带区域定位的小区汽车安防系统设计

摘要：针对物业公司可以获取小区内车主信息的特点，设计了基于物联网的小区汽车安防系统。系统通过ZigBee网络和Internet对小区内汽车进行实时监控，并且利用ZigBee短距离通信实现了区域定位。一旦汽车发生异常，带有红外模块的传感器节点会产生报警信号，并将信号传给停车场管理员和车主。当车主不在小区内时，停车场管理员可以通过上位机中的车主信息及时通知车主或其家人，以便进行相应的处理。如果车主要开车则可以通过遥控节点来关闭车门上的传感器节点，以免产生误报。该系统克服了传统汽车安防系统噪声扰民、反应慢、监控范围小等缺点。
关键词：物联网；区域定位；ZigBee；Internet；汽车安防

引言
    传统汽车安防系统以在汽车上安装呜叫报警器为主，但由于外界因素的干拢，报警器往往会产生误报而发出巨大噪声，给小区居民生活带来负面影响，并且报警距离有限，当车主不在小区内时，该报警方式就达不到预期的效果。近年来，随着通信技术的发展，GSM／GPRS等技术已经逐渐运用到汽车防盗系统中，通过发送短信的方式来达到报警的目的。但这种方式通常只是实现了汽车与车主之间的信息交互，并没有将报警信息传递给小区物业，因此在车主收到报警信息赶往停车现场的途中，很可能汽车已经失窃。为了更好地保护小区居民的财产安全，通过物业对小区汽车进行综合管理显得尤为重要。基于上述原因，设计实现了基于物联网的小区汽车安防系统。

1 系统组成及工作流程
1．1 系统各部分组成
    本系统可分为ZigBee网络、网关及上位机三部分。系统结构如图1所示。

    ZigBee网络由终端、路由器和协调器三部分组成，为了满足系统功能需求，分别定制了两种类型的终端和路由器。终端包括传感器节点(安装在汽车车门上，用来监控车门)和遥控节点(车主用于开启／关闭安防系统)。路由器包括路由节点(安装在小区内，用来路由信息)和锚节点(安装在停车场上方，用来路由信息和区域定位)。网关由协调器和串口通信软件组成。上位机包括Web服务和数据库服务。
1．2 系统工作流程
    在该系统中，停车场管理员可以通过上位机实时监控小区内汽车的安防状态(在库、异常及离库)，并且可以查看汽车的区域定位信息(汽车所在车库及当前状态)和车主的个人信息(车主通过互联网录入)。车主则可以随时登录系统上位机，查看自己汽车的安防状态以及更改个人信息。下面分别就汽车入库、异常、离库三个过程作详细说明。
    当ZigBee网络组建成功，车主在小区内停好车后，车主可以通过手中的遥控节点发送“开启命令”至汽车车门上的传感器节点。传感器节点收到“开启命令”后，会向父节点(锚节点)请求ParentID(用于区域定位，详见第4小节)，请求到ParentID后，传感器节点会打开其上的红外对射传感器，并分别向服务器和车主手中的遥控节点发送带有ParentID的“开启成功”信息。服务器收到信息后会将该汽车的状态改为“在库”，停车场管理员就可以通过上位机得知该汽车已经入库，车主收到成功信息后便知道汽车已经处于安防状态。
    在安防状态下，若车门被异常打开，红外接收端将不能收到由红外发送端发送的38 kHz红外信号，此时传感器节点会自动向遥控节点和服务器发送报警信号。服务器收到报警信号后会将该汽车的状态改为“异常”，管理员通过上位机的监控界面查看到异常汽车信息(如车牌号等)和区域定位信息(如汽车所在车库的编号等)后会迅速通知小区保安赶往异常汽车现场，并严禁异常汽车出入小区。同时传感器节点收到报警信号后会驱动声光报警来提醒车主，车主知道自己的汽车存在异常后，便会及时查看自己的汽车状况。若异常汽车的车主不在小区内，管理员可以通过上位机中的车主信息通知车主或其家人，以便快速作出相应的处理。
    若车主自己要开车，则可以通过遥控节点向车门上的传感器节点发送“关闭命令”，传感器节点收到命令后会关闭红外对射传感器，并向服务器和车主发送“关闭成功”信息，服务器收到信息后会将汽车的状态改为“离库”，车主收到信息后就可以打开车门将车开走。

2 系统硬件设计及功能
    本系统的硬件设计主要包括遥控节点、传感器节点、锚节点、路由节点和协调器5部分。
    遥控节点负责开启、关闭对应汽车上的安防系统，并接收、显示安防信息。硬件部分主要包括CC2530芯片、电源管理单元、天线、晶振、蜂鸣器、开关按键以及液晶等外围电路。其中，蜂鸣器用来报警，开关按键用来控制红外模块的开启和关闭，液晶用来显示安防信息。
    传感器节点负责红外模块的开启、关闭以及对车门的监控。传感器节点硬件部分主要包括CC2530芯片、电源管理单元、天线、晶振、蜂鸣器以及红外对射模块等外围电路。其中，红外模块用来监控汽车车门，包括发送和接收两部分，分别安装在车门和门框上。发送端利用HEF 40106BT芯片组成的谐振电路在红外信号上加载了38 kHz的载波，如图2(a)所示；接收端与CC2530的P05口相连，如图2(b)所示，采用HS0038接收器接收红外调制信号，不但增强了模块的抗干扰能力，而且可以及时检测车门任何形式的异常开启情况。

    路由节点和锚节点主要负责信息的路由，锚节点是经过改进的路由节点，但路由节点和锚节点的硬件部分完全相同，都是由CC2530芯片、电源管理单元以及天线、晶振等电路组成。
    协调器是ZigBee网络的汇聚节点，负责开启ZigBee网络，给新入网节点分配网络地址，汇聚和处理网络数据，与PC机进行串口通信等。硬件部分由CC2530芯片、电源管理单元、串口模块以及天线、晶振等电路组成，串口模块用来与PC机上的串口通信软件进行通信。

3 系统软件设计
    本系统的软件设计主要包括遥控节点、传感器节点、网关、WEB服务器和数据库服务器等部分。
3．1 遥控节点
    遥控节点的软件部分主要实现液晶的驱动和显示、按键的处理、LED的控制以及与传感器节点的通信。程序流程如图3所示。

3．2 传感器节点程序设计
    传感器节点的软件部分主要实现红外模块的驱动和控制、报警电路的控制以及与遥控节点、父节点、协调器之间的通信。程序流程如图4所示。

3．3 网关程序设计
    网关是连接ZigBee网络和Internet的桥梁，其软件部分包含协调器软件和串口通信软件两部分。
    当协调器收到传感器节点传来的“开启／关闭成功”、“报警”等信息时，协调器会解析信息并以相应的格式通过串口传给串口通信软件。串口通信软件会根据串口数据帧格式解析串口数据，并根据数据内容设置数据库中对应表格相应元素的值。另外，串口通信软件能监控串口的状态，并能实时显示解析的信息，值得注意的是，在打开串口前必须先设置好串口通信的参数，如图5所示。

3．4 上位机软件设计
    为方便管理，系统使用Java Web等技术开发了基于MVC(ModelViewController)模型的B／S(Browser／Server)架构的上位机管理软件。
    作为B／S架构软件的支撑，Web服务器和数据库服务器必不可少。考虑到成本和小区用户量等因素，Web服务器使用了免费的轻量级应用服务器Tomcat，数据库服务器则使用了体积小、速度快、成本低的MySQL。另外，为了方便开发，系统使用了Apache Jakarta项目组开发的应用框架Struts2配合Web网页的开发，并且使用功能强大的对象／关系映射(Object Relational Mapping)框架Hibernate配合数据库的开发，保证了源码的简练和完全面向对象的风格。

    上位机管理软件分停车场管理员和普通用户两部分开发。停车场管理员部分主要实现查看所有用户信息、查看汽车状态、监控车库状态、删除用户、添加新用户、修改密码等功能，普通用户部分主要实现查看汽车状态、查看和修改个人信息等功能。上位机管理软件整体结构及流程框图如图6所示。

4 区域定位的实现
    ZigBee短距离通信技术标准有一个显著的特点：每个新加入的节点必须通过一个在其通信范围内的路由器(系统中为锚节点)才能入网。根据这一特点，系统实现了区域定位的功能。
    系统在每个锚节点中设ZigBee网络唯一的RouterID作为子节点的ParentID，并且锚节点所管辖的范围(用车库号表示，即图1中锚节点定位区域)与RouterID建立一一对应关系存储，在数据库中的MatchAddress数据表中。因此，当传感器节点请求到锚节点的ParentID，并通过ZigBee网络、网关转发到服务器时，服务器就能找到对应的车库号，得知汽车目前所在的位置。
    系统提供了以车库为单位的区域定位监控界面，如图7所示。车库为黄色表示该车库内的汽车一切正常，车库为红色则表示该车库内存在异常汽车，停车场管理员点击进入红色车库就可以看到异常汽车及车主的详细信息，方便管理员通知小区保安进行查看。

    这种定位方法只是一种粗略的定位，会受节点通信距离的影响，目的是方便管理员通知保安人员迅速找到异常汽车。在实际测试中，受到汽车车门等障碍物的干扰，传感器节点的通信距离大概在10～20 m左右。

结语
    系统为实时监控小区内汽车安防状态而设计，很好地利用了ZigBee网络和Internet的优良性能，克服了传统汽车安防系统噪声扰民、反应慢、监控范围小等缺点，提高了物业公司保护居民财产安全的能力。并且系统具有很强的扩展能力，在传感器节点上可以添加其他类型传感器以实现更多功能，如添加温度或烟雾传感器可以及时预警和监测火灾等。实际运行测试显示，系统能够正常实现上述功能。