基于数据融合的家庭远程监护系统研究

苗唤舟++唐旺++庞允建++王朗

摘 要

本文提出一种基于视频和安防数据的家庭远程监护系统。该系统由无线传感器与嵌入式报警终端连接，报警终端通过GPRS与后台服务器实现远程信息交互。同时手机用户利用开发的APP软件与远程服务器相连，完成家庭远程监控和管理。通过这种基于数据融合的远程家庭监护系统，满足了家中特殊人群的健康关注和安防需求。

【关键词】数据融合 无线传感 远程监控

智慧家居是一个典型的物联网系统（Cyber-Physical Systems， CPS），来自学术界和工业界的许多国际著名专家学者已经指出，物联网系统将改变人与自然交互的方式，就像Internet 改变了人与人交流、沟通的方式一样。本文介绍了一种基于数据融合的家庭远程监护系统，它通过安装在家中的无线传感器，实时监测家中情况，如有意外发生，传感器会发出信号，传递到嵌入式系统，再通过GPRS信息传递系统将报警信息及时传递到用户手机或电脑上，实现了信息的及时反馈。本文首先介绍了该系统的主要架构，然后具体介绍了实现架构的各模块的主要设计，最后给出相应的实验结果。

1 远程监护系统的系统架构分析

1.1 需求分析

从安防角度来讲，智能家居安防系统可实现家居安防的报警点的等级布防，并采用逻辑判断，避免系统误报警；可采用手机或者平板电脑对系统进行布防、撤防，一旦发生报警，系统自动确认报警信息、状态及位置，而且报警时能够自动强制占线。本系统基于以下的主要需求展开研究：

1.1.1 报警及联动需求

通过安装门磁、窗磁，防止非法入侵，主人可通过安装在住户室内的报警控制器，在手机上得到信号从而快速接警处理。同时，报警联动控制可在室内发生报警时，系统向外发出报警信息的同时，可自动打开室内的照明灯光、启动警号等。

1.1.2 紧急求助需求

安装在室内的报警控制器具有紧急呼叫功能，小区管理中心可对住户的紧急求助信号做出回应和救助。

1.1.3 报警管理显示需求

住户离开家时，设防进入离家模式即防盗报警状态，为有效防止非法入侵，用户的手机可实时接收报警信号，自动显示报警类型，并自动进行系统信息存档。

1.1.4 设/撤防联动控制需求

主人外出前启动安全防范系统的同时，系统可以联动切断某些家用电器的电源，例如：关掉所有的灯光，切断电熨斗、电水壶、电视机等家用电器的插座电源等；主人回家时可调整为正常，进入在家撤防模式，部分照明灯自动打开，门磁和窗磁离线，而室内烟感探测器和厨房的可燃气体探测器仍在报警模式。

当然，家庭智能安防系统是智能化住宅小区的重要组成部分，通过小区与家庭安防系统对小区及家居重点区域的实时监控、层层设防，可让小区居民生活在无形防盗网之中，先进的人性化防范，也让智能住宅小区具备了立体化、全方位的安全保障。

1.2 架构设计

本系统由无线传感器，嵌入式系统，GPRS信息传递系统，互联网信息收集系统五个主要部分组成。前端的无线传感器可分为无线烟雾传感器，无线煤气探测器，无线红外传感器，无线红外对射等。若有人非法入侵或有意外发生等，无线传感器便会立刻将报警信号传递到嵌入式系统，嵌入式系统通过GPRS将信息通过互联网传递到警情应用管理服务器上，同时能传递至用户的手机或电脑上，手机软件和电脑浏览器会记录下这些信息，以备查阅，如图1所示。

2 系统架构的实现

该系统由硬件与软件两大模块实现，硬件模块中由传感器模块，主控模块，通信模块三个主要部分组成，具体运行流程如图2所示。

2.1 硬件部分的实现

2.1.1 传感器模块

传感器模块由ZigBee模块来实现，ZigBee模块采用CC2530芯片，它是德州仪器生产的、基于2.4 GHz无线发射与接收器，内部包括数据的筛选以及地址的识别功能，同时内部集成了8051的CPU核。在ZigBee的节点模块中，配置了MQ-2系列的可燃气体及烟雾传感器模块（检测可燃气体的浓度）、人体红外感应模块（感应到人体活动）、电磁继电器（通过接入电器的零线和火线至继电器的常闭端以及公共端来控制电器设备）、DS18B20温度传感器（检测温度值）以及光敏传感器（检测光照值）。而ZigBee的网关模块主要接收节点的传感信息，并通过串口将收到的数据实时传输给主控设备。

2.1.2 主控模块

ARM主控模块采用S3C2440A控制器，S3C2440A是韩国三星公司推出的16/32位RISC微控制器，其CPU采用的是ARM920T内核。ARM内核对传送的数据接收处理，如图3所示。

2.1.3 通信模组

该通信模组使用SIM300为主芯片，以无线移动网络GPRS实现点对点数据和语音数据的传输。同时，模组在网络传输层具备TCP/IP协议，可实现无线网络通信。模组具有标准的通信串行接口UART，可与主芯片及其他任何具有标准UART串口的控制器实现连接通信。该模组具备的特性如下：

（1）兼容GSM Phase 2/2+制式，并支持三种主流频段DCS1800M、PCS1900ME、GSM900M。

（2）可提供PPP连接并集成PAP协议。

（3）具备TCP/IP协议栈，可实现上网通信功能。

（4）支持PBCCH（包交换广播控制通道）。

（5）满足USSD（无限制的辅助服务数据）支持。GPRS模组使用标准串口与主控制器进行通讯。模组带有一个10针的接口，该接口可以直接和MCU相连接。或者用户可以通过模组上的RS232接口和PC机直接相连接使用。GPRS模组需通过J4的电源开关信号（PWRKEY）输入引脚向GPRS模组输入上电时序GPRS才能被启动，启动后GPRS的信号指示灯会闪烁。也可以手 动按下GPRS模组上的ON/OFF按键，大约2秒之后松开，GPRS模组亦可以被启动。GPRS模组启动之后，即可通过UART接口发送AT指令来控制语音或数据收发。

2.2 软件部分实现

软件设计工作量主要集中在Android客户端、硬件系统中的主控模块以及无线通信节点网关ZigBee等模块的数据传输管理和控制实现。软件模块采用Linux的程序编写，它是一套 Unix-like 的操作系统，可实现多用户并发请求处理，它控制整个系统基本服务的核心程序 （kernel）。移动客户端采用Android用于定制开发，开源丰富，如图4所示。

3 实验结果

该系统具有模式切换的功能。当家中无人时，可利用客户端将手机置于“absence”状态。此时，该系统的安防设备传感器（如门磁、窗磁、红外感应探测器等防盗传感器）均处于工作状态，有人闯入，即时触发传感器，系统自动报警，并自动上传报警信息给移动客户端。当家中有人，客户端显示为“present”状态，智能网关自动关闭安防传感设备，并打开煤气、烟雾、火灾等预警装置。该模式切换功能可以保证对家中实现全天候的监控，数据无缝传输到后台服务器，并实时显示到手机终端。系统功能展示如图5所示。

（a）求助中心面板。求助中心可以一键报警，也可以发送图文报警和语音报警，并把报警信息显示出来。

（b）撤布防控制面板。可显示各监控地点的信息与监控地的地理位置，提供远程对主机的撤防、布防工作。

（c）视频播放面板。能够实时查看各时段的监控画面，并以2x速度4x速度8x速度播放视频。

（d）公共信息面板。以瀑布流的形式来展现云平台中发布的视频信息，用户也可以自行搜索相关信息。列表中每一个项都是图文形式的，带视频截图和文字描述信息。

（e）消息面板。消息列表具有报警消息，系统消息，用户消息，商业消息。

（f）个人中心面板。个人中心用来导航到个人信息设置，客户端系统设置，账户设置等面板。

4 结论

该智慧家居远程监控系统，通过安置在家中的无线传感器与报警主机，可将报警信息通过无线报警模块传递到用户的手机或电脑上，同时通过GPRS系统实现数据的传递与地理位置的显示。该系统能够解决家庭中特殊人群的健康关注和安全防范的问题，今后将随着各传感器的更新换代，控制系统成本，得到更多的市场认同。

（通讯作者：王朗）

参考文献

[1]胡文山，周洪.智能家居控制系统[J].中国电力出版社，2006.

[2]朱望纯，庞少东，董修远.基于多传感器的远程家庭老人监护系统的设计[D].桂林电子科技大学，2014.

[3]韩秀峰等.智能家居安防系统设计与实现[D].大连：大连理工大学，2009.

[4]Kirk Zurell[M].C Programing For Embedded Systems

[5]杨海清，周安栋，罗勇，陈牧.嵌入式系统实时网络通信中的LCD显示设计方法[J].计算机与数字工程，2010（02）.

[6]罗时飞.精通Spring2.0[M].北京：北京电子工业出版社，2007.

[7]王倩等.基于C/S结构的内存数据库研究与设计[D].长春：东北大学，2008.

[8]P Perez，J Vermaak，A Blake.Data fusion for visual tracking with particles[J].2010.

[9]J Bleiholder，F Naumann.Data fusion[J].Acm Computing Surveys，2008

[10]D Burns，A Mei，M Scott.Systems and methods for remote monitoring of contaminants in fluids[J].US，2011.

作者简介

王朗（1980-），男，现为浙江大学宁波理工学院讲师，主要研究方向为无线传感网络。

作者单位

浙江大学宁波理工学院 浙江省宁波市 315100