图5所示。

图5 5V电源供电电路原理图

S3C2440的内核工作电压为1.8V，I／O口工作电压为DC3.3V，需分开供电。此外S3C2440内部具有模拟部件和数字部件，为降低数字部分产生的高频噪声对模拟部分的影响，需要将模拟地（AGND）与数字地（GND）进行隔离（如图6所示）。

图6 降噪电路

2.3.2 网关ZigBee模块

网关主要是通过S3C2440处理器完成前端Zig－Bee网络与后端GPRS网络的数据交换。ZigBee模块接收前端感知节点发送的数据，通过模块串口与S3C2440通信，S3C2440再通过另外一个串口与GPRS模块交换数据，从而完成了前端ZigBee传感网与GPRS网络的数据交换。ZigBee模块采用新一代SOC芯片 CC2530，CC2530支持IEEE 802.15.4标准，支持ZigBee RF4CE协议，拥有多达256个字节的快闪记忆体，可采用4种供电模式、具有8KB的RAM 32／64／128／256KB多种闪存容量，外设丰富，包括12位ADC、USART 2个、通用GPIO口21个等［8－9］，接收器灵敏度高、抗干扰性强。

2.3.3 网关控制核心

网关控制核心完成ZigBee协议与GPRS网络协议的转换，数据的存储、处理、控制命令的发送等工作。控制核心采用三星公司的S3C2440处理器。该处理器有3个UART口，其中UART0口与CC2530的USART0口相连，完成CC2530与网关的数据交换；UART1口与GPRS模块的UART接口相连，实现网关与GPRS模块的数据交换。S3C2440最高工作频率可以达到400MHz，拥有130个通用I／O口、60路中断源等丰富的资源，可以很好地满足系统的实时性的要求［10－13］。

2.3.4 网关 GPRS模块

GPRS模块采用SIMCOM公司新推出的SIM900B模块。SIM900B是属于B2B类型的四频GSM／GPRS模块，工作频率为GSM／GPRS 850／900／1 800／1 900MHz，采用工业标准接口，性能稳定、性价比高。SIM900B工作的电路原理图如图7、图8所示。

2.3.5 无线接收单元

无线网关具有3种工作模式：设防模式、撤防模式和紧急报警模式。

（1）设防模式。网关收到的传感器报警信号有效。

图7 SIM900B工作电路图

图8 SIM卡工作电路图

（2）撤防模式。网关收到的报警信号无效。

（3）紧急报警模式。专为老人、儿童设置的紧急情况报警模式，只要紧急按键被按下系统就立即发送紧急报警信息。

网关通过无线遥控器设定其工作模式。采用市场上常用的315MHz无线射频遥控器，网关无线接收单元由PT2272解码芯片和315M无线接收模块构成［11］，其硬件原理如图9所示。当PT2272与遥控器编码芯片PT2262的地址相同时，网关才能接收遥控器发射的信号，S3C2440通过I／O口读取PT2272芯片解码的数据，并根据读取的数据做出相应的处理。

3 软件设计

3.1 前端感知节点软件设计

图9 无线接收模块

前端感知节点程序主要负责传感器报警信号的检测，并将报警信息发送到路由节点。前端感知节点的程序流程图如图10所示。初始化配置完成之后进入休眠模式，当前端传感器被触发时通过中断的形式唤醒CC2530模块，并检验有效性，如报警信息有效则将信息发送至路由节点，之后重新回到休眠模式。

图10 前端感知节点流程图

3.2 路由节点软件设计

路由节点主要完成路由选择、数据的收发、存储，程序流程图如图11所示。为降低功耗，路由节点的CC2530处于休眠状态，当收到其他节点的唤醒信号时，则被唤醒，并开始接收同步网络信号、收发、存储数据，完毕后重新回到休眠模式［12］。

3.3 无线网关的软件设计

3.3.1 嵌入式Linux系统的移植

Linux系统用户界面功能强大、网络功能丰富、系统安全性能好、可靠性高、移植性强，已经成为当前嵌入式领域主流的操作系统。移植Linux2.6.32版本到系统中，按以下四步进行：

图11 路由节点流程图

（1）下载Linux源代码及补丁；

（2）根据arm体系结构给系统打补丁使其符合要求；

（3）精简内核，删除内核中使用不到的部分；

（4）建立交叉编译环境，移植文件系统。

3.3.2 应用程序设计

图12 网关节点工作流程图

网关工作流程如图12所示，为了提高系统的实时性，网关利用Linux操作系统多线程的特点，将各任务分为不同优先级类别，系统线程根据本身的优先级别处理相应类型的任务。系统上电启动后完成初始化及相关配置，包括S3C2440的硬件初始化（如串口配置）和CC2530、SIM900B模块的初始化（如模块通信波特率等初始化设置）；初始化完成之后，系统开始执行各个子任务，CC2530进入休眠状态，GPRS模块连接网络；网络连接成功之后则进行系统时钟与服务器的时钟同步；时钟同步完成后，网关上传本身的设备编号到服务器，服务器收到设备编号后查询数据库，验证网关的合法性，验证成功后则接收数据，否则拒绝接收，断开连接。为确保网关永远在线，需要定时查询GPRS模块的信号强度（AT＋CSQ）是否注册到网络（AT＋CREG）及TCP连接状态（AT＋CIPSTATUS），若连接断开了则重新发送连接指令［13］。

3.3.3 远程数据中心的实现

远程数据中心由数据服务器和Web服务器组成，主要负责前端采集数据的存储、查询、用户信息管理等。该系统基于Windows Severe2003操作系统和SQL Server2005数据库系统，采用Delphi 7.0开发了远程监控平台。监控系统主要由数据管理模块、信息服务模块、系统管理模块三部分组成，系统操作界面如图13所示。

图13 远程监测系统界面

（1）数据管理模块。数据管理模块主要负责完成数据的接收、解析、存储及处理等工作。通过监听服务器端口，将网关节点通过GPRS发送来的数据按照预先定义的协议解析后存入数据库，并根据解析后的信息作出相应的处理。

（2）信息服务模块。该模块主要完成采集信息的显示、查询、发送、系统参数设置、控制指令发送等功能。为用户提供报警信息查询、报警现场图片显示、记录查询、下载等服务。

（3）系统管理模块。该部分主要完成用户权限管理、系统维护、用户费用管理等功能。

4 结论

针对当前家庭安防应用的需求以及当前家庭安防产品存在的问题，提出了基于物联网架构的智能感知系统，并提出了实现用户、小区保安、消防中心、“110”报警中心全面互联的智能系统的解决方案。克服了当前家庭安防系统误报率高、安装复杂、成本高、用户无法准确掌握家里情况的缺点，同时系统安装方便，操作简便，运行维护成本低并便于开发自己独特的商业模式，市场前景广阔。

（References）

［1］王群.物联网体系结构研究及模拟实验平台的组建［J］.实验技术与管理，2010，27（10）：178－181.

［2］胡永利，孙艳丰，尹宝才.物联网信息感知与交互技术［J］.计算机学报，2012（6）：1147－1163.

［3］王秀平.基于物联网技术的校园安防系统设计［J］.实验技术与管理，2011，28（8）：103－106.

［4］沈苏彬，范曲立，宗平，等.物联网的体系结构与相关技术研究［J］.南京邮电大学学报：自然科学版，2009，29（6）：1－11.

［5］陈立伟，杨建华.物联网架构下的室内环境监控系统［J］.电子科技大学学报，2012（2）：265－268.

［6］朱洪波，杨龙祥，于全.物联网的技术思想与应用策略研究［J］.通信学报，2010（11）：2－9.

［7］陈建新.基于ZigBee技术的校园防火报警系统设计［D］.北京：北京工业大学，2009.

［8］Texas Instruments.CC253xSystem－on－Chip Solution for 2.4GHz IEEE 802.15.4and ZigBee Applications［S］.Texas Instruments，2009.

［9］Yong－Sik choi，Young－Jun Jeon，Sang－Hyun Park.A study onensor nodes attestation protocol in a wireless Sensor Network［C］.The 12th international conference on advanced communication Technology.2010：574－579.

［10］王东，张金荣，魏延，等.利用ZigBee技术构建无线传感器网络［J］.重庆大学学报，2008，29（8）：95－97.

［11］李峻薇，占志彪.一种主动红外探测报警系统的设计［J］.现代电子技术，2008（3）：143－145.

［12］粱光胜，刘丹娟.郝福珍.基于CC2430的ZigBee无线网络节点设计［J］.电子设计工程，2010，18（2）：15－18.

［13］王黎明.ARM9嵌入式系统开发与实践［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004.