基于智能物联网的家庭安全监测系统开发

    张超

    摘 要：文章结合蓝牙低功耗模块的低功耗性、WiFi的通用性、云平台丰富的扩展性等特点，提出了一种基于BLE和WiFi的家庭物联网安全监测系统。利用该系统，用户可以在手机、平板等智能设备上，使用相应的APP或统一的微信公众号，实时查看家中安全状况并可以检测老人的运动状态从而在老人跌倒时向用户发出提示信息；此外用户还可以控制一些节点模块，从而控制和该节点相连接的家中设备，为居民提供更加便利的生活。

    关键词：安全监测；物联网；蓝牙低功耗；WiFi；云平台；远程控制；实时查看

    文章利用目前较为成熟的物联网体系，设计了一套基于各个蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）模块和WiFi的物联网安全监测系统。设计本系统的目的是让用户能实时获知家中的安全状况（如门窗的开关，老人是否发生意外，家中的环境等）并可以远程控制家中设备，利用物联网云端强大的计算能力，为用户提供了一种方便、人性化的操作界面。用户在该界面中可以自由定制一些带触发条件的动作，当满足条件时触发该动作，从而方便用户操作，为用户提供一种更加安全、舒适的居住环境。

    1 系统工作原理

    如图1所示，A节点是一个BLE接收和WiFi转发模块，需要接入家中的无线路由器，用于接收BLE子模块发送的数据并与云端进行通讯；B，C，D，E，F是BLE监测模块，配合不同的传感器可以实现不同的功能：B，C，D，E用于门窗防盗，室内红外感应功能，用户通过客户端可以随时了解这些节点附近环境的安全状况；F节点用于老人、小孩的监护功能，当发生意外时会通知外出的用户。用户可以根据需求选配不同数量和不同功能的BLE监测模块。上述的几个节点也自带远程控制功能，用户使用配套的客户端，可以控制与这些节点相连接的设备。安全监测，数据上传，远程查看，远程控制构成了本设计中的物联网安全监测系统最主要的功能。

    1.1 设备绑定

    如图1所示，图中所有的设备和APP在开始工作之前需要先进行设备配对绑定的工作主要过程分成BLE设备间的配对绑定过程和APP，云端及本地网关之间的帐号绑定过程。

    1.1.1 本地设备的配对和绑定

    图1中数据采集节点（B，D，C，E，作为Server节点）在上电之后首先要进行与网关节点（A，作为Client节点）进行设备的配对和绑定操作才能进行数据的采集和传输。另外一个采集节点同时只能绑定到一个网关节点中，而网关节点可以同时绑定多个采集节点。对于已经进行过配对和绑定的设备，重新上电后不需要重新进行此过程会自动进行重连操作。

    1.1.2 云端，APP和本地网关的绑定

    要完成这三者的绑定，首先需要在云端建立用户数据库、设备数据库和用户—设备交互数据库。用户数据库保存用户信息以及APP绑定的信息；设备数据库用来存储本地设备信息和其所采集的数据；用户—设备交互数据库则保存他们之间的关系。

    APP进行操作前要先进行登录操作，一个APP只能绑定到云端一个帐号上，一个帐号同时只能在一个设备上登录，登录后用户可以添加设备操作，云端进行处理，如果成功，则在云端用户数据库中则添加此用户和该设备的交互关系到用户-设备交互数据库中，然后用户可以与该设备进行交互。若要取消关注该设备则在删除此项，云端对应删除两者之间的关系项。另外用户和设备之间是多对多的绑定关系。

    网关设备收集到数据后会通过路由器发送到云端，云端判别数据归属，处理后存入对应的设备数据库中。而APP在连接云端后，云端也需要判断APP的用户归属，再根据APP进行的操作，从对应的设备数据库中提取数据进行反馈或发送命令到本地网关。

    1.2 数据采集

    B，C，D，E，F，G节点是采用CC2650芯片的监测模块，该模块主要包含若干传感器、电池、CC2650芯片。该模块可以采集传感器的信息，并将该信息通过BLE模式发送到具有数据上传功能的A节点中。由于采用了BLE和经过优化的低功耗微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）睡眠模式，并且将部分数据处理和解析工作转移到物联网云端，因此采用电池供电时，CC2650检测模块具有极长的使用时间，用户无需频繁更换电池。该模块配合不同的传感器后可以起到门窗防盗、老人儿童监护、室内红外感应灯作用。

    1.3 數据接收和上传

    A节点起到数据接收和上传功能，它可以与家中若干个CC2650检测器件进行配对，配对成功后，该节点可以接受每个CC2650检测模块发送过来的数据，并整合接收到的数据，随后利用节点中的WiFi模块，接入家中路由器，将数据发送到互联网云端中。

    1.4 远程查看

    用户只需在智能设备中使用配套的APP应用，并根据提示绑定家中设备，配置家中设备使其联入互联网后就可以在有网络的情况下，随时随地查看家中情况。用户还可以定制云端的信息推送功能，按需推送家中的安全信息，防止遗漏某些重要信息。

    1.5 远程控制

    本设计允许用户通过APP，随时随地控制系统中处于在线状态的一些模块和节点，配合家中已有的一些智能/非智能设备，可以大大方便用户的日常生活。远程控制功能可以将一些本地设备物联网化，提升用户的使用体验，这增强了系统的使用范围和应用场景。

    2 系统硬件设计

    该系统中所涉及的各种物联网核心控制、外围感知组件、机械控制等以及他们之间的联系如图2所示。

    图2描述了本设计中要使用的各个硬件，并描述了它们之间的关系。

    2.1 CC2650

    CC2650是一个集成了Bluetooth Smart，ZigBee，6LoWPAN和ZigBee RF4CE远程控制应用的无线MCU设备。该传感处理器能在系统进入睡眠模式时，独立完成外部传感器收集的模拟或数字数据的处理。

    2.2 CC3200

    CC3200是业界首款内置WiFi连接的单片机。为物联网设计的SimpleLink CC3200设备是一个集成了高性能ARM Cortex-M4芯片的无线单片机，允许用户在单个集成电路上开发完整的应用。

    2.3 环境监测传感器

    系统中使用的各种传感器来检测环境和收集各种监测数据。配合不同的传感器，各个数据采集节点可以实现不同的功能。

    2.3.1 霍尔传感器

    本设计使用霍尔传感器作为门窗安全状态的检测传感器。利用该传感器可以检测门窗的开合状态。

    霍尔传感器是根據霍尔效应制作的一种磁场传感器。其精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达-55 ℃～150 ℃。

    2.3.2 红外传感器

    采用红外传感器作为室内红外感应模块的传感器。这种传感器无需红外线发射源且灵敏度高、控制范围大、隐蔽性好。因此在安防领域得到了广泛应用。

    2.3.3 加速度传感器

    加速度传感器主要用作老人跌倒检测，利用老人跌倒时加速度的变化结合一定的识别方式，就可以判断出老人是否跌倒。加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。主要感应方式是对微小物理量的变化进行测量，再通过电压信号来表示这些变化量。

    3 系统总体架构设计

    整个系统的软件架构如图3所示，主要分为两个部分：客户端、服务端。客户端包括手机、平板电脑和PC端，用户通过客户端查看家中安全状况、远程控制某些模块。服务端主要由两个部分构成：数据采集部分、云端数据处理部分。数据采集部分负责采集数据，并将数据上传至云端；云端部分负责数据的保存和处理，使客户端与家中设备进行远程沟通的桥梁。

    3.1 数据采集模块

    系统通过搭配不同的传感器，各个数据采集节点实现不同的功能，用户按照需求在合适的位置放置各个数据采集节点。各个数据节点与数据接收节点配对后便可以将数据通过BLE发送到数据接收节点中，随后数据接收节点再通过WiFi连接家中路由器，最后将数据发送到云平台中。数据采集模块如图4所示。

    3.2 数据处理及交互模块

    系统的数据处理及交互流程如图5所示。

    云平台存储家中设备上传的数据，如果有多个用户使用该产品，那么就会保存分属于不同用户的多个设备所上传的信息，因此需要设备归属判断机制，将不同用户的设备区别开来。通过设备归属判断后，用户与用户之间完全隔离开来，不会出现某个用户家中设备检测的信息反馈给另一个用户这种现象。随后，对接收到的数据按照类型进行判断，最后在不同的处理模块中处理这些数据，并将这些信息呈现给用户。

    3.3 设备运行结构

    一个系统中可能会有一个或多个CC2650监测模块，配合不同种类的传感器可以实现不同类型数据的采集。每个CC2650检测器件都可以独自采集与之相连的传感器信息（例如，配合霍尔传感器，就可以测量与门窗开合程度相关的物理量）。当与系统的数据接收模块配对后，每个CC2650监测模块都会通过BLE将数据发送到该接收节点中，该节点对数据进行初步处理和整合后，利用节点中的WiFi模块，通过家中的路由器，将接收到的数据转发到物联网云端上，最后，用户可以利用客户端随时查询家中情况，并根据需求控制某些模块的动作。

    4 系统实现与数据分析

    4.1 系统APP实现

    移动终端APP实现与运行如图6所示。

    4.2 功能测试

    系统功能测试结果如下。

    以一节纽扣电池500 mAh电量计算，（睡眠模式则以5 μA计算）。对于门磁传感器（2 s检测一次）：（500× 3 600×1 000）/（（4+6+6）×1.4+10）×2/3 600/24/365≈3.5年；对于温度传感器（2 s检测一次）：（500×3 600×1 000）/（（1+6+6）×1.4+10）×2/3 600/24/365≈4.4年；对于红外传感器（持续检测）：（500×3 600×1 000）/（6×1.4+10+ 2 000）×2/3 600/24≈20天；对于加速度传感器（0.2 s检测一次）：（500×3 600×1 000）/（6×1.4+10+150）×2/ 3 600/24≈247天。

    数据采集节点连接后功耗主要由4方面的消耗构成：（1）需要发送信息到接收节点时（根据传感器类型）；（2）接收节点的确认连接维持事件（2 s/次）；（3）传感器的消耗（根据传感器类型）；（4）低功耗模式耗电（几个μA）。

    4.3 与以往监测系统特点比较

    本系统的开发还存在很多的不足和局限，但与以往的检测系统相比较存在一定的优势。比较结果如表1所示。

    5 结语

    本研究提出并设计完成一种基于智能物联网的家庭安全监测系统研究，分别从系统系统工作原理、系统硬件设计、软件架构和设计、系统实现与数据分析等方面分析智能物理网在家庭安全监测系统中的应用。将无线单片微型计算机设备CC2650和CC3200以及数据云应用于家庭智能安全监测中实现低成本、低功耗、智能化的无线网络通信。用户可以实时获知家中的环境安全状况，并可以远程控制家中设备，利用物联网云端强大的计算能力，为用户提供了一种方便、人性化的操作界面。且用户在该界面中可以自由定制一些带触发条件的动作，当满足条件时触发该动作，从而方便用户操作，为用户提供一种更加安全、舒适的安全居住环境。

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