家庭安防系统通讯设计
王榆
摘要：由于社会技术的不断发展和人们生活水平的日益提高，人们对家庭安防系统的要求也越来越高。本论述结合国内外家庭安防系统的发展状况以及传统的家庭安防系统的特点，提出了一种基于 ARM 和 ZigBee 的无线家庭安防系统的设计方法。基于移动智能平台的远程监控终端如手机、平板电脑等，使得其不仅仅是简单意义上的监控显示终端，也可以替代原有的专一的、非智能的嵌入式设备，通过网络实现对家居系统的远程控制。通过比较几种常用的短距离无线通信技术，如红外通信技术、蓝牙技术、IEEE802.11X技术、ZigBee 技术等，综合考虑到无线网络要便于用户管理与升级，网络成本低、功耗低等因素，最终使用 ZigBee 技术来实现家居安防系统中家庭无线网络的组建。因此本论述采用移动网络传输技术与 ZigBee 技术的结合，实现对家居环境的实时监控和远程调控，保证了系统的稳定性、安全性。
关键词：安防系统;移动智能平台;ZigBee 技术
中图分类号：U24 文献标志码：A
0 引言
在传统家庭安防系统中，我们比较常见的大多都是采用有线组网方法，整体布线相对比较繁琐，而且系统维护、系统升级实现难度比较大，整体实现成本也很高。但是随着电子信息技术、网络技术、无线通信技术、软件开发等技术的快速发展，安防系统的功能也在不断地完善升级中。随着整个移动网络的不断发展，除了在实时监控方面，对于智能安防的远程调控方面也带来了极大的便利。移动网络有着传输距离远、网络覆盖率高以及具有普遍性等优点，因此作为智能安防远程调控的首选网络方法。现有的手机、平板电脑等移动智能设备也可以提供很多种通信方式，极大地提高了远程监控的效率。与此同时，移动智能设备有着智能操作系统的大力支持，使得我们并不需要再额外开发移动终端设备及系统，大大的降低了整个智能安防系统移动终端及软件开发的成本，从而有利于智能安防系统的推广。随着 ZigBee 无线技术的出现，在整个家庭网络的组建过程中发挥着很大的作用。
本論述采用移动网络传输技术与 ZigBee 技术的结合，整个系统采用 ARM 结合linux嵌入式系统作为系统的控制中心[1 ]，通过 ARM 结合相关技术可进行多种任务的处理，例如可以通过通信移动网络模块对手机进行报警，通过互联网部分实现远程监控等，从而实现对家居环境的实时监控和远程调控，同时也保证了系统的稳定性、可靠性、安全性。
1 系统总体设计
系统的总体设计方案如图1 所示，整个家庭安防系统主要由智能家居系统（移动终端）、中心协调器、传感器和控制器节点、摄像机构成。移动终端部分如手机、平板电脑等可以用来实现系统的远程监控和管理功能，以及对异常事件做出反应并处理异常的功能。中心协调器主要是采用 ARM 架构的 S3C2440为处理器的嵌入式系统作为控制中心，通过该控制中心可同时处理多种任务。传感器和控制器节点这两大部分主要是进行数据的感应和采集，并且对采集的数据信息进行反馈和控制。摄像机部分是由 USB 驱动来实现视频采集和拍照的功能。
其中中心协调器是整个系统的核心，起着信息管理和网关的双重作用，它可由高性能处理器搭建，配备 ZigBee，WiFi，Gmac等功能，其中WiFi用于近距离与移动终端设备的通信，Gmac可用于与移动终端进行远程通信[3]。该平台为用户提供了非常多的通信、调试、显示以及输入输出接口。移动终端与中心协调器的通信方法主要是在无线局域网覆盖范围内，通过 Socket 编程实现服务器（中心协调器）与客户端（移动终端）的无线通信。中心协调器与传感器之间的通讯过程使用的是 ZigBee 无线通信网络的方法。同时中心协调器采用摄像头通过 USB 接口与终端机连接，完成视频图像的获取与采集，从而实现可视化功能。
2 系统的硬件设计
2.1 主控电路模块设计
ARM 开发板是整个系统的核心，本设计采用 S3C2440芯片，其具有16KB数据缓存，3通道 UART ，1 个 USB 设备和2个 USB 主机。通过电源电路为处理器提供电压，以保证系统正常运行;通过晶振电路外部振荡器提供时钟;通过 JTAG 进行系统程序的调试编写;通过串口实现与协调器之间的通信;通过蜂鸣器实现报警功能。
2.2 传感器模块设计
在家庭安防系统中，需要采用各种传感器对家庭环境进行检测。传感器的工作原理相对简单，而且成本比较低，在本设计中起到良好的效果。比如 MQ-2对烟雾非常敏感，所以采用烟雾传感器 MQ-2和温度传感器 DS18B20获知空气中的烟雾浓度以及实时温度，如果出现超过限定值，则采取报警以及一定的补救措施，从而达到预防火灾的效果;采用红外传感器检测是否有人员进入，如果有人进入，传感器会将采集的信息发送到控制端，从而达到预防入室盗窃的效果;采用煤气传感器感 MQ-5感知煤气是否泄漏，如果 CO 浓度超标，则也会发出报警信息至控制端等。
2.3 ZigBee模块设计
从上述的总体方案中可看出：设计整个安防系统主要由两部分组成。一个是由 ARM 开发板和 USB 摄像头共同构成的主控部分;二是由 ZigBee 无线网络及传感器和控制器节点共同构成的网络部分。通过分析，整个系统至少要求两块 ZigBee 模块，即用 ZigBee 终端节点和 ZigBee 协调器节点进行点对点的通信。17718A3D-4362-4515-AA4D-D5A3F39A9C8B
2.4 图像采集模块设计
在本设计中，考虑到成本因素，选用普通的 CMOS 摄像头进行图像获取。采用 USB 接口将摄像头与 ARM 板相连接，将采集的图像保存在开发板后在显示屏进行显示。一方面实现图像采集与显示的目的，另一方面，在满足系统要求的基础上，提高系统的性价比。
3 系统之间的通讯设计
3.1 移动终端与中心协调器的通信
基于 TCP/IP 协议的套接字通信，TCP/IP（Transmis? sion Control Protocol/Internet Protocol），即传输控制协议/网际协议，它能够实现互联网上不同类型操作系统的计算机相互通信。套接字为通信的端点，是整个网络通信的基石，也是支持 TCP/IP 的网络通信的基本构件。Socket 是用于 TCP/IP 协议簇与应用层之间通讯的中间抽象层，Socket 是一组接口，每个套接字的组成部分都是一个 IP 地址和一个端口号。Socket 通信的过程中，用户不需要关心协议的实现，而是以一种门面模式，将复杂的TCP/IP 协议簇的内容隐藏在套接字接口背后，从而只使用 Socket 能够提供的相应的接口即可以实现。也就是说，可以把它看作是不同主机之间的进程进行双向通信的端点，通信双方通过用套接字中的相关函数来完成通信过程的一中约定过程。
3.2 移动终端与服务器端基于TCP/IP协议的Socket 通讯
在设计网络应用程序的过程中，通常需要设计两个模块，一个用于表示客户端，另一个用于表示服务器，服务器主要用来实现接收客户端的连接请求，工作过程中向客户端发送数据，并能够接收客户端数据等。
3.2.1 在服务器端（中心协调器）
首先服务器需要进行启动，完成服务器初始化;然后调用 socket（）来创建套接字;接着调用 bind（）来指定服务器 socket 地址，如果端口被占用，则说明 bind 失败;再调用 listen（）让服务器做好侦听准备，为之后的 accept（）做好准备，同时并规定好请求队列的长度，这时服务器进入阻塞状态，从而等待客户的连接请求;最后通过 accept（ ）来接收连接请求，从而获得客户的 socket 地址，等待客户端连接。服务器收到消息，会给客户端发送一个确认应答的同时发送一个请求，表示同意建立连接。
3.2.2 在客户端（移动终端）
客户首先要创建套接字并指定客户 socket 地址，然后就调用 connect（）和服务器之间建立连接，向服务器发起连接请求，connect（）会发送一个请求并阻塞等待服务器应答。连接的过程中，如果连接建立成功，在同一连接、同一时刻，通信双方可同时写数据（全双工），客户端和服务器之间就可以通过调用 read（）和 write（） 两个函数进行接收和发送数据，这个过程也可用send（） 和recv（）函数来实现，一旦数据传输结束，服务器和客户立即通过调用 close（）来关闭套接字。
TCP 套接字连接流程如图2所示。
3.3 中心协调器与传感器和控制器节点之间的通信
3.3.1 ZigBee 模块的优点
现在的设计观念与传统的智能家居相比有很多的优点，比如 ZigBee 模块的安全性好;功耗比较低，所以在很多传感器同时使用普通电池供电的情况下，工作时间可长达一年以上;还方便管理、查找和及时感知信息，及时控制系统，还可云端无缝链接;除此之外，Zig? Bee 模块的系统兼容性强，采用国际通用的标准协议，可伸缩，也可以兼容其它品牌的设备，并且随时可以扩容扩展[6]。因此 ZigBee 无线技术在安全监控、传感器网络、家庭监控等领域的无线技术中都得到了广泛应用，所以这也是本系统采用 ZigBee无线技术进行家庭无线网络的组建方法的原因。
3.3.2 ZigBee 无线通信模块
ZigBee 无线通信模块也是主要包括电源电路、调试接口电路、串口电路等外围电路部分。其中串口电路的主要功能是用于与 ARM 开发板相连接，进行数据信息的传输工作。调试接口电路可实现模块程序的下载与调试，有助于我们及时观察模块的工作及运行情况，并及时进行反馈处理。
4 系统的软件实现
4.1 ZigBee无线网络的组建
4.1.1 ZigBee 协议栈
ZigBee 技术的协议栈是一系列的通信标准，根据这样的标准，通信双方要根据这一标准进行正常的通信，主要是进行数据发射和接收工作。协议栈实际上就是协议的一种具体实现形式，用通俗的语言来说，协议栈就是协议与用户二者之间的一个接口，我们在开发的发过程中，主要通过使用协议栈来使用这个协议，从而完成无线数据收发。Zigbee 协议栈的任务就是就是将各个层定义的协议都集合在一起，以函数的形式进行实现，并给用户提供 API 应用层，这样用户可以直接调用。
4.1.2 建立 ZigBee 无线网络
在本系统中，主要采用 S3C2440芯片将 ZigBee 无线传感器进行控制，并且采用 S3C2440芯片作为数据汇聚节点的核心控制模块。在 ZigBee 网络的实现过程中，主要通过函数模块实现对应的功能。建立网络的方法只有通过协调器设备进行实现，在网络建立过程中，所有的实现过程都是通过函数实现的。ZigBee 无线网络的组建，其软件实现的主要过程主要是在 Zig? Bee 协议栈上完成，然后根据不同的设计需求，再添加不同的函数，从而来完成既定功能的設计。
协调器建立网络的流程是首先进入系统初始化，通过应用层调用函数，从而进入执行事件，通过网络初始化函数对事件进行启动、处理，最终建立网络并启动网络。而终端节点与与协调器二者建立网络的方法是不相同的，终端节点的主要功能是通过实现搜索附近网络，从而加入网络，整个终端节点加入网络的具体流程为初始化设备后，设置网络初始化事件，当系统发现网络消息，则申请加入网络请求，如果传感器收到加入确认，此时在终端节点更新最新的网络状态。17718A3D-4362-4515-AA4D-D5A3F39A9C8B
4.2 控制传输系统软件设计
在实现的过程中，需要在 ARM 板上运行嵌入式系统，需要搭建编译环境。首先需要 Windows 下安装虚拟机，然后在虚拟机下根据安裝步骤安装嵌入式操作系统。在此基础上，完成 Bootloader 的移植、嵌入式内核的移植、Qt 移植以及制作根文件系统。
4.3 控制系统主程序软件设计
在主程序的实现过程中，主要是通过调用子程序的模块化函数实现的，首先通过 open（）函数打开设备文件，然后通过set_opt（）函数对串口进行设置，再开发板获取串口的数据后，判断是否有效，如需要进行报警，则通过 switch （）函数进行相关操作。图像信息通过 IOCTL 接口对摄像头进行相关操作，首先打开设备文件，采用对 USB 摄像头进行初始化，使用ioctl（）函数获取图像信息并进行保存，最后再关闭设备。
5 结束语
本次设计主要是基于 ZigBee 技术和移动网络技术的家庭安防系统。在实施的过程中，将移动网络传输技术与 ZigBee 技术的结合，通过 ARM 进行多种任务的处理，通过网络部分实现远程监控等，从而实现对家居环境的实时监控和远程调控。ZigBee 技术以其低成本、低功耗、低速率、低复杂度等优点，在整个无线传感网络的实现过程中，完成了中心协调器与传感器和控制器节点的通讯。移动终端设备也有着普遍性和成本低的特点，通过 TCP/IP 协议的 Socket 通讯来实现远程监控和图像采集工作。但本论述还有不足之处，只是针对通信方式做了简单基础的介绍，在后续的学习中，还需在系统的功能、抗干扰能力、摄像头显示清晰度等技术方面做更深入的研究。
参考文献：
[1 ] 李贤红. 安防报警系统与门禁系统的集成方案[J]. 中国安防，2011（6）：92-94.
[2 ] 胡玮. 基于 ARM9和 ZigBee 嵌入式无线家庭安防系统的设计[J]. 辽宁工业大学学报（自然科学版），2010（30）：268-291，295.
[3] 禇欣媛. 基于 ZigBee 的智能家居安防系统[J]. 科技信息，2014（13）：157.
[4 ] 李宏楷. 智能安防系统移动终端设计[D ]. 广州：华南理工大学，2014.
[5] 潘晓贝. 基于物联网的智能家居家庭安防系统设计与实现[J]. 三门峡职业技术学院学报，2018，17（3）：127-132.
[6] 盛盟. 基于物联网的家庭安防系统设计[J]. 信息记录材料，2020，21（ 2）：205-206.17718A3D-4362-4515-AA4D-D5A3F39A9C8B
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