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一种改进的基于BeagleBoard单板机，ZigBee和FTP网络服务器的家庭安全实时监控系统
摘要：实时监控是智能建筑的一个重要方面，具有现代安全需求。该系统采用了一种嵌入式系统，用于监控安装在建筑物内的无线传感器节点和摄像头，以进行安全监控。基于Zigbee协议（IEEE 802.15.4）的无线网络中的许多监视设备连接到基于BeagleBoard单板计算机（SBC）的监视管理系统中。火灾预警和入侵检测是系统的关键功能。当检测到烟雾或入侵者入移动时，系统会通过短信服务（SMS）向手机发送警告信息，开始捕获固定持续时间的实时视频并开启警报。捕获的视频剪辑会立即上传到FTP（文件传输协议）网络服务器，以便以后可以从世界各地检索。该系统的优点是通过集成安全系统的各个组件（传感器，警报，摄像头，无线连接等）来保证可靠性，并利用FTP服务器进行摄像机馈送。
索引项：安全，监视，ZigBee，BeagleBoard，SBC，网络摄像头，FTP网络服务器，PIC微控制器
一 介绍
目前，在数字电子和智能系统领域，建筑自动化已成为世界上发展最快的基于应用的技术之一，自动安全监控系统在为现有的监控系统提供额外的安全层面发挥着重要作用。高速数据传输和无线网络是智能建筑或智能家居的常用设施。这些设施结合用于远程监控的摄像头，可以有效地构建一个基于事件的实时无线安全监控系统来监控建筑物内的不同状态信息。
- 背景研究和概述
世界各地不同的研究小组提出了几种基于不同平台的自动安全监控系统原型。电线方面的最新进展导致了自动化的革新，使得在不破坏原有室内装修的情况下升级现有建筑成为可能。ZigBee无线传感器网络提供了更多机会去构建低成本、低功率、大范围、高可靠性的无线监控应用。
Jun Hou等人提出了一种基于ZigBee【1】的智能家居安全系统，该系统可以通过监控摄像机监控家居内的重要位置。家庭状态短信和图像彩信服务（MMS）可以发送到手机。ZigBee模块用于将系统主板与温度和气体传感器连接，形成无线传感器网络（WSN）。但是这个系统需要一个昂贵的高端系统主板来控制和管理无线传感器网络。
Vivek Nainwal等人提出了一种探索无线传感器网络进行远程监控的系统【2】。传感器用于检测监控区域物体的压力，并随着时间的推移收集信息，以提取感兴趣的事件。事件被路由返回监视管理子系统，然后再进行处理，通过激活摄像头触发第二级分析。监控摄像机收集的信息，即视频或者静止图像，可用于进一步分析和检测入侵对象。最后，通过参考针对事件收集的总体信息，可通过触发报警或者将此信息反馈给有关当局。但是，该系统使用传统的传感器警报方式进行用户通知，而不使用先进的警报方式，如短信或彩信。
Yanbo Zhao and Zhaohui提出了一种移动（GSM）的无线家庭安全系统的低成本全球系统的硬件实现方案【3】。（PSoC）片上传感器节点采用可编程的系统微控制器设备和ZigBee无线收发器模块，但该系统完全依赖传感器进行监控，并改进了监控技术，如：照相机，未使用网络服务器等。
K. Balasubramanian 和 A. Cellatoglu对家庭自动化和安全系统中使用的不同远程控制技术进行了分析【4】.提出了家用电器和安全系统远程监控的基本方案。
图1.系统架构
二 所提议的系统
所提议的监视系统的总体架构如图1所示。该系统以嵌入式系统为基础，由两部分组成。
- 无线监控传感器节点
- 监控管理系统
整个系统采用模块化设计，可在不影响正常工作的情况下，对无线监控传感器节点进行添加和删除。
- 无线监控传感器模式
无线传感器网络由多个传感器节点组成，作为终端设备，“主节点”作为网络协调器。无线传感器网络中的每一个传感器节点通常有几个部分：带有内部天线的无线电接收器或与外部天线的连接。微控制器，一种用于连接传感器并激活警报器和能源的电子电路，通常是电池或嵌入式能源装置。
所提出的系统中的传感器节点有
- 被动红外（PIR）节点
- 火灾报警节点
PIR节点用于感知入侵者的存在，该节点可以放置在房间和其他合适区域的主要入口。火灾报警节点用于检测是否有火灾。
在每个节点中使用微控制器来处理传感器输出。电子蜂鸣器连接到微控制器上以发出警报声。无线功能能通过将ZigBee无线收发器模块连接到微控制器，将其提供给传感器节点。这确保无线传输传感器状态信息在无线传感器网络，所有传感器节点都被配置为“终端设备”，基于ZigBee协议的无线网络是它们之间的通信媒介。控制其他节点之间通信的节点称为“网络协调器”或“主节点”。在这里，主节点连接到一个基于SBC的监控管理系统，来自不同节点的感应器数据被转发到主节点。
- 监督管理系统
监控管理系统管理短信警报，无线源，摄像头源，视频文件上传到ftp网络服务器等。它是在安装了操作系统（OS）的SBC上实现的。该系统包括一个固定的通用串行总线（USB）网络摄像头，用于捕获实时视频剪辑和有线局域网（LAN）连接，用于视频文件上传到ftp服务器。传感器节点上发生的任何事件都将使用连接到监视管理系统的ZigBee无线收发器路由返回监视管理系统。在检测到事件时，系统使用GSM调制解调器向选定的收件人生成警报短信。当无线传感器网络上的事件发生时，摄像机将切换到激活状态。实时视频在固定的时间段内被捕获，视频片段使用高级语言编写的操作系统应用程序上载到ftp服务器。
三详细的系统设计
整个系统设计可分为两个部分：无线监控传感器节点设计和监控管理系统设计。
- 无线监控传感器节点设计
PIR节点和火警节点的方框示意图分别如图2和图3所示。
监视传感器节点分别由一个用于传感器接口的28引脚PIC微控制器(PIC16F873A)和一个作为ZigBee无线接收器的XBEE模块组成。PIC单片机采用5 V电源供电; 和3.3V的XBEE模块。 因此，使用可变电压调节器IC产生3.3V的单独稳压电源。 XBEE模块可以直接连接到PIC单片机的通用同步异步接收器/发送器（USART）模块。 传感器节点使用的XBEE模块配置为“Zigbee终端设备”。电子蜂鸣器驱动电路使用BC547 NPN晶体管实现。
图2. PIR节点
图3.火灾警报节点
PIR节点采用PIR传感器进行入侵检测。 PIR传感器包含热电装置，其仅响应由活体发射的红外辐射，其在9.4微米至10.4微米的波长下的辐射最强。 PIR传感器模块具有数字输出[6]，因此它直接连接到PIC单片机的数字输入引脚。
火警节点由烟雾传感器组成，用于检测火灾的存在。 MQ-2烟雾传感器用于所提出的系统[7]。 MQ-2具有模拟电压输出，该模拟电压连接到PIC单片机的模数转换器（ADC）输入引脚。
该电路以通用方式设计，因此可以使用相同的节点连接PIR传感器和烟雾传感器。 LED指示用于指示传感器输出状态、通电状态等。图4示出了监视传感器节点。
图4.无线监控传感器节点
- 监控管理系统设计
监控管理系统在BeagleBoard SBC上实施。 BeagleBoard是一种低功耗，低成本的开源硬件，采用德州仪器（TI OMAP-3）开发的双核微处理器。 TI OMAP-3的ARM Cortex-A8 CPU可以运行像Ubuntu Linux这样的开源嵌入式操作系统。 选择用于为监视管理系统编写OS应用程序的高级编程语言是Java。 监视管理系统的框图如图5所示。
图5.监控管理系统
BeagleBoard [8]的Ubuntu Linux操作系统映像被提取到SD卡[9]。 BeagleBoard的视频输出连接到显示器。 外部USB集线器设备连接到BeagleBoard，并且该集线器直接连接USB设备，如键盘，鼠标和网络摄像头等。 通过此设置可以轻松完成必要的操作系统配置，如登录详细信息，LAN设置等。
必须在BeagleBoard上建立Zigbee无线网络连接，以管理无线监控传感器节点。 XBEE模块不能直接连接到BeagleBoard的串行通信端口，因为电压电平彼此不兼容。 XBEE模块具有TTL输出和输入; 但BeagleBoard需要RS-232接口电压等级。 通过设计XBEE RS-232接口模块解决了这个问题，该模块充当BeagleBoard和XBEE模块之间的电压电平转换器。 XBEE RS-232接口模块的原理框图如图6所示。
图6.XBEE RS-232接口模块的框图
可以通过访问BeagleBoard的串行通信端口来测试XBEE RS-232接口模块。 来自Zigbee网络的无线数据可以通过BeagleBoard的串口访问，接收到的数据可以在Ubuntu Linux OS的#39;minicom#39;终端窗口（类似于Windows OS的#39;hyper terminal#39;的Linux串行通信终端）上查看。 图7显示了XBEE RS-232接口模块。
图7.XBEE RS-232接口模块
四 系统工作
整个系统的工作可分为三个部分。
1）利用基于Zigbee的WSN和PIC微控制器工作监视传感器节点。
2）基于BeagleBoard的监视管理系统的工作，该系统在Ubuntu Linux OS上运行基于Java的应用程序。
3）FTP Web服务器存储来自监视管理系统的实时信息。
监视传感器节点中使用的Zigbee模块配置为“Zigbee终端设备”。 使用的网络拓扑是星型拓扑，“Zigbee网络协调器”或“主节点”驻留在基于BeagleBoard的监视管理系统中。
每个传感器节点使用PIC微控制器处理传感器输出，并且每个PIC都连接PIR传感器或烟雾传感器。 用于PIC单片机的嵌入式C应用程序以这样的方式编写：在检测到传感器输出时，警报蜂鸣器开始发出“嘟嘟”声，连接到微控制器的Zigbee模块将向监视管理系统发送代码编号。。 此代码编号表示事件发生的位置（通常是楼层编号）。 例如，如果连接到PIC的PIR传感器检测到人的存在，则将放置在第一层的PIR节点中使用的PIC编程为发送代码号“1”。 类似地，二层PIR节点中的PIC单片机将发送代码号为“2”。
最多可以将10个PIR节点添加到WSN中，其中PIR节点中使用的PIC微控制器被编程为发送其所在的相应楼层号。如果监视传感器节点是火警节点，则使用的传感器是烟雾传感器。这里分配给楼层的代码字是#39;A#39;，#39;B#39;，#39;C#39;等。例如，如果在第一层存在烟雾，并且如果传感器检测到烟雾，则该节点中使用的PIC微控制器将发送代码通过Zigbee模块显示“A”字样，表明在一楼产生了烟雾。类似地，代码字#39;B#39;被分配给第二层，代码字#39;C#39;被分配给第三层，并且该字母顺序继续。这里也可以向WSN添加多达十个火警节点，这意味着分配的最后一个代码字是#39;J#39;;指示十楼。这种将代码号分配给传感器节点的方法具有模块化设计的优点，即可以添加或移除无线传感器节点而不影响整个系统的正常工作。设计人员只需编程传感器节点;不是监督管理系统。
预计监视管理系统将被放置在建筑物的主要房间中，例如， 在更衣室里面。 该系统基于BeagleBoard SBC构建，该SBC在Ubuntu Linux OS上运行基于Java的应用程序。 此Java代码管理与BeagleBoard的串行和USB端口相关的输入/输出，使用GSM调制解调器生成SMS，使用网络摄像头进行实时视频捕获以及将视频剪辑上载到FTP服务器。 以下Java类被添加到主Java程序中，其中每个Java类将执行特定任务，主类将管理所有其他类。 （java类可以被认为是一个有效的Java程序）。
1）Beagle Board串口读取。
2）使用GSM调制解调器生成警报SMS。
3）使用网络摄像头进行视频捕获。
4）使用定时信息重命名视频文件。
5）视频文件上传到FTP服务器。
6）视频文件删除。
连接到Beagle-Board的Zigbee协调器模块可以接收传感器节点发送的代码号。 在BeagleBoard上运行的Java应用程序将解码此代码，并将向用户移动号码生成警报SMS，指示事件发生的楼层号。 例如，如果在第一层检测到入侵者存在，则发送给用户移动设备的SMS将是警告消息，其指示入侵者在楼层上发现没有。 如果在一号楼层发现烟雾, 发送给用户手机的提醒短信将指示一号楼层有火灾。
USB网络摄像头连接到基于BeagleBoard的监控管理系统，通常处于关闭状态。 每当有人进入放置监视管理系统的房间时，网络摄像头就开始捕获30秒持续时间的实时视频。 然后，使用当前年份，月份，日期和时间重命名此视频片段，并将捕获的视频片段立即上载到FTP服务器，即ftp.technologiesoftomorrow.com。 成功上载后，将从SD卡中删除相同的文件，以有效利用内存。 如果上传不成功，则不会从SD卡中删除该文件。 将文件上载到FTP Web服务器可确保全球访问视频剪辑。 即使监视管理系统发生任何损坏，捕获的视频剪辑也是安全的。
使用的FTP服务器是“ftp.technologiesoftomorrow.com”，只需在任何常用的Web浏览器上键入URL“ftp://ftp.technologiesoftomorrow.com”即可访问该服务器的网页。
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