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。當車主不在小區(qū)內(nèi)時，停車場管理員可以通過上位機中的車主信息及時通知車主或其家人，以便進行相應的處理。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)居民生活帶來負面影響，并且報警距離有限，當車主不在小區(qū)內(nèi)時，該報警方式就達不到預期的效果。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。為了更好地保護小區(qū)居民的財產(chǎn)安全，通過物業(yè)對小區(qū)汽車進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。上位機包括Web服務和數(shù)據(jù)庫服務。
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，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說明。
當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)點和服務器發(fā)送報警信號。服務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中的車主信息通知車主或其家人，以便快速作出相應的處理。
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，并向服務器和車主發(fā)送“關(guān)閉成功”信息，服務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)點負責開啟、關(guān)閉對應汽車上的安防系統(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)點負責紅外模塊的開啟、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)點主要負責信息的路由，錨節(jié)點是經(jīng)過改進的路由節(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，負責開啟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機進行串口通信等。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機上的串口通信軟件進行通信。

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服務器和數(shù)據(jù)庫服務器等部分。
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)庫中對應表格相應元素的值。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)的上位機管理軟件。
作為B／S架構(gòu)軟件的支撐，Web服務器和數(shù)據(jù)庫服務器必不可少?？紤]到成本和小區(qū)用戶量等因素，Web服務器使用了免費的輕量級應用服務器Tomcat，數(shù)據(jù)庫服務器則使用了體積小、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)的應用框架Struts2配合Web網(wǎng)頁的開發(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(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格。

上位機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)標準有一個顯著的特點：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建立一一對應關(guān)系存儲，在數(shù)據(jù)庫中的MatchAddress數(shù)據(jù)表中。因此，當傳感器節(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)到服務器時，服務器就能找到對應的車庫號，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入紅色車庫就可以看到異常汽車及車主的詳細信息，方便管理員通知小區(qū)保安進行查看。

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、反應慢、監(jiān)控范圍小等缺點，提高了物業(yè)公司保護居民財產(chǎn)安全的能力。并且系統(tǒng)具有很強的擴展能力，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警和監(jiān)測火災等。實際運行測試顯示，系統(tǒng)能夠正常實現(xiàn)上述功能。