帶區域定位的小區汽車(chē)安防系統設計

摘要：針對物業(yè)公司可以獲取小區內車(chē)主信息的特點(diǎn)，設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的小區汽車(chē)安防系統。系統通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )和Internet對小區內汽車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，并且利用ZigBee短距離通信實(shí)現了區域定位。一旦汽車(chē)發(fā)生異常，帶有紅外模塊的傳感器節點(diǎn)會(huì )產(chǎn)生報警信號，并將信號傳給停車(chē)場(chǎng)管理員和車(chē)主。當車(chē)主不在小區內時(shí)，停車(chē)場(chǎng)管理員可以通過(guò)上位機中的車(chē)主信息及時(shí)通知車(chē)主或其家人，以便進(jìn)行相應的處理。如果車(chē)主要開(kāi)車(chē)則可以通過(guò)遙控節點(diǎn)來(lái)關(guān)閉車(chē)門(mén)上的傳感器節點(diǎn)，以免產(chǎn)生誤報。該系統克服了傳統汽車(chē)安防系統噪聲擾民、反應慢、監控范圍小等缺點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；區域定位；ZigBee；Internet；汽車(chē)安防

引言
傳統汽車(chē)安防系統以在汽車(chē)上安裝嗚叫報警器為主，但由于外界因素的干攏，報警器往往會(huì )產(chǎn)生誤報而發(fā)出巨大噪聲，給小區居民生活帶來(lái)負面影響，并且報警距離有限，當車(chē)主不在小區內時(shí)，該報警方式就達不到預期的效果。近年來(lái)，隨著(zhù)通信技術(shù)的發(fā)展，GSM／GPRS等技術(shù)已經(jīng)逐漸運用到汽車(chē)防盜系統中，通過(guò)發(fā)送短信的方式來(lái)達到報警的目的。但這種方式通常只是實(shí)現了汽車(chē)與車(chē)主之間的信息交互，并沒(méi)有將報警信息傳遞給小區物業(yè)，因此在車(chē)主收到報警信息趕往停車(chē)現場(chǎng)的途中，很可能汽車(chē)已經(jīng)失竊。為了更好地保護小區居民的財產(chǎn)安全，通過(guò)物業(yè)對小區汽車(chē)進(jìn)行綜合管理顯得尤為重要?；谏鲜鲈?，設計實(shí)現了基于物聯(lián)網(wǎng)的小區汽車(chē)安防系統。

1 系統組成及工作流程
1．1 系統各部分組成
本系統可分為ZigBee網(wǎng)絡(luò )、網(wǎng)關(guān)及上位機三部分。系統結構如圖1所示。

ZigBee網(wǎng)絡(luò )由終端、路由器和協(xié)調器三部分組成，為了滿(mǎn)足系統功能需求，分別定制了兩種類(lèi)型的終端和路由器。終端包括傳感器節點(diǎn)(安裝在汽車(chē)車(chē)門(mén)上，用來(lái)監控車(chē)門(mén))和遙控節點(diǎn)(車(chē)主用于開(kāi)啟／關(guān)閉安防系統)。路由器包括路由節點(diǎn)(安裝在小區內，用來(lái)路由信息)和錨節點(diǎn)(安裝在停車(chē)場(chǎng)上方，用來(lái)路由信息和區域定位)。網(wǎng)關(guān)由協(xié)調器和串口通信軟件組成。上位機包括Web服務(wù)和數據庫服務(wù)。
1．2 系統工作流程
在該系統中，停車(chē)場(chǎng)管理員可以通過(guò)上位機實(shí)時(shí)監控小區內汽車(chē)的安防狀態(tài)(在庫、異常及離庫)，并且可以查看汽車(chē)的區域定位信息(汽車(chē)所在車(chē)庫及當前狀態(tài))和車(chē)主的個(gè)人信息(車(chē)主通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)錄入)。車(chē)主則可以隨時(shí)登錄系統上位機，查看自己汽車(chē)的安防狀態(tài)以及更改個(gè)人信息。下面分別就汽車(chē)入庫、異常、離庫三個(gè)過(guò)程作詳細說(shuō)明。
當ZigBee網(wǎng)絡(luò )組建成功，車(chē)主在小區內停好車(chē)后，車(chē)主可以通過(guò)手中的遙控節點(diǎn)發(fā)送“開(kāi)啟命令”至汽車(chē)車(chē)門(mén)上的傳感器節點(diǎn)。傳感器節點(diǎn)收到“開(kāi)啟命令”后，會(huì )向父節點(diǎn)(錨節點(diǎn))請求ParentID(用于區域定位，詳見(jiàn)第4小節)，請求到ParentID后，傳感器節點(diǎn)會(huì )打開(kāi)其上的紅外對射傳感器，并分別向服務(wù)器和車(chē)主手中的遙控節點(diǎn)發(fā)送帶有ParentID的“開(kāi)啟成功”信息。服務(wù)器收到信息后會(huì )將該汽車(chē)的狀態(tài)改為“在庫”，停車(chē)場(chǎng)管理員就可以通過(guò)上位機得知該汽車(chē)已經(jīng)入庫，車(chē)主收到成功信息后便知道汽車(chē)已經(jīng)處于安防狀態(tài)。
在安防狀態(tài)下，若車(chē)門(mén)被異常打開(kāi)，紅外接收端將不能收到由紅外發(fā)送端發(fā)送的38 kHz紅外信號，此時(shí)傳感器節點(diǎn)會(huì )自動(dòng)向遙控節點(diǎn)和服務(wù)器發(fā)送報警信號。服務(wù)器收到報警信號后會(huì )將該汽車(chē)的狀態(tài)改為“異常”，管理員通過(guò)上位機的監控界面查看到異常汽車(chē)信息(如車(chē)牌號等)和區域定位信息(如汽車(chē)所在車(chē)庫的編號等)后會(huì )迅速通知小區保安趕往異常汽車(chē)現場(chǎng)，并嚴禁異常汽車(chē)出入小區。同時(shí)傳感器節點(diǎn)收到報警信號后會(huì )驅動(dòng)聲光報警來(lái)提醒車(chē)主，車(chē)主知道自己的汽車(chē)存在異常后，便會(huì )及時(shí)查看自己的汽車(chē)狀況。若異常汽車(chē)的車(chē)主不在小區內，管理員可以通過(guò)上位機中的車(chē)主信息通知車(chē)主或其家人，以便快速作出相應的處理。
若車(chē)主自己要開(kāi)車(chē)，則可以通過(guò)遙控節點(diǎn)向車(chē)門(mén)上的傳感器節點(diǎn)發(fā)送“關(guān)閉命令”，傳感器節點(diǎn)收到命令后會(huì )關(guān)閉紅外對射傳感器，并向服務(wù)器和車(chē)主發(fā)送“關(guān)閉成功”信息，服務(wù)器收到信息后會(huì )將汽車(chē)的狀態(tài)改為“離庫”，車(chē)主收到信息后就可以打開(kāi)車(chē)門(mén)將車(chē)開(kāi)走。

2 系統硬件設計及功能
本系統的硬件設計主要包括遙控節點(diǎn)、傳感器節點(diǎn)、錨節點(diǎn)、路由節點(diǎn)和協(xié)調器5部分。
遙控節點(diǎn)負責開(kāi)啟、關(guān)閉對應汽車(chē)上的安防系統，并接收、顯示安防信息。硬件部分主要包括CC2530芯片、電源管理單元、天線(xiàn)、晶振、蜂鳴器、開(kāi)關(guān)按鍵以及液晶等外圍電路。其中，蜂鳴器用來(lái)報警，開(kāi)關(guān)按鍵用來(lái)控制紅外模塊的開(kāi)啟和關(guān)閉，液晶用來(lái)顯示安防信息。
傳感器節點(diǎn)負責紅外模塊的開(kāi)啟、關(guān)閉以及對車(chē)門(mén)的監控。傳感器節點(diǎn)硬件部分主要包括CC2530芯片、電源管理單元、天線(xiàn)、晶振、蜂鳴器以及紅外對射模塊等外圍電路。其中，紅外模塊用來(lái)監控汽車(chē)車(chē)門(mén)，包括發(fā)送和接收兩部分，分別安裝在車(chē)門(mén)和門(mén)框上。發(fā)送端利用HEF 40106BT芯片組成的諧振電路在紅外信號上加載了38 kHz的載波，如圖2(a)所示；接收端與CC2530的P05口相連，如圖2(b)所示，采用HS0038接收器接收紅外調制信號，不但增強了模塊的抗干擾能力，而且可以及時(shí)檢測車(chē)門(mén)任何形式的異常開(kāi)啟情況。

路由節點(diǎn)和錨節點(diǎn)主要負責信息的路由，錨節點(diǎn)是經(jīng)過(guò)改進(jìn)的路由節點(diǎn)，但路由節點(diǎn)和錨節點(diǎn)的硬件部分完全相同，都是由CC2530芯片、電源管理單元以及天線(xiàn)、晶振等電路組成。
協(xié)調器是ZigBee網(wǎng)絡(luò )的匯聚節點(diǎn)，負責開(kāi)啟ZigBee網(wǎng)絡(luò )，給新入網(wǎng)節點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò )地址，匯聚和處理網(wǎng)絡(luò )數據，與PC機進(jìn)行串口通信等。硬件部分由CC2530芯片、電源管理單元、串口模塊以及天線(xiàn)、晶振等電路組成，串口模塊用來(lái)與PC機上的串口通信軟件進(jìn)行通信。

3 系統軟件設計
本系統的軟件設計主要包括遙控節點(diǎn)、傳感器節點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、WEB服務(wù)器和數據庫服務(wù)器等部分。
3．1 遙控節點(diǎn)
遙控節點(diǎn)的軟件部分主要實(shí)現液晶的驅動(dòng)和顯示、按鍵的處理、LED的控制以及與傳感器節點(diǎn)的通信。程序流程如圖3所示。

3．2 傳感器節點(diǎn)程序設計
傳感器節點(diǎn)的軟件部分主要實(shí)現紅外模塊的驅動(dòng)和控制、報警電路的控制以及與遙控節點(diǎn)、父節點(diǎn)、協(xié)調器之間的通信。程序流程如圖4所示。

3．3 網(wǎng)關(guān)程序設計
網(wǎng)關(guān)是連接ZigBee網(wǎng)絡(luò )和Internet的橋梁，其軟件部分包含協(xié)調器軟件和串口通信軟件兩部分。
當協(xié)調器收到傳感器節點(diǎn)傳來(lái)的“開(kāi)啟／關(guān)閉成功”、“報警”等信息時(shí)，協(xié)調器會(huì )解析信息并以相應的格式通過(guò)串口傳給串口通信軟件。串口通信軟件會(huì )根據串口數據幀格式解析串口數據，并根據數據內容設置數據庫中對應表格相應元素的值。另外，串口通信軟件能監控串口的狀態(tài)，并能實(shí)時(shí)顯示解析的信息，值得注意的是，在打開(kāi)串口前必須先設置好串口通信的參數，如圖5所示。

3．4 上位機軟件設計
為方便管理，系統使用Java Web等技術(shù)開(kāi)發(fā)了基于MVC(ModelViewController)模型的B／S(Browser／Server)架構的上位機管理軟件。
作為B／S架構軟件的支撐，Web服務(wù)器和數據庫服務(wù)器必不可少?？紤]到成本和小區用戶(hù)量等因素，Web服務(wù)器使用了免費的輕量級應用服務(wù)器Tomcat，數據庫服務(wù)器則使用了體積小、速度快、成本低的MySQL。另外，為了方便開(kāi)發(fā)，系統使用了Apache Jakarta項目組開(kāi)發(fā)的應用框架Struts2配合Web網(wǎng)頁(yè)的開(kāi)發(fā)，并且使用功能強大的對象／關(guān)系映射(Object Relational Mapping)框架Hibernate配合數據庫的開(kāi)發(fā)，保證了源碼的簡(jiǎn)練和完全面向對象的風(fēng)格。

上位機管理軟件分停車(chē)場(chǎng)管理員和普通用戶(hù)兩部分開(kāi)發(fā)。停車(chē)場(chǎng)管理員部分主要實(shí)現查看所有用戶(hù)信息、查看汽車(chē)狀態(tài)、監控車(chē)庫狀態(tài)、刪除用戶(hù)、添加新用戶(hù)、修改密碼等功能，普通用戶(hù)部分主要實(shí)現查看汽車(chē)狀態(tài)、查看和修改個(gè)人信息等功能。上位機管理軟件整體結構及流程框圖如圖6所示。

4 區域定位的實(shí)現
ZigBee短距離通信技術(shù)標準有一個(gè)顯著(zhù)的特點(diǎn)：每個(gè)新加入的節點(diǎn)必須通過(guò)一個(gè)在其通信范圍內的路由器(系統中為錨節點(diǎn))才能入網(wǎng)。根據這一特點(diǎn)，系統實(shí)現了區域定位的功能。
系統在每個(gè)錨節點(diǎn)中設ZigBee網(wǎng)絡(luò )唯一的RouterID作為子節點(diǎn)的ParentID，并且錨節點(diǎn)所管轄的范圍(用車(chē)庫號表示，即圖1中錨節點(diǎn)定位區域)與RouterID建立一一對應關(guān)系存儲，在數據庫中的MatchAddress數據表中。因此，當傳感器節點(diǎn)請求到錨節點(diǎn)的ParentID，并通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )、網(wǎng)關(guān)轉發(fā)到服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器就能找到對應的車(chē)庫號，得知汽車(chē)目前所在的位置。
系統提供了以車(chē)庫為單位的區域定位監控界面，如圖7所示。車(chē)庫為黃色表示該車(chē)庫內的汽車(chē)一切正常，車(chē)庫為紅色則表示該車(chē)庫內存在異常汽車(chē)，停車(chē)場(chǎng)管理員點(diǎn)擊進(jìn)入紅色車(chē)庫就可以看到異常汽車(chē)及車(chē)主的詳細信息，方便管理員通知小區保安進(jìn)行查看。

這種定位方法只是一種粗略的定位，會(huì )受節點(diǎn)通信距離的影響，目的是方便管理員通知保安人員迅速找到異常汽車(chē)。在實(shí)際測試中，受到汽車(chē)車(chē)門(mén)等障礙物的干擾，傳感器節點(diǎn)的通信距離大概在10～20 m左右。

結語(yǔ)
系統為實(shí)時(shí)監控小區內汽車(chē)安防狀態(tài)而設計，很好地利用了ZigBee網(wǎng)絡(luò )和Internet的優(yōu)良性能，克服了傳統汽車(chē)安防系統噪聲擾民、反應慢、監控范圍小等缺點(diǎn)，提高了物業(yè)公司保護居民財產(chǎn)安全的能力。并且系統具有很強的擴展能力，在傳感器節點(diǎn)上可以添加其他類(lèi)型傳感器以實(shí)現更多功能，如添加溫度或煙霧傳感器可以及時(shí)預警和監測火災等。實(shí)際運行測試顯示，系統能夠正常實(shí)現上述功能。