帶區(qū)域定位的小區(qū)汽車(chē)安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)物業(yè)公司可以獲取小區(qū)內(nèi)車(chē)主信息的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的小區(qū)汽車(chē)安防系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和Internet對(duì)小區(qū)內(nèi)汽車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且利用ZigBee短距離通信實(shí)現(xiàn)了區(qū)域定位。一旦汽車(chē)發(fā)生異常，帶有紅外模塊的傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并將信號(hào)傳給停車(chē)場(chǎng)管理員和車(chē)主。當(dāng)車(chē)主不在小區(qū)內(nèi)時(shí)，停車(chē)場(chǎng)管理員可以通過(guò)上位機(jī)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(yīng)的處理。如果車(chē)主要開(kāi)車(chē)則可以通過(guò)遙控節(jié)點(diǎn)來(lái)關(guān)閉車(chē)門(mén)上的傳感器節(jié)點(diǎn)，以免產(chǎn)生誤報(bào)。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)汽車(chē)安防系統(tǒng)噪聲擾民、反應(yīng)慢、監(jiān)控范圍小等缺點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；區(qū)域定位；ZigBee；Internet；汽車(chē)安防

引言
    傳統(tǒng)汽車(chē)安防系統(tǒng)以在汽車(chē)上安裝嗚叫報(bào)警器為主，但由于外界因素的干攏，報(bào)警器往往會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)而發(fā)出巨大噪聲，給小區(qū)居民生活帶來(lái)負(fù)面影響，并且報(bào)警距離有限，當(dāng)車(chē)主不在小區(qū)內(nèi)時(shí)，該報(bào)警方式就達(dá)不到預(yù)期的效果。近年來(lái)，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，GSM／GPRS等技術(shù)已經(jīng)逐漸運(yùn)用到汽車(chē)防盜系統(tǒng)中，通過(guò)發(fā)送短信的方式來(lái)達(dá)到報(bào)警的目的。但這種方式通常只是實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)與車(chē)主之間的信息交互，并沒(méi)有將報(bào)警信息傳遞給小區(qū)物業(yè)，因此在車(chē)主收到報(bào)警信息趕往停車(chē)現(xiàn)場(chǎng)的途中，很可能汽車(chē)已經(jīng)失竊。為了更好地保護(hù)小區(qū)居民的財(cái)產(chǎn)安全，通過(guò)物業(yè)對(duì)小區(qū)汽車(chē)進(jìn)行綜合管理顯得尤為重要?；谏鲜鲈?，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的小區(qū)汽車(chē)安防系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及工作流程
1．1 系統(tǒng)各部分組成
    本系統(tǒng)可分為ZigBee網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)及上位機(jī)三部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    ZigBee網(wǎng)絡(luò)由終端、路由器和協(xié)調(diào)器三部分組成，為了滿足系統(tǒng)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(jié)點(diǎn)(安裝在汽車(chē)車(chē)門(mén)上，用來(lái)監(jiān)控車(chē)門(mén))和遙控節(jié)點(diǎn)(車(chē)主用于開(kāi)啟／關(guān)閉安防系統(tǒng))。路由器包括路由節(jié)點(diǎn)(安裝在小區(qū)內(nèi)，用來(lái)路由信息)和錨節(jié)點(diǎn)(安裝在停車(chē)場(chǎng)上方，用來(lái)路由信息和區(qū)域定位)。網(wǎng)關(guān)由協(xié)調(diào)器和串口通信軟件組成。上位機(jī)包括Web服務(wù)和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)。
1．2 系統(tǒng)工作流程
    在該系統(tǒng)中，停車(chē)場(chǎng)管理員可以通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控小區(qū)內(nèi)汽車(chē)的安防狀態(tài)(在庫(kù)、異常及離庫(kù))，并且可以查看汽車(chē)的區(qū)域定位信息(汽車(chē)所在車(chē)庫(kù)及當(dāng)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(tǒng)上位機(jī)，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(kù)、異常、離庫(kù)三個(gè)過(guò)程作詳細(xì)說(shuō)明。
    當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建成功，車(chē)主在小區(qū)內(nèi)停好車(chē)后，車(chē)主可以通過(guò)手中的遙控節(jié)點(diǎn)發(fā)送“開(kāi)啟命令”至汽車(chē)車(chē)門(mén)上的傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)收到“開(kāi)啟命令”后，會(huì)向父節(jié)點(diǎn)(錨節(jié)點(diǎn))請(qǐng)求ParentID(用于區(qū)域定位，詳見(jiàn)第4小節(jié))，請(qǐng)求到ParentID后，傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)打開(kāi)其上的紅外對(duì)射傳感器，并分別向服務(wù)器和車(chē)主手中的遙控節(jié)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(kù)”，停車(chē)場(chǎng)管理員就可以通過(guò)上位機(jī)得知該汽車(chē)已經(jīng)入庫(kù)，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(hào)，此時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)向遙控節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器發(fā)送報(bào)警信號(hào)。服務(wù)器收到報(bào)警信號(hào)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(jī)的監(jiān)控界面查看到異常汽車(chē)信息(如車(chē)牌號(hào)等)和區(qū)域定位信息(如汽車(chē)所在車(chē)庫(kù)的編號(hào)等)后會(huì)迅速通知小區(qū)保安趕往異常汽車(chē)現(xiàn)場(chǎng)，并嚴(yán)禁異常汽車(chē)出入小區(qū)。同時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)收到報(bào)警信號(hào)后會(huì)驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)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(qū)內(nèi)，管理員可以通過(guò)上位機(jī)中的車(chē)主信息通知車(chē)主或其家人，以便快速作出相應(yīng)的處理。
    若車(chē)主自己要開(kāi)車(chē)，則可以通過(guò)遙控節(jié)點(diǎn)向車(chē)門(mén)上的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送“關(guān)閉命令”，傳感器節(jié)點(diǎn)收到命令后會(huì)關(guān)閉紅外對(duì)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(kù)”，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(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及功能
    本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括遙控節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)、錨節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器5部分。
    遙控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)開(kāi)啟、關(guān)閉對(duì)應(yīng)汽車(chē)上的安防系統(tǒng)，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、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(bào)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(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)紅外模塊的開(kāi)啟、關(guān)閉以及對(duì)車(chē)門(mén)的監(jiān)控。傳感器節(jié)點(diǎn)硬件部分主要包括CC2530芯片、電源管理單元、天線、晶振、蜂鳴器以及紅外對(duì)射模塊等外圍電路。其中，紅外模塊用來(lái)監(jiān)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(hào)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(diào)制信號(hào)，不但增強(qiáng)了模塊的抗干擾能力，而且可以及時(shí)檢測(cè)車(chē)門(mén)任何形式的異常開(kāi)啟情況。

    路由節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)信息的路由，錨節(jié)點(diǎn)是經(jīng)過(guò)改進(jìn)的路由節(jié)點(diǎn)，但路由節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)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、晶振等電路組成。
    協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)開(kāi)啟ZigBee網(wǎng)絡(luò)，給新入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，匯聚和處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，與PC機(jī)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、晶振等電路組成，串口模塊用來(lái)與PC機(jī)上的串口通信軟件進(jìn)行通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括遙控節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、WEB服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器等部分。
3．1 遙控節(jié)點(diǎn)
    遙控節(jié)點(diǎn)的軟件部分主要實(shí)現(xiàn)液晶的驅(qū)動(dòng)和顯示、按鍵的處理、LED的控制以及與傳感器節(jié)點(diǎn)的通信。程序流程如圖3所示。

3．2 傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
    傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件部分主要實(shí)現(xiàn)紅外模塊的驅(qū)動(dòng)和控制、報(bào)警電路的控制以及與遙控節(jié)點(diǎn)、父節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器之間的通信。程序流程如圖4所示。

3．3 網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)
    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(diào)器軟件和串口通信軟件兩部分。
    當(dāng)協(xié)調(diào)器收到傳感器節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的“開(kāi)啟／關(guān)閉成功”、“報(bào)警”等信息時(shí)，協(xié)調(diào)器會(huì)解析信息并以相應(yīng)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(jù)串口數(shù)據(jù)幀格式解析串口數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)表格相應(yīng)元素的值。另外，串口通信軟件能監(jiān)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(shè)置好串口通信的參數(shù)，如圖5所示。

3．4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    為方便管理，系統(tǒng)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(gòu)的上位機(jī)管理軟件。
    作為B／S架構(gòu)軟件的支撐，Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器必不可少?？紤]到成本和小區(qū)用戶量等因素，Web服務(wù)器使用了免費(fèi)的輕量級(jí)應(yīng)用服務(wù)器Tomcat，數(shù)據(jù)庫(kù)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(tǒng)使用了Apache Jakarta項(xiàng)目組開(kāi)發(fā)的應(yīng)用框架Struts2配合Web網(wǎng)頁(yè)的開(kāi)發(fā)，并且使用功能強(qiáng)大的對(duì)象／關(guān)系映射(Object Relational Mapping)框架Hibernate配合數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)，保證了源碼的簡(jiǎn)練和完全面向?qū)ο蟮娘L(fēng)格。

    上位機(jī)管理軟件分停車(chē)場(chǎng)管理員和普通用戶兩部分開(kāi)發(fā)。停車(chē)場(chǎng)管理員部分主要實(shí)現(xiàn)查看所有用戶信息、查看汽車(chē)狀態(tài)、監(jiān)控車(chē)庫(kù)狀態(tài)、刪除用戶、添加新用戶、修改密碼等功能，普通用戶部分主要實(shí)現(xiàn)查看汽車(chē)狀態(tài)、查看和修改個(gè)人信息等功能。上位機(jī)管理軟件整體結(jié)構(gòu)及流程框圖如圖6所示。

4 區(qū)域定位的實(shí)現(xiàn)
    ZigBee短距離通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有一個(gè)顯著的特點(diǎn)：每個(gè)新加入的節(jié)點(diǎn)必須通過(guò)一個(gè)在其通信范圍內(nèi)的路由器(系統(tǒng)中為錨節(jié)點(diǎn))才能入網(wǎng)。根據(jù)這一特點(diǎn)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域定位的功能。
    系統(tǒng)在每個(gè)錨節(jié)點(diǎn)中設(shè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)唯一的RouterID作為子節(jié)點(diǎn)的ParentID，并且錨節(jié)點(diǎn)所管轄的范圍(用車(chē)庫(kù)號(hào)表示，即圖1中錨節(jié)點(diǎn)定位區(qū)域)與RouterID建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系存儲(chǔ)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中的MatchAddress數(shù)據(jù)表中。因此，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求到錨節(jié)點(diǎn)的ParentID，并通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器就能找到對(duì)應(yīng)的車(chē)庫(kù)號(hào)，得知汽車(chē)目前所在的位置。
    系統(tǒng)提供了以車(chē)庫(kù)為單位的區(qū)域定位監(jiān)控界面，如圖7所示。車(chē)庫(kù)為黃色表示該車(chē)庫(kù)內(nèi)的汽車(chē)一切正常，車(chē)庫(kù)為紅色則表示該車(chē)庫(kù)內(nèi)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(kù)就可以看到異常汽車(chē)及車(chē)主的詳細(xì)信息，方便管理員通知小區(qū)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(jié)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(cè)試中，受到汽車(chē)車(chē)門(mén)等障礙物的干擾，傳感器節(jié)點(diǎn)的通信距離大概在10～20 m左右。

結(jié)語(yǔ)
    系統(tǒng)為實(shí)時(shí)監(jiān)控小區(qū)內(nèi)汽車(chē)安防狀態(tài)而設(shè)計(jì)，很好地利用了ZigBee網(wǎng)絡(luò)和Internet的優(yōu)良性能，克服了傳統(tǒng)汽車(chē)安防系統(tǒng)噪聲擾民、反應(yīng)慢、監(jiān)控范圍小等缺點(diǎn)，提高了物業(yè)公司保護(hù)居民財(cái)產(chǎn)安全的能力。并且系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，在傳感器節(jié)點(diǎn)上可以添加其他類(lèi)型傳感器以實(shí)現(xiàn)更多功能，如添加溫度或煙霧傳感器可以及時(shí)預(yù)警和監(jiān)測(cè)火災(zāi)等。實(shí)際運(yùn)行測(cè)試顯示，系統(tǒng)能夠正常實(shí)現(xiàn)上述功能。