基于物联网的智能防盗报警系统设计

时间：2024-12-28

刘志云

(阜阳职业技术学院工程科技学院，安徽阜阳 236031)

0 引言

随着电子技术、网络技术的逐步成熟，人们生活水平的提高，防盗意识也逐渐增强，对防盗报警装置已不满足于本地报警的功能，产品的便捷化、网络化、智能化成为消费者的追求.我们身边的生活小区无一不标榜安防级别有多高，防盗门、防盗锁的质量有多好，但总时不时出现有小偷入侵，钱财被盗的现象.究其原因，小偷大多是趁家里无人的时候入室的.以此看来，只要现场没人，再高级的机械锁都能被强行打开，再大的报警声都没人能听到，前来处理，防盗设备也就形同虚设.本文将物联网技术引入到防盗报警装置中，把原本孤立的报警器与主人手机、110报警电话关连，在多个应用终端间搭建无线网络，使主人和警察能在远端随时接收报警信号，达到远程监控、实时处理的目的，真正意义上提升安防效果.

1 拟解决的现实问题

1.1 GPS定位

防盗报警器内嵌的GPS模块可定位当前位置，而且当小偷触发报警时，此定位信息在自动向110报警时，通过网络传输给警察，方便警察直达事发地.

1.2 远程报警

当小偷触碰到入户门时，报警器内嵌的传感器受到冲击波的影响，触发报警，报警器的优点在于：除了报警器本身的蜂鸣器发出报警声以外，还可以通过Lora通信编码和ZigBee无线传输，以移动手机App为平台，将报警信息发送到预先设置的紧急联络人手机上，从而将家里有小偷的信息传送给不在家的主人；远程报警的第二功能在于，同时启动电话拨号系统，向预先设置的报警电话110发出拨号，并以语音的形式将GPS定位的位置信息告知给警察，实现自动报警.

1.3 录像，保留小偷作案证据

小偷触发报警器报警时，报警器内嵌的摄像头开始现场录像，并将录像文件传送到室内电脑保存，从而保留小偷作案证据，帮助警察破案.

2 物联网防盗报警系统组网设计

2.1 组网方案选择

本设计目标是在家庭入户门上的报警器和主人手机之间建立无线网络，家庭成员人数一般在10个以内，网络规模10个节点[1]，无线传输只需将入户门上报警器信息传到室内路由器，距离在百米以内，再由路由器通过WiFi转发.通信数据量方面，只需发送报警信息，网络通信流量不高，只有外力撞击，需要报警时，网关设备才会唤醒终端手机App，传输一个报警信息，通信数据量不大，平时所有终端模块处于休眠状态[1].

根据以上分析，综合该报警系统的功能特点和通信需求，参照ZigBee,Bluetooth,UWB,IrDA,homeRF几种成熟的短距离无线通信技术的应用案例[1]，归纳总结各无线传输技术的特点，选定适合本防盗报警系统的组网方案.UWB (Ultra Wideband)技术信号传输速度快，高达1 Gbps，而该报警系统的通信量很小，造成流量浪费；Bluetooth技术的数据传输速度约达1 Mbps，传输距离最远只能到10 m，传输距离太短；ZigBee技术数据传输速度最高250 kbps，刚好能满足报警信息的传输又不造成流量浪费，点对点传输距离在10～75 m，且通过路由设备可无限扩充网络，延长传输距离，同时扩充网络容量.ZigBee无线传输频率为2.4 GHz，调制电路简单通用，ZigBee最大的优势是功耗低，省电，当没有通信需求的时候，自动进入休眠省电状态，一旦有通信需求，休眠的节点设备能在60 ms内被迅速唤醒，进入工作模式，收发数据.鉴于数据流量、传输距离、网络容量、传输频带，调制电路难度，功耗，延时、成本等方面分析比较，ZigBee无线传输技术更适合该防盗报警系统的网络需求，在此选择ZigBee技术组网.ZigBee网络拓扑结构如图1所示，该防盗报警系统网络构建如图2所示.

图1 ZigBee拓扑结构图图2 智能防盗报警系统网络构建图

2.2 自组网网络设备

自组网协议中，定义两种设备：

1)节点设备

节点设备启动时主动搜索与之匹配的网关设备，根据网络编号识别，连接入网.节点设备中安装手机App，用于查询报警器所在现场的状态.

2)网关设备(协调器)

网关设备负责进行网络覆盖.在广播信道中发送报警信息，当压电传感器受到冲击，需要对节点设备传递警示信息时，触发点对点传输.通信建立后对绑定的手机发送报警信息.

3 系统硬件设计

3.1 硬件结构

物联网报警器包括触碰传感器检测模块、超声波传感器模块、GPS模块、MCU处理器模块STC15W408AS、Lora+ZigBee无线通信模块SX1278/CC2530、Android手机App，其系统架构图如图3所示.

图3 智能报警器系统架构图

基于LoRa(SX1278)的433M无线通讯模块.对MCU编写其驱动程序，以及自组网协议程序.自组网协议中，定义两种设备：①节点设备;②网关设备，

1)设备功能及实现

①节点设备：

节点设备启动时，搜索事先设定的网络编号与网关连接.当节点所连的网关上的压电传感器检测到冲击信号时，节点会立即发出报警音.

②网关设备：

当网关上的压电传感器受到冲击时，通过后续两种途径向节点设备发出报警消息：

a)立即上传到事先绑定的一个或多个手机终端上，从而让手机用户立刻得到报警信息.

b)如果用户没有开手机App，则通过服务器上的网络电话或短信模块，通知预先设定的用户.

2) 硬件需求

①节点设备:MCU：AT89S52；通信部分：LoRa(SX1278)模块.

②网关设备:MCU：STM32；通信部分：LoRa(SX1278)+ZigBee(CC2530)无线模块、网口模块、GPS模块.当报警发生，实时转发通信服务器，实现手机终端与网关的即时通信.

③服务器设备:

a)如果发生报警，通过实时转发报警信息，实现手机终端与网关的即时通信.

b) 如果发生报警，并且手机App未开启的前提下，通过服务器端的网络电话模块或短信模块，实现对用户的即时通知.

3.2 智能防盗报警器功能模块

1)报警信息的采集

本报警器的触发信号由压电传感器提供，当小偷触碰到入户门上报警器内嵌的压电传感器时，压电传感器因受到力的作用发生形变，产生压电效应，从而触发报警器上的蜂鸣器发声报警，同时通过无线网络传输，向主人手机报警.

2)GPS模块

GPS模块是集成了RF射频芯片、基带芯片和核心CPU，并加上相关外围电路而组成的一个集成电路，本设计采用SIRF三代芯片组的GPS模块.

3)蜂鸣报警器

当入侵检测模块的压电传感器发出触发信号后，报警器上内嵌的蜂鸣器开始蜂鸣报警.

4)通信模块

该智能防盗报警系统的优势在于，将独立的入户门上的报警器与主人手机组成无线网络，本设计选用TI公司生产的CC2530 ZigBee通信模块，网关设备上CC2530芯片配合相应软件程序，完成信号发射，网络总控、唤醒节点的功能；节点设备上的CC2530芯片搭配相应软件程序，接收网关设备发来的时间信息，传输过程遵循ZigBee通信协议.

本系统使用了高效能LoRa扩展芯片SX1278.VT-SX1278-433M无线模块是基于SEMTECH的SX1278设计，支持FSK/OOK和LoRa调制模式，SX1278抗干扰能力强而且接收灵敏度很高.同时SX1278采用FEC前向纠错算法大大增加了其纠错能力，信息传输效率高.能够主动地纠正被干扰的数据，进一步提高传输距离的同时保证了可靠性.

5) 中央处理器

中央处理器俗称MCU，主要功能是协调整个时钟控制系统中的网络通信、电源监控、计时监控等模块间的正常工作，实现通信同步.网关设备上的STM32处理器，兼具网络监听，组网、信息传输等控制功能.

3.3 系统工作流程

网关设备通电后进入系统自检，然后广播发送自身的ID号，周围的节点设备开机后搜索网关信息，当搜索到网关的ID号时发送连接请求，网关设备根据无线通信协议及网络安全验证，准许联网，即网络连接完成[4].

在没有通信请求时，网络处于休眠状态，每个终端手机App(节点设备)处于休眠状态.当有人强行入侵时，网关设备和节点App开始通信，将网关设备上的报警信息发送给节点设备.首先，网关设备(入户门上的报警器)向节点设备(手机App)发出通信请求，节点设备收到请求后立即被唤醒，进入工作模式，同时向网关发送应答信号，做好通信准备，然后，网关设备将报警信息传送给节点设备，此时，节点设备收到网关设备传来的报警信息开始播放报警铃音.同理，触发报警后，网关设备向110公共报警号发送报警信息.另外，网关设备将摄像头录像视频传输到室内存储装置，以备破案.

1)Android手机App平台

由于当前手机市场Android系统更为普及，且Android是一个开源的平台，更利于编程，本设计的软件App选择了Android平台.智能防盗报警系统的应用人群广泛，开发原则是简单实用.App手机平台作为智能防盗报警系统的一部分，自身的安全非常重要，我们对整个智能防盗报警系统的运作方式以程序设计的思维进行了细化，对代码进行混淆和加密，杜绝了反编译式的破解，同时对数据进行加密传输，防止盗取和截断，保证了智能防盗报警系统自身App的安全可靠.在使用上加入设备绑定的功能，防止多设备的加入导致的安全隐患.

智能防盗报警系统移动应用端在左上角的设置中可以进行设备绑定、一键报警电话设置、GPS语音播报设置、应用端系统设置能功能.

用户可以在App主界面查看系统运行的状态，控制台的下端加入设备绑定、一键报警、设备状态和系统开关四个快捷开关，方便用户快速易操作.

当智能防盗报警系统的入侵检测模块发现有入侵事件发生的时候会向用户绑定的手机上推送通知.

用户点击推送过来的通知就可以对入侵行为进行一键报警或者在设置中解除警报的操作.

2)网关平台

图4 软件流程图

网关平台用STM32嵌入式Linux操作系统，内核为ARM Cortex-M3，Linux系统的优点是代码结构鲜明，且完全对外开放，软件设计员可根据自己需要适当引用源码，Linux还具备完整工具链，可交叉运行，“arm-linux-gcc”交叉编译器安装在Linux服务器上，轻松编译相关软件，然后将交叉编译生成的可执行镜像文件下载到STM32平台上，C语言源程序就编译成ARM9处理器的obj文件了[4].

网关设备上通过压电传感器采集有人想强力入侵的信息，以IAR集成开发环境为平台，集成的ZigBee协议栈程序支持ZigBee无线传感网，经编译生成嵌入式obj文件.根据设备在网络中的功能差异，分别将网关设备按照协调器节点类型(COORD)编译，节点设备按照路由器类型(TOUTER)编译[4]，生成不同类型的exe文件，将exe文件分别烧写到网关设备和节点设备的CC2530芯片中.从而，形成了网关、节点两种不同功能模块.系统上电工作后，当有人强行入侵时，系统中的网关设备向节点设备发出通信请求、节点设备立即被唤醒并应答，从而建立无线网络连接，传递报警消息，数据传送结束，设备转入休眠状态.报警信息传感网主节点软件运行流程图如图4所示.