基于物联网技术的宿舍安全防控系统设计与实现

基于物联网技术的宿舍安全防控系统设计与实现队员1:队员2:诚信承诺申明设计竞赛章程》关于竞赛作品的知识产权之全部条款，郑重申明，在参加全国大学生物联网设计竞赛时所呈交的竞赛作品及作品设计文档均为参赛队员在指导教师指导下独立完成。尽本参赛队所宿舍安全防控系统采用RFID、传感器和摄像头等采集各个宿舍的状态信该系统的设计主要分为上位机和下位机两个大的方面。上位机主要是对采集过来的信息进行汇总、存档并进行分析。前台软件开发基于VS2010平台，使用Java语言。下位机主要功能是宿舍状态信息的采集，使用通用型描述中采用了图示、表格、用例等方法。全国大学生物联网设计竞赛设计文档[基于物联网技术的宿舍安全防控系统]第一章设计需求分析 11.1设计背景 11.2作品意义 1第二章特色与创新 22.1本系统的优势 22.2本系统的创新点 2第三章功能规划 33.1功能规划及功能分析 33.2系统功能描述 3第四章硬件组成 54.1单片机的选型 4.2红外感应模块的选择 54.2.1红外感应模块的简介 54.3摄像头模块的设计与实现 64.3.1摄像头模块的简介 64.3.2摄像头模块的设计 74.4信息发送模块的设计与实现 84.4.1信息发送模块的简介 84.4.2信息发送模块的设计 9 4.5.1RFID模块的简介 第五章软件架构和开发环境 5.1上位机开发环境 5.2.1摄像头拍照程序 第六章数据传输技术应用 206.1CRC校验简介 20 21 参考文献 23全国大学生物联网设计竞赛设计文档[基于物联网技术的宿舍安全防控系统]1第一章设计需求分析宿舍安全问题关系到在校师生的直接利益和财产安全。近些年来，由于大学校园面积普遍较大，且人员混杂，盗窃案件时有发生。很多学校为了加强安全管理机制消耗了较大的财力和物力，使师生丢失财物的问题基本上得到了解决。但还有个别盗窃案件发生，尤其是学生宿舍这种出入人数比较多的地方。经过我们小组的调查发现，现在的宿舍安全管理主要是通过门卫和楼道监控的方式，起到了一定防控效果，但存在一些漏洞。比如：每个楼层仅安装两个摄像头，有很多盲区；一些大学装有的门禁系统也是以整个楼为单位，非本楼层的人员很容易混进楼层，实施非法活动。鉴于以上情况，本小组设计了一套安全防控系统，完善现有的宿舍安防系统。1.2作品意义该安全防控系统以宿舍为单位安装智能安防系统，即使非法人员绕过门卫和监控进入本楼，也可以对单个宿舍起到防盗作用。智能安防系统在基本的安防基础上，另外增加了智能手机获取宿舍报警信息的功能。安防系统系统采用两种工作模式，即正常情况下，宿舍中有本宿舍成员时，可将系统调至休眠模式，当宿舍无人时，调至工作模式，非法用户闯入时唤醒报警。该方案不但降低了系统的总体能耗，同时延长了系统硬件的使用寿命，为宿舍构建一个更加智能化的安全防控系统。2第二章特色与创新2.1本系统的优势(1)与现有的宿舍安全防护系统相比：目前，国内的宿舍安全防护系统已有很多产品，如海康威视公司的“智能校园”项目，结合了安防和教育与一体，采用了多种传感器和监控设备，实现安全校园和智能校园的完美结合。但整个系统规模比大，范围广，价格也比较高，需要强大的财力支持，而且海康威视公司技术保密，不利于技术研究和科研工作。与之相比，本安全防护系统，价格低，功能全，技术开放，适(2)与现有的门禁锁相比：现有市场上有很多门禁系统，如密码锁系统、指纹密码锁等等，但普遍造价昂贵，并不适用于校园宿舍，而本系统成本低，且对宿舍门锁没有要求，安装使用系统时避免了大面积换锁，安装方便。2.2本系统的创新点(1)本系统可以添加多种传感器，如烟雾传感器，当发生火灾时，也会触发报警，可以多方面的起到宿舍安保的作用。(2)本系统有短信报警和PC端报警功能。当宿舍有人闯入或发生火灾时，会同时向宿舍成员发送短信报警和楼管处的PC端发送报警信息，此信息可以是宿舍图片，以便学生和楼管迅速做出反应并追查闯入宿舍的非法人员。全国大学生物联网设计竞赛设计文档[基于物联网技术的宿舍安全防控系统]3第三章功能规划3.1功能规划及功能分析宿舍安全防控系统需要实现安全防控的功能，学生不在宿舍时，对学生宿舍进行监控。如果有人非正当闯入宿舍能够及时的通知学生和楼管，以便采取措施。综合以上问题该系统应具备以下几个功能：1.检测非正当进入和火灾报警功能；2.宿舍情况拍照功能；3.近程信息通知功能；4.远程信息通知功能。针对上述描述的各个功能分析如下：1.检测非正当进入和火灾报警功能相关模块：人体红外感应传感器、RFID、烟雾传感器。功能描述：人体红外感应传感器检测是否有人进入宿舍，RFID进行身份识别，烟雾传感器检测火灾。2.宿舍情况拍照功能相关模块：微型串口摄像头。功能描述：对进入宿舍的人员拍照。3.近距离信息通知功能功能描述：向楼管处的PC端进行信息传递。4.远程信息通知功能功能描述：向宿舍成员发送报警信息或图片。3.2系统功能描述在系统工作的状态下，当人体红外感应传感器检测到有人进入宿舍时，摄像头进行拍照，语音提示进入宿舍的人员进行RFID的身份验证，如果在规定时间内未进行身份验证，将触发报警功能，即系统向学生发送报警短信、向楼管PC端发送报警信息及照片。当烟雾传感器检测到火灾险情时，触发报警功能向学生和楼管发送报警信息。全国大学生物联网设计竞赛设计文档[基于物联网技术的宿舍安全防控系统]4微型串口微型串口摄像头烟雾传感器微控制器GSM/GPRS通信模块楼管处信息处理红外热释电传感器情况处理信息汇总学生识别图3-1系统结构图开始烟雾传感器检测有人进入是否刷卡进入报警状态是否刷卡是发短信给用户正常运行图3-2系统流程图全国大学生物联网设计竞赛设计文档[基于物联网技术的宿舍安全防控系统]5第四章硬件组成4.1单片机的选型目前市场上的单片机型号繁多，有8位、16位和32位的等等，生产厂家也有很多，例如TI、STC、三星等。本系统共需要4个串口和若干个I/0口。经过对目前常用的带4个串口8位单片机进行性价比的比较后，选择了STC公司的STC15W4K48S4单片机拥有4个串口和30个普通I0口，1T的指令运行周期，33MHz频率，下载软件自带库函数和例程，为项目开发提供了便利。4.2红外感应模块的选择红外感应模块主要是用来识别出是否有人进入当前环境，并可以实现将人和周围其他的物体区分开来。4.2.1红外感应模块的简介(1)红外感应模块：红外感应模块是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国先进的LHI778探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式。电路图如图4-1所示。PIR(2)全自动感应：当有人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自全国大学生物联网设计竞赛设计文档[基于物联网技术的宿舍安全防控系统]6不可重复触发方式：即感应输出高电平后，延时时间一结束，输出将自动从高电平变为低电平。可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围内活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平(感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点)。具有感应封锁时间(默认设置：0.2秒):感应模块在每一次感应输出后(高电平变为低电平),可以紧跟着设置一个封锁时间，在此时间段内感应器不接收任何感应信号。此功能可以实现(感应输出时间和封锁时间)两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。(3)工作电压范围宽：默认工作电压DC5V至20V。微功耗：静态电流65微安，特别适合电池供电。输出高低电平信号：很方便的连接到其他的器件上。4.3摄像头模块的设计与实现摄像头模块的设计旨在实现获得当前环境的图片，要使得获取的照片更的清晰，但是更清晰的照片拍摄的时间越长，存储所需要空间越大，在传输过程中越占用网络资源，使得网络拥堵的风险加大，增加系统的不稳定性。而且摄像头的体积不能太大，由于摄像头是安装在每个宿舍的，如果，体积过大不易安装，而目标大，易遭到破坏。本系统中使用的是微处理器，处理能力和RAM空间有限，图像的处理和压缩基本上处理不了。综上所述，在选择摄像头是应满足一下几点：1.摄像头的分辨率不能太高或者太低。2.摄像头的尺寸小，不易被发现。3.摄像头应给具有自压缩功能。经过在网上调查和实际的调查，本系统设计中选择了专业做安防设备的广州市谱泰通信科技有限公司的PTCO8微型串口摄像头。4.3.1摄像头模块的简介PTCO8是广州市谱泰通信科技有限公司设计生产的一款集图像采集、拍摄控制、全国大学生物联网设计竞赛设计文档[基于物联网技术的宿舍安全防控系统]7数据压缩、串口传输于一体的工业级图像采集处理模块。其内置的高性能数字信号处理芯片实现了对原始图像的高比例压缩。产品图像输出采用标准JPEG格式，可方便地兼容各种图像处理软件；标准三线式RS-232通信接口以及简单的图像传输协议使得摄像头可以方便地实现与电脑以及各种嵌入式系统的连接；预留的红外补光功能接口可以外接红外灯板，在各种光照条件下清晰成像。本产品默认波特率为38400,其它可选波特率有9600,19200和57600,115200PTCO8摄像头内部默认配有SP3232EEN转换芯片，从DB9串口第2,第3pin出来的TX,RX是RS232电平的信号，可以直接匹配标准PC机的串口电平。其应用参考电路图如图4-2:PTCO8摄像头内置了低功耗处理器，图像获取和压缩都有内置微处理器来完成，因此初次上电后应该停止2.3s等待模块的启动，之后再进行其他的操作。程序流程图如图4-3所示。全国大学生物联网设计竞赛设计文档[基于物联网技术的宿舍安全防控系统]8初始化串口启动摄像头延时2.3s获取图片数据获取图片长度设置压缩率复位是否拍照将图片数据存入清空缓存拍照图4-3拍照流程首先发送指令清空缓存，不然之前的图片信息会影响新图片的信息，然后发送拍照指令，模块拍取照片，存取到模块缓存中，发送指令获取照片数据的长度，使用指令多次或者一次获取照片数据。4.4信息发送模块的设计与实现4.4.1信息发送模块的简介信息发送模块需要实现，对摄像头采集到的图片信息，以彩信的方式发送出去。全国大学生物联网设计竞赛设计文档[基于物联网技术的宿舍安全防控系统]9公司的SIM900A芯片，由于SIM900A物理接口为贴片焊盘，便于焊接和设计，而且价格便宜，支持彩信协议，短信，TCP/IP协议，可以满足系统设计的要求。该芯片还有很强大的技术支持，适合很多的硬件平台，已经应用于51单片机，ARM7,STM32两频(移动，联通)电源电压：3.4V～4.5V,建议值：4V以下列举了常用的AT指令：开始传送彩信照片；彩信照片传送结束；设置短信接收方号码；TEXT模式：操作比较简单，但不支持中文短信。PDU模式：可以发送中文短信和英文短信，PDU收发短信可以使用三种编码方式7-bit,8-bit和UCS2。7-bit编码用于发送英文短信；8-bit编码用于发送数据消息；UCS2编码用于发送中文字符，使用Unicode字符。SIM900A的设计，主要通过MCU的串口控制SIM900A发送短信和彩信，以下分三个模块介绍SIM900A使用的程序设计。如图4-4流程图：初始化串口3,首先给WakeUp接口，置高电平不低于500ms唤醒芯片，然后使用“ATZ”命令检查通信是否正常，使用“AT+ESIMS?”命令检查是否注册到网络，使用“AT+ESIMS?”设置语音为普通模式，使用“AT+CNMI=2,2,0,0,1”命令设置短信提醒模式。全国大学生物联网设计竞赛设计文档[基于物联网技术的宿舍安全防控系统]开始开始初始化串口检查通信检查网络设置模式发送短信图4-4GSM启动流程图2.发送短信流程短信发送流程如图4-5所示。首先检查通信是否正常，“AT+CSCS=GSM”然后设置接收方的手机号码；收到“>”时，发送短信的内容。检查连接设置发送模式“>”等待写入发送内容发送短信的内容，如果发送英文，则使用普通的编码，如果发送中文则使用PDU模式使用UCS2编码方式发送AT+CSCA=”+86138XXXXXXXX”,145//设置短消息服务中心地址//手机号码编码的内容是将手机号和短信内容按照全国大学生物联网设计竞赛设计文档[基于物联网技术的宿舍安全防控系统]检查连接检查连接开始传送照片传送照片传送结束设置接收方等待发送结束发送成功发送彩信的流程如图4-6所示。首先ATZ检查通信是否正常，模块开始上传图片信息，收到确认后，上传图片照片，图片照片必须是JPG格式，传完照片之后，发送AT^MMSUPEND通知模块图片传输完成，然后延时500ms以上，4.5RFID模块的设计与实现RFID模块旨在实现区分出合法用户和非法用户。当合法用户进入宿舍时，听到语音提示，通过自己的RFID卡，说明自己是合法用户。非法用户，开门进入宿舍后听到语音提示，没有RFID卡或者使用非本宿舍的RFID卡则会触发报警。因此此模块的设计应实现以下的功能：1.可以读RFID卡和识别RFID卡，2.RFID不易被修改和复制；3.RFID读卡器不易被破解。全国大学生物联网设计竞赛设计文档[基于物联网技术的宿舍安全防控系统]为了解决RFID卡被复制和RFID卡被破解的问题，本系统采用16位CRC校验技术，对RFID通信数据进行加密。在通信过程中采用三次握手的方式保障通信过程的数据完整性和可靠性。门禁系统设计主要实现RFID读卡器读取RFID卡的数据发送到MCU,如图5-7所示读卡器选用13.56MHz非接触式射频技术，其功能特点如下：1.采用IS014443A,13.56MHz非接触射频技术。2.支持MifareoneS50,S70及其兼容卡片。4.工作电压比较低，外围电路相对比较简单。5.读卡距离大于5cm。其设计电路如图4-7所示：Tocontroller是指MCU。华华VocGndAntennaAntRFID读卡器通过三次握手与RFID卡建立通讯，然后读取卡中数据。读卡器向RFID卡发送请求数据，RFID卡收到请求数据，对其加密，发送给读卡器，同时发送自己的请求数据，读卡器收到机密后的数据后解密，如果加密方式正确，发送验证成功的标记，并将RFID的请求数据加密发送给RFID卡，RFID卡收到验证成功的标记，解密RFID发送过来的加密数据，如果正确，发送自己的数据给读卡器，则读卡器收到RFID卡中数据。RFID读卡器通过串口协议与MCU进行数据传递。但单纯的串口数据传输很容易被别人获取和破解，因此，本系统，在RFID和MUC之间，制定了一套通信协议，并将数据的数据域进行CRC校验，保证数据的完整性。CRC校验主要是对数据的加密，在读卡器与MCU通信过程中，对一个数据帧中的数据，从长度到数据到数据域要她作循环的冗余检查的计算，用来防止数据传输错误。RFID系统的设计主要是设定的读卡器的波特率和自动应答模式，当有RFID卡靠全国大学生物联网设计竞赛设计文档[基于物联网技术的宿舍安全防控系统]近读卡器时，读卡器自动读取卡的数据，通过串口发送给MCU。流程如图4-8所示：串口4初始化更改读卡器波特更改串口4波特率设置读卡器为自动应答模等待是否有数据等待接收数据全国大学生物联网设计竞赛设计文档[基于物联网技术的宿舍安全防控系统]第五章软件架构和开发环境5.1上位机开发环境上位机主要是收集采集过来的信息进行汇总，存档，并进行分析处理，前台的软件开发基于VS2010平台，采用C#语言编写，后台的数据存储在SQLServer上，采用SQL语言，数据处理使用Java语言。5.1.1VisualStudio2010VisualStudio是微软公司推出的开发环境，是目前最流行的Windows平台应用版本于2010年4月12日上市，其集成开发环境(IDE)的界面被重新设计和组织，变得更加简单明了。VisualStudio2010同时带来了NETFramework4.0、MicrosoftVisualStudio2010CTP(CommunityTechnologyPreview--CTP),并且支持开发面向Windows7的应用程序。除了MicrosoftSQLServer,它还支持IBMDB2和Oracle数据库。5.1.2SQL语言结构化查询语言(StructuredQueryLanguage)简称SQL是一种特殊目的的编程语言，是一种数据库查询和程序设计语言，用于存取数据以及查询、更新和管理关系数据库系统；同时也是数据库脚本文件的扩展名。结构化查询语言是高级的非过程化编程语言，允许用户在高层数据结构上工作。它不要求用户指定对数据的存放方法，也不需要用户了解具体的数据存放方式，所以具有完全不同底层结构的不同数据库系统，可以使用相同的结构化查询语言作为数据输入与管理的接口。结构化查询语言语句可以嵌套，这使它具有极大的灵活性和强大的功能。5.2下位机C程序5.2.1摄像头拍照程序"USART2.h"全国大学生物联网设计竞赛设计文档[基于物联网技术的宿舍安全防控系统]/*************功能说明**************串口2控制PTC08拍照片******************************************//*************本地常量声明**************//*************本地变量声明**************/*************外部函数和变量声明*****************,丨//结构定义//波特率，110～115200COMxInitStructure.UART_PolityCOMx_InitStructure.UAR//初始化串口2USART1,USART2UART_config();//初始化串口2Delag_ms(2500);Bufwrite();while(1);全国大学生物联网设计竞赛设计文档[基于物联网技术的宿舍安全防控系统]**************/*************功能说明**************串口3控制SIM900A发送短信******************************************unsignedchar本地变量声明**************idataRX3Buffer[RX3Lenth];//接收缓冲bitB_TX3Busy;//发送忙标志voidMsg_delay_ms(unsignedcharms);voidSend_message(void);voidmain(void)Uart3_init();//初始化串口3Send_message();while(1)//***************************************************************voidSend_message(void)Uart3_SendString("AT+Uart3_SendData('"");Uart3_SendString("GSM");Uart3_SendData('"");Uart3_SendString("\r\n");Uart3_SendString("AT+CMGF=1\r\n");Msg_delay_ms(1000);Uart3_SendString("AT+CMGS=");//13383Uart3_SendData('"");Uart3_SendString();Uart3_SendData('"");Uart3_SendString("\r\n");Msg_delay_ms(1000);Uart3_SendData(0x1A);voidUart3_init(void)PSW2&=~S3_S0;//S3_SO=0(P0.0/RxD3,P0.1/TxD3)//P_SW2|=S3_S0;//S3_SO=1(P5.0/RxD3_2,P5.1/TxD3_2)#if(PARITYBIT3==NONE_PARITY)S3CON=0x50;//8位可变波特率#elif(PARITYBIT3==ODD_PARITY)||(PARITYBIT==EVEN_PARITY)||(PARITYBIT==S3CON=0xda;//9位可变波特率，校验位初始为1#elif(PARITYBIT3==SPACE_PARITY)S3CON=0xd2;1/9位可变波特率，校验位初始为0#endifT3L=(65536-(FOSC/4/BAUD3));//设置波特率重装值T3H=(65536-(FOSC/4/BAUD3))>>8;T4T3M|=0x02//定时器3为1T模式T4T3M|=0x08;//定时器3开始计时IE2|=0x08;//使能串口3中断」if(S3CON&S3RI)if(++RX3_Cnt>=RX3_Lenth)RX3_Cnt=0;//避免溢出处理if(S3CON&S3TI)S3CON&=~S3TI;*发送串口数据voidUart3_SendData(BYTEdat)#if(PARITYBIT3==ODD_PARITY)S3CON&=~S3TB8;#elif(PARITYBIT3==EVEN_PARITY)#endif}//清忙标志//等待前面的数据发送完成//设置校验位为0//设置校验位为1else#if(PARITYBIT3==ODD_PARITY)S3CON|=S3TB8;//设置校验位为1#elif(PARITYBIT3==EVEN_PARITY)S3CON&=~S3TB8;//设置校验位为0S3BUF=ACC;发送字符串voidUart3_SendString(char*s)while(*s)Uart3_SendData(*s++);}}//写数据到UART2数据寄存器//检测字符串结束标志//发送当前字符//****************************发送短消息*k************************米voidMsg_delay_ms(unsignedcharms){}while(--ms);}第六章数据传输技术应用检查(CRC)是一种数据传输检错功能，对数据进行多项式计算，并将得到的结果附原理：CRC检验原理实际上就是在一个p检验码(序列),从而构成一个总长为n=p+r位的二进制序列；附加在数据序列之后基本概念：帧检验序列FCS(FrameCheckSequence):为了进行差错检验而添加的冗余码。多项式模2运行：实际上是按位异或(ExclusiveOR)运算，即相同为0,相异为1,也就是不考虑进位、借位的二进制加减运算。如：10011011+11001010=01010001。生成多项式(generatorpolynomial):