帶區(qū)域定位的小區(qū)汽車安防系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對物業(yè)公司可以獲取小區(qū)內(nèi)車主信息的特點，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的小區(qū)汽車安防系統(tǒng)。系統(tǒng)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)和Internet對小區(qū)內(nèi)汽車進(jìn)行實時監(jiān)控，并且利用ZigBee短距離通信實現(xiàn)了區(qū)域定位。一旦汽車發(fā)生異常，帶有紅外模塊的傳感器節(jié)點會產(chǎn)生報警信號，并將信號傳給停車場管理員和車主。當(dāng)車主不在小區(qū)內(nèi)時，停車場管理員可以通過上位機(jī)中的車主信息及時通知車主或其家人，以便進(jìn)行相應(yīng)的處理。如果車主要開車則可以通過遙控節(jié)點來關(guān)閉車門上的傳感器節(jié)點，以免產(chǎn)生誤報。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)汽車安防系統(tǒng)噪聲擾民、反應(yīng)慢、監(jiān)控范圍小等缺點。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；區(qū)域定位；ZigBee；Internet；汽車安防

引言
傳統(tǒng)汽車安防系統(tǒng)以在汽車上安裝嗚叫報警器為主，但由于外界因素的干攏，報警器往往會產(chǎn)生誤報而發(fā)出巨大噪聲，給小區(qū)居民生活帶來負(fù)面影響，并且報警距離有限，當(dāng)車主不在小區(qū)內(nèi)時，該報警方式就達(dá)不到預(yù)期的效果。近年來，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，GSM／GPRS等技術(shù)已經(jīng)逐漸運用到汽車防盜系統(tǒng)中，通過發(fā)送短信的方式來達(dá)到報警的目的。但這種方式通常只是實現(xiàn)了汽車與車主之間的信息交互，并沒有將報警信息傳遞給小區(qū)物業(yè)，因此在車主收到報警信息趕往停車現(xiàn)場的途中，很可能汽車已經(jīng)失竊。為了更好地保護(hù)小區(qū)居民的財產(chǎn)安全，通過物業(yè)對小區(qū)汽車進(jìn)行綜合管理顯得尤為重要?；谏鲜鲈颍O(shè)計實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的小區(qū)汽車安防系統(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，分別定制了兩種類型的終端和路由器。終端包括傳感器節(jié)點(安裝在汽車車門上，用來監(jiān)控車門)和遙控節(jié)點(車主用于開啟／關(guān)閉安防系統(tǒng))。路由器包括路由節(jié)點(安裝在小區(qū)內(nèi)，用來路由信息)和錨節(jié)點(安裝在停車場上方，用來路由信息和區(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)庫服務(wù)。
1．2 系統(tǒng)工作流程
在該系統(tǒng)中，停車場管理員可以通過上位機(jī)實時監(jiān)控小區(qū)內(nèi)汽車的安防狀態(tài)(在庫、異常及離庫)，并且可以查看汽車的區(qū)域定位信息(汽車所在車庫及當(dāng)前狀態(tài))和車主的個人信息(車主通過互聯(lián)網(wǎng)錄入)。車主則可以隨時登錄系統(tǒng)上位機(jī)，查看自己汽車的安防狀態(tài)以及更改個人信息。下面分別就汽車入庫、異常、離庫三個過程作詳細(xì)說明。
當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建成功，車主在小區(qū)內(nèi)停好車后，車主可以通過手中的遙控節(jié)點發(fā)送“開啟命令”至汽車車門上的傳感器節(jié)點。傳感器節(jié)點收到“開啟命令”后，會向父節(jié)點(錨節(jié)點)請求ParentID(用于區(qū)域定位，詳見第4小節(jié))，請求到ParentID后，傳感器節(jié)點會打開其上的紅外對射傳感器，并分別向服務(wù)器和車主手中的遙控節(jié)點發(fā)送帶有ParentID的“開啟成功”信息。服務(wù)器收到信息后會將該汽車的狀態(tài)改為“在庫”，停車場管理員就可以通過上位機(jī)得知該汽車已經(jīng)入庫，車主收到成功信息后便知道汽車已經(jīng)處于安防狀態(tài)。
在安防狀態(tài)下，若車門被異常打開，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，此時傳感器節(jié)點會自動向遙控節(jié)點和服務(wù)器發(fā)送報警信號。服務(wù)器收到報警信號后會將該汽車的狀態(tài)改為“異常”，管理員通過上位機(jī)的監(jiān)控界面查看到異常汽車信息(如車牌號等)和區(qū)域定位信息(如汽車所在車庫的編號等)后會迅速通知小區(qū)保安趕往異常汽車現(xiàn)場，并嚴(yán)禁異常汽車出入小區(qū)。同時傳感器節(jié)點收到報警信號后會驅(qū)動聲光報警來提醒車主，車主知道自己的汽車存在異常后，便會及時查看自己的汽車狀況。若異常汽車的車主不在小區(qū)內(nèi)，管理員可以通過上位機(jī)中的車主信息通知車主或其家人，以便快速作出相應(yīng)的處理。
若車主自己要開車，則可以通過遙控節(jié)點向車門上的傳感器節(jié)點發(fā)送“關(guān)閉命令”，傳感器節(jié)點收到命令后會關(guān)閉紅外對射傳感器，并向服務(wù)器和車主發(fā)送“關(guān)閉成功”信息，服務(wù)器收到信息后會將汽車的狀態(tài)改為“離庫”，車主收到信息后就可以打開車門將車開走。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計及功能
本系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括遙控節(jié)點、傳感器節(jié)點、錨節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器5部分。
遙控節(jié)點負(fù)責(zé)開啟、關(guān)閉對應(yīng)汽車上的安防系統(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、開關(guān)按鍵以及液晶等外圍電路。其中，蜂鳴器用來報警，開關(guān)按鍵用來控制紅外模塊的開啟和關(guān)閉，液晶用來顯示安防信息。
傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)紅外模塊的開啟、關(guān)閉以及對車門的監(jiān)控。傳感器節(jié)點硬件部分主要包括CC2530芯片、電源管理單元、天線、晶振、蜂鳴器以及紅外對射模塊等外圍電路。其中，紅外模塊用來監(jiān)控汽車車門，包括發(fā)送和接收兩部分，分別安裝在車門和門框上。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(diào)制信號，不但增強(qiáng)了模塊的抗干擾能力，而且可以及時檢測車門任何形式的異常開啟情況。

路由節(jié)點和錨節(jié)點主要負(fù)責(zé)信息的路由，錨節(jié)點是經(jīng)過改進(jìn)的路由節(jié)點，但路由節(jié)點和錨節(jié)點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，負(fù)責(zé)開啟ZigBee網(wǎng)絡(luò)，給新入網(wǎng)節(jié)點分配網(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
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括遙控節(jié)點、傳感器節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、WEB服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等部分。
3．1 遙控節(jié)點
遙控節(jié)點的軟件部分主要實現(xiàn)液晶的驅(qū)動和顯示、按鍵的處理、LED的控制以及與傳感器節(jié)點的通信。程序流程如圖3所示。

3．2 傳感器節(jié)點程序設(shè)計
傳感器節(jié)點的軟件部分主要實現(xiàn)紅外模塊的驅(qū)動和控制、報警電路的控制以及與遙控節(jié)點、父節(jié)點、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
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)點傳來的“開啟／關(guān)閉成功”、“報警”等信息時，協(xié)調(diào)器會解析信息并以相應(yīng)的格式通過串口傳給串口通信軟件。串口通信軟件會根據(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)庫中對應(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)，并能實時顯示解析的信息，值得注意的是，在打開串口前必須先設(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
為方便管理，系統(tǒng)使用Java Web等技術(shù)開發(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)器使用了免費的輕量級應(yīng)用服務(wù)器Tomcat，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器則使用了體積小、速度快、成本低的MySQL。另外，為了方便開發(fā)，系統(tǒng)使用了Apache Jakarta項目組開發(fā)的應(yīng)用框架Struts2配合Web網(wǎng)頁的開發(fā)，并且使用功能強(qiáng)大的對象／關(guān)系映射(Object Relational Mapping)框架Hibernate配合數(shù)據(jù)庫的開發(fā)，保證了源碼的簡練和完全面向?qū)ο蟮娘L(fēng)格。

上位機(jī)管理軟件分停車場管理員和普通用戶兩部分開發(fā)。停車場管理員部分主要實現(xiàn)查看所有用戶信息、查看汽車狀態(tài)、監(jiān)控車庫狀態(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現(xiàn)查看汽車狀態(tài)、查看和修改個人信息等功能。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)域定位的實現(xiàn)
ZigBee短距離通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有一個顯著的特點：每個新加入的節(jié)點必須通過一個在其通信范圍內(nèi)的路由器(系統(tǒng)中為錨節(jié)點)才能入網(wǎng)。根據(jù)這一特點，系統(tǒng)實現(xiàn)了區(qū)域定位的功能。
系統(tǒng)在每個錨節(jié)點中設(shè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)唯一的RouterID作為子節(jié)點的ParentID，并且錨節(jié)點所管轄的范圍(用車庫號表示，即圖1中錨節(jié)點定位區(qū)域)與RouterID建立一一對應(yīng)關(guān)系存儲，在數(shù)據(jù)庫中的MatchAddress數(shù)據(jù)表中。因此，當(dāng)傳感器節(jié)點請求到錨節(jié)點的ParentID，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器時，服務(wù)器就能找到對應(yīng)的車庫號，得知汽車目前所在的位置。
系統(tǒng)提供了以車庫為單位的區(qū)域定位監(jiān)控界面，如圖7所示。車庫為黃色表示該車庫內(nèi)的汽車一切正常，車庫為紅色則表示該車庫內(nèi)存在異常汽車，停車場管理員點擊進(jìn)入紅色車庫就可以看到異常汽車及車主的詳細(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，會受節(jié)點通信距離的影響，目的是方便管理員通知保安人員迅速找到異常汽車。在實際測試中，受到汽車車門等障礙物的干擾，傳感器節(jié)點的通信距離大概在10～20 m左右。

結(jié)語
系統(tǒng)為實時監(jiān)控小區(qū)內(nèi)汽車安防狀態(tài)而設(shè)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(tǒng)汽車安防系統(tǒng)噪聲擾民、反應(yīng)慢、監(jiān)控范圍小等缺點，提高了物業(yè)公司保護(hù)居民財產(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)點上可以添加其他類型傳感器以實現(xiàn)更多功能，如添加溫度或煙霧傳感器可以及時預(yù)警和監(jiān)測火災(zāi)等。實際運行測試顯示，系統(tǒng)能夠正常實現(xiàn)上述功能。