1 設計
從功能的角度出發(fā)，由于城市人口膨脹，小區(qū)人口猛增，小區(qū)居民很容易面臨各種危險。從功能角度出發(fā)智能小區(qū)安防系統(tǒng)(圖1)具有以下幾個部分:
1.1 紅外防盜監(jiān)測單元
小區(qū)人員混雜，人口眾多，做好防盜工作是非常重要的。住戶被盜大多發(fā)生在夜晚，并且是翻窗入戶。因此我們需要在小區(qū)的窗戶上安裝紅外傳感器，如果檢測到紅外線被擋住，采取相應的聲光報警措施。同時把每次檢測出的數據要上傳給上位機顯示，方便物業(yè)管理人員查看。
1.2 溫濕度調節(jié)
小區(qū)的地下室經常會由于溫度過高、濕度過大而引發(fā)一些危險的發(fā)生。我們希望系統(tǒng)能夠自動調節(jié)地下室的溫濕度，使地下室溫濕度處于一個安全的范圍內。系統(tǒng)自動監(jiān)測地下室的溫濕度，并實時將數據上傳給上位機界面顯示。同時，增加一個自動化控制的風扇調節(jié)地下室溫濕度的目的。
1.3 路燈光照調節(jié)
在小區(qū)的道路上，路燈隨處可見，它們耗能大、利用率低以及管理難?；谝陨蠁栴}，路燈光照的強度，并根據光照強度的大小控制自身的亮滅。為實現這一功能，使用光照強度傳感器檢測光照的強弱，并將檢測的數據上傳上位機顯示。當光照強度高于正常光線，路燈會自動關閉;當光照強度低于正常光線，路燈又會自動開啟。
1.4 可燃氣體監(jiān)測單元
在各新聞媒體報道中，小區(qū)經常會發(fā)生煤氣泄露的事故，這時刻危脅著居民的生命和財產安全。所以可燃氣體監(jiān)測在小區(qū)安防系統(tǒng)中是必不可少的。為此，我們在可燃氣體的管道接口處安裝可燃氣體傳感器，該傳感器檢測可燃氣體的泄露，并將數據上傳給上位機;物業(yè)管理人員就會查看到并對其進行搶修。
1.5 煙霧監(jiān)測防火單元
由于小區(qū)樓宇比較密集，小區(qū)的安全直接影響每個居民的身心健康，所以做好防火工作十分重要。因此，我們在小區(qū)的樓與樓之間以及樓層之間安裝檢測煙霧濃度的傳感器，該傳感器將實時上傳采集數據。在發(fā)現采集的數據超過安全濃度，并持續(xù)一段時間，系統(tǒng)會自動啟動消防噴頭，對四周進行灑水。
1.6 智能化控制單元
在該系統(tǒng)中，我們需要防火防盜、地下室溫濕度調節(jié)和路燈光照調節(jié)以及對煤氣管道監(jiān)測。監(jiān)測和采集的這些數據，我們都要統(tǒng)一將他們上傳到上位機上進行分析和顯示。在界面中，我們不僅可以查看當前的數據(圖2)，也可以查看歷史數據，不僅可以用表格的形式顯示，也可以用曲線的形式顯示。在該上位機軟件中還有一個控制功能，只要在界面中點擊開關，即可實現對相應單元的控制，實現手動調節(jié)。
對于居民住戶，我們還要制作網頁，網頁的功能與上位機的功能完全一樣，只是少了控制功能，因為居民只需要了解小區(qū)的安全信息。
2 硬件及軟件實現方法
2.1 概覽
硬件上，我們主要使用了德州儀器(Texas Instruments，下稱TI)的STM32芯片、GPRS芯片和CC2530芯片。軟件上，我們主要用QT Creator軟件編寫了一個可視化的界面(圖3)，并用HTTP制作了一個網站(圖4)，用戶可通過PC或移動終端查看小區(qū)的各項安全系數。
2.2 網關
網關(圖5)主要由STM32芯片、GPRS芯片和CC2530芯片組成。網關放在小區(qū)物業(yè)管理中心，其主要功能是處理數據的上傳和指令的下發(fā)。一方面，上行的數據包通過網關的GPRS模塊發(fā)射出去并儲存在云服務中;另一方面，下行的指令也通過網關的協調器發(fā)至終端節(jié)點。因此，網關主要解決了底層無線傳感器網絡與上位機的協調、通信問題。
網關上安裝有液晶顯示屏，管理人員可隨時查看數據包上傳和指令下發(fā)的狀態(tài)。網關與其他部分是無線連接的，可獨立放置，只需提供5V的電源即可。
2.3 小區(qū)傳感器包
小區(qū)傳感器包主要由DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器、MQ-7可燃氣體傳感器、BH1750強度傳感器和紅外傳感器構成。溫濕度傳感器主要放置在小區(qū)地下室，以防范地下室因為過濕而引起的電線短路等事故;MQ-2主要放置在小區(qū)樓道間和易發(fā)生火災區(qū)域，主要防止火災發(fā)生;MQ-7主要放置在小區(qū)下水管道或燃氣管道旁，防止因可燃氣體泄漏而引起的爆炸;BH1750主要放在小區(qū)人行道，防止因光線過暗而引發(fā)的安全隱患;紅外傳感器放置在窗口上，防止小偷入室盜竊。
2.4 終端節(jié)點
系統(tǒng)的底層是ZigBee無線傳感器網絡部分，該網絡是由CC2530組建的星型結構。終端節(jié)點(圖6)讀取傳感器的數據并傳給協調器，這就完成了底層到中間層的數據上傳。編寫改代碼的協議為ZStack-CC2530，在該協議中可將傳感器上傳的電壓數據轉變?yōu)橄鄳墓庠搹姸群蜔熿F濃度等數據。終端節(jié)點間無需有線連接，只需提供5V的電源供電即可。ZigBee具有低功耗的特點，一般的5V電源可使用半年左右。
2.5 智能防范
底層的每個終端節(jié)點上都有一個COMS管，這是一個由程序控制的智能開關，可當檢測到環(huán)境參數不在閾值內時，這個開關自動開啟，防范各種危險。當地下室溫濕度過高時，排風扇開啟以降低室內濕度;當小區(qū)內發(fā)生火災時，消防噴頭開啟對著火的區(qū)域噴水;當可燃氣體泄漏時，風扇開啟將氣體排出;當道路上光線較暗時，路燈開啟已達到照明的目的;當有人闖入房間時，聲光報警器開啟以提示有人闖入。這些智能防范措施都由節(jié)點自動完成，不需要人工干預，節(jié)省大量人力物力，有很大的實用性。
2.6 上位機和服務器
遠程服務器從各網關節(jié)點接收信息，完成數據解析、處理、存儲、查詢、統(tǒng)計、圖表繪制等其他信息系統(tǒng)集成整合的功能。上位機連接mysql數據庫服務器，與web前端共用一個數據庫。上位機軟件由數據接收、數據處理、數據管理三個部分組成。數據接收部分實現上位機軟件從網口接收數據;數據處理則主要實現了數字信息的可視化;數據管理利用數據庫對數據進行保存，方便查詢與后期處理。另外，客戶端在任何時間地點只要登陸系統(tǒng)服務器指定的網頁，就可在線實時監(jiān)測家里的安防數據信息。
由此可見，基于ZigBee和GPRS的智能小區(qū)安防系統(tǒng)在我國住宅小區(qū)智能化安防建設的廣闊前景。一旦其達到產業(yè)化生產階段，社會市場前景十分可觀。因此無論是開發(fā)商、系統(tǒng)集成商還是設備供應商，都將受益于其廣闊的市場前景。
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