（信号与信息处理专业论文）基于物联网的家居防范系统的设计与实现.pdf

哈尔滨理工大学工学硕 j 学位论文 基于物联网的家居防范系统的设计与实现 摘要 家居安全问题一直以来都是人们关注的焦点，早期的家居防范系统采用 现场报警方式，报警信息仅限于报警现场，然而随着科技的进步，家居防范 系统也在逐步升级，利用电话线、g s m 网络等方式进行报警，使报警信息 可以从报警现场传递到援助单位，实现了报警信息的远程警报，但这种报警 方式无法满足现今人们对于实时、可靠的监控系统的需求，同时监控系统布 线搭建复杂、维修升级费用高昂等众多问题，无法令大众满意。然而，随着 互联网网络技术，无线传感器网络技术的迅速发展，一种叫做“物联网”的 高科技技术正在逐步发展，新兴的“物联网 技术似乎能够满足大众对于智 能、实时、准确的监控报警系统的需求。 本文将物联网技术与家居防范监控系统结合起来，使家居防范监控系统 能够进一步智能化。系统中为监控防区制作了电子标签，为了区分每个防区 信息，为其分配了不同的电子产品码，标签中传感器采集家居信息，当有异 常情况时，系统启动报警装置，系统主控制器a r m 9 通过无线射频 n r f 2 4 l 0 1 芯片接收报警信息，同时a r m 9 主控制器通过s o c k e t 网络套接 字，将信息传送到i n t e r n e t 网络上，远程监控端只需与互联网相连就能够实 时的接收报警信息并可以准确定位。为了实际需求，可以同时建立多个监控 端，使公安局、消防局等救助单位相结合，为最大化的缩短救助时间，降低 财产损失提供保障。 系统搭建了监控系统硬件平台，结合软件编程最终实现了预期的监控系 统，从系统搭建、调试以及最终的实验结果中可以看出，将物联网技术应用 到家居防范系统不仅是可行的，而且可以进一步实现家居防范系统的智能 化，为今后防范系统的研究与发展提供了新的思路与方向。 关键词防范系统；物联网；a r m 9 ；无线射频；套接字 哈尔滨理丁大学丁学硕十：学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h e s e c u r i t ya n d d e f e n s es y s t e mf o rh o m eb a s e do nt h ei n t e r n e to f t h i n g s a bs t r a c t h o m es e c u r i t yh a sa l w a y sb e e nt h ef o c u so fp e o p l ea t t e n t i o n ，h o m es e c u r i t y m o n i t o r i n gs y s t e me a r l yu s e ds p o ta l a r m ，a l a r mi n f o r m a t i o ni s l i m i t e dt ot h e a l a r ms i t e ，h o w e v e r ，w i t ht h ea d v a n c e dt e c h n o l o g y ，h o m ep r o t e c t i o ns y s t e mi s g r a d u a l l yu p g r a d e d ，s u c ha sp h o n el i n e a n dg s mn e t w o r ka l a r mc a nt r a n s m i t s t h ea l a r mi n f o r m a t i o nt oa i dd e p a r t m e n t ，a n da c h i e v er e m o t ea l a r m ，t h i sm e t h o d c a n ，tm e e tt h ep e o p l ef o rt h er e a l t i m ea n dr e l i a b l er e q u i r e m e n t sf o rm o n i t o r i n g s y s t e m ，i tc a n tm a k et h ep u b l i cs a t i s f i e db e c a u s ew i r i n gc o m p l i c a t i o na n dh i g h c o s to fm a i n t e n a n c eu p g r a d e sa n dm a n yo t h e rp r o b l e m h o w e r e r ，w i t ht h e a d v a n c e dt e c h n o l o g ya n dt h ee m e r g e n c eo ft h eh i g h e n dp r o d u c t s ，t h eh i g h t e c h n o l o g yc a l l e d i n t e r n e to ft h i n g s ”i sd e v e l o p i n gg r a d u a l l y t h ee m e r g i n g - i n t e r n e to ft h i n g s t e c h n o l o g ys e e m st om e e tt h ep u b l i cd e m a n df o ri n t e l l i g e n t ， r e a l t i m e ，a c c u r a t em o n i t o r i n ga n dw a r n i n gs y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n i tm a k e sc o m b i n a t i o nb e t w e e ni n t e r n e to ft h i n g s t e c h n o l o g ya n dh o m ed e f e n s es y s t e mt op r o m o t es y s t e mf u r t h e ri n t e l l i g e n c e i t p r o d u c t se l e c t r o n i ct a gf o rh o m em o n i t o r i n gz o n ei nt h i ss y s t e ma n da s s i g n e dt o t h ed i f f e r e n te l e c t r o n i cp r o d u c tc o d et od i s t i n g u i s ht h ei n f o r m a t i o nf o re a c hz o n e h o m ei n f o r m a t i o nc o l l e c t e db ys e n s o r si nl a b e l ，t h es y s t e mc a ns t a r ta l a r m i n g d e v i c ew h e nt h ea b n o r m a lh o m es i t u a t i o n ，t h e na r m 9p r o c e s s o ri se m p l o y e da s s y s t e mm a s t e r c o n t r o l l e rr e c e i v e sa l a r mi n f o r m a t i o nb yn i 江2 4 l 01 w i r e l e s s r a d i o f r e q u e n c yc h i p m e a n w h i l ea r m 9m a s t e r c o n t r o l l e rt r a n s m i t st h ea l a r m i n f o r m a t i o nt ot h ei n t e m e tb ys o c k e t ，r e m o t em o n i t o r i n g c l i e n tc a no n l y c o n n e c t e dt ot h ei n t e r n e tt or e c e i v er e a l t i m ei n f o r m a t i o na n da c c u r a t e l yg r a s po f i i - 哈尔演理下人学t 学硕卜学位论文 t h e a l a r m i n g l o c a t i o n t oa c t u a ld e m a n d ，i tc a n c r e a t e m u l t i p l e r e m o t e m o n i t o r i n gc l i e n t st om a k et h ec o m b i n a t i o no fs u c h a st l a ep u b l i cs e c u r i t yb u r e a u a n df i r ed e p a r t m e n t ；i tp r o v i d e sp r o t e c t i o nf o rm a x i m i z i n gr e d u c e st h er e s c b e t i m ea n dp r o p e r t yd a m a g e t h ed i s s e r t a t i o ns e tu pt h em o n i t o r i n gs y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m a n d c o m b i n e dw i t hs o f t w a r ep r o g r a m m i n gt oa c h i e v ef i n a l l yt h ee x p e c t e dm o n i t o r i n g s y s t e m f r o mt h ep l a t f o r m ，t h ep r o c e s s i n go fd e b u ga n df i n a lr e s u l t sc a nb es e e n t h a tp u t i n t e r n e to ft h i n g s t e c h n o l o g yi n t ot h eh o m es e c u r i t ya n dd e f e n s e s y s t e mi sn o to n l yf e a s i b l e ，b u ta l s om a k e sf u r t h e ri n t e l l i g e n ta n dp r o v i d e st h e n e wi d e a sa n dd i r e c t i o nf o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f f u t u r ed e f e n s es y s t e m k e yw o r d sd e f e n s es y s t e m ，i n t e r n e to ft h i n g s ，a r m 9 ，w i r e l e s sr a d i o f r e q u e n c y ， s o c k e t i i i 哈尔滨理工人学t 学硕卜学位论文 第1 章绪论 1 1 家居防范系统的发展及现状 和谐社会，是近几年我们国家大力提倡的国家发展方向。和谐社会是我们 高质量生活的前提，国家的快速发展，使我们早已不必在为温饱问题而发愁， 快速发展的物质文明社会，使我们每一个中国人都富了起来。然而，物质文明 社会发展过程中伴随的各种不和谐的声音也在不断加大，人们生活当中最普通 的家居安全问题就是其中一个很值得引起大家关注的话题。 能够实时监控家居安全情况，监控报警系统的出现是保证家居安全的重要 手段之一，在早些年，尤其在国外，就已经有了家居安全防范系统。1 9 8 4 年 美国人盖了世界上第一座可以监控安全情况的大厦，随后各个国家在建设大 厦、高楼、居民区时都伴随着安全监控的想法。详细的追溯监控系统的发展历 史，可以从第二次的产业革命开始说起，一些公司先后推出防盗系列的监控系 统，随着摄像头的兴起，视频图像技术的发展，家居主人只需在门外安装一个 摄像头，在室内通过监控显示屏就可以看见访客图像，了解访客信息。随着计 算机的发展，数字时代也随之到来，数字化识别的报警方式，为进一步发展互 联网监控提供了先决条件比1 。 在国内为了能够实现国泰民安的境况，我国也在不断的关注、重视家居安 全监控系统，我国提倡要建立一套相对比较完善、一体化的安全监控系统。一 体化主要体现在监控系统应包括监控火灾发生、监控非法入室、监控有害气体 泄露、监控水管爆裂等与人民生命财产安全息息相关的内容。西门子公司推出 的一款防范系统，就是将多种监控报警方式结合起来，实行对不同小区、不同 住户统一、一体化的监控管理哺1 。 我国安全监控系统的发展趋势会越来越适合我国的发展国情，会越来越实 现监控系统一体化h 1 。除了以上提到的各种安全监控外，系统还可以增加自动 化管理服务项目，增加电表水表燃气表的计量远程收费等功能畸1 ，这样一来， 系统不仅可以实现多功能，同时也使监控系统降低成本节能环保，当然监控系 统一体化的关键，是技术上的支持，就目前科技发展现状来看，监控系统的互 联网一体化是未来发展的趋势，所谓互联网一体化，就是将信息发送到基于 t c p i p 技术的控制器中并传送到i n t e r n e t 网络上，这样就可以实现无线、实 哈尔滨理丁大学下学硕士学位论文 时、快速、可靠、便捷的远程监控报警系统6 | 。 1 2 物联网技术简介 近些年，互联网的快速发展带动了很多新兴事物，物联网技术的发展建立 在互联网成熟发展的基础上订1 。从技术的角度，物联网可以理解为将物体所属 信息通过感应网，感应到一个主控制器中，并最终通过i n t e r n e t 网络实现物体 与物体之间信息的共享、交换抑或是处理，从而组建成一个庞大的网络，实现 物体的智能化疆_ 引。从物联网的应用来谈，它几乎无所不能，其实，我们已经 能够感受到物联网技术给人们生活带来的益处，国内有些大城市已经将物联网 技术应用在交通领域当中，通过互联网实时监测道路交通情况，及时提供给驾 驶员路况信息，很大程度上解决了道路拥堵情况n 1 抬。除此之外，物联网还可 以应用在数据采集、测量，应用在医疗方面的远程手术、井底煤矿安全检测、 预报地震、指挥调度等等与人们生活生产息息相关的各项活动中n 羽。 物联网技术的发展，有几个关键性的技术要求。随着近些年传感器技术的 成熟发展，使“感知物体 不在是一句空话，将物体附上电子标签，传感器采 集各种所需参数，完成物联网体系的第一个关键技术：信息采集n 劓。然后利用 r f i d 射频识别技术接收采集信息，完成近距离通讯，再通过远距离的i n t e m e t 无线通信技术实现信息的远程监控与共享n 引。 物联网可以应用在众多行业中，根据不同的应用需求，物联网体系也有不 同的组织架构n 剐，但基本上都需要将物体分配一个电子标签，体系中称之为 e p c ( e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ) 码，用来唯一的标识物体及其属性。每一个e p c 码都用唯一的一串数字来表示，其本质上是没有任何实际意义的，在整个物联 网体系中，e p c 码只做为一个索引箭头n7 j ，要将其经过解析才能得到具体信 息，因此还需在体系中加入o n s ( o b j e c tn a m es e r v i c e ) 对象名解析服务器，通 过此服务器可以将e p c 码与其所属的p m l ( p h y s i c a lm a r k u pl a n g u a g e ) 信息服 务器所对应，查看到相关物体属性。 1 3 家居监控系统研究的目的和意义 互联网发展到现今的程度，没有人能够否认其发挥的作用。网络的发展使 人们的工作、生活变得方便快捷起来，使工厂生产可以联网监控，使广大居民 足不出户，就可以知道万千世界的最新动态，可以通过网络传递共享信息，而 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 不需要考虑时间、空间的限制引。网络的应用无所不在，而作为组成社会的基 本单位家庭来说，我们可以发现网络化的程度还不够明显。将家庭实现网络 化，对于切实提高居民生活质量有着关键性的作用。随着社会的进步，国家经 济的大力发展，家居安全问题已经备受人们的关注，人们生命财产能够得以保 障，是创建精神文明社会的先决条件。 我国对于家居网络智能化的发展应该算是刚刚开始，国家政府也开始推出 各种条文、规定，大力支持推进家居网络化的发展。目前家居的网络化，主要 应用在煤气、电、水三表的远程计数，不再需要派送专门的人员挨家挨户的人 工记录，即节省了人力又提高了工作效率，同时又避免了由于人工操作而带来 的数值误差n9 l 。家居监控还可以实现非法入室报警、有害气体泄露报警、医疗 紧急救助报警、火灾报警、水管爆裂等，但往往传统的报警方式都只局限于现 场报警，而无法及时将信息传送到外部，或者采用电话线报警方式，将信息通 过电话线与外界沟通，但这种报警方式，又有一个严重的缺陷：当电话线处于 异常情况，或者有人蓄意破坏电话线路时，整个报警系统将处于瘫痪状态啪1 。 为解决传统报警方式所存在的不足，本课题提出了一种利用物联网技术进 行家居安全监控的设计方案并进行了测试验证。将物联网技术应用到家居监控 系统中，解决了以上各种报警方式不完善等问题。物联网监控系统可以满足家 居监控一体化的需求，将各种不同监控对象集成在同一个网络体系中，通过传 感网、互联网以及网络中的各种服务器，实现及时、准确、可靠、详尽的报警 方式。监控系统搭建方便，成本较低，解决了各种非正常工作下的漏报问题， 设置远程监控端灵活，同时网络中的信息服务器可以降低成本、解决报警不详 等问题。监控系统中的主控制器采用嵌入式处理器，不但处理速度快，而且性 能好，使物联网的优势进一步扩大。因此，将物联网技术与家居安全监控系统 结合起来进行研究与学习，无论是对物联网还是对家居监控系统都有很深远的 意义和影响。 1 4 论文主要研究内容 论文主要研究内容是基于物联网技术的家居防范系统的搭建以及实现，具 体研究内容如下： 1 针对传统家居防范系统的劣势，研究物联网型家居防范系统的优势。表 明本课题将物联网技术与监控系统结合起来具有很深远的意义和研究价值。 2 研究物联网系统的体系结构，研究各个模块的组成及功能。 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学位论文 3 研究家居防范系统的硬件实现，系统硬件部分主要分主控制器a r m 9 处 理器和电子标签两部分。a r m 9 处理器采用$ 3 c 2 4 4 0 开发板。电子标签中控 制器单片机采用s t c 系列，射频模块采用n r f 2 4 l 0 1 芯片，为系统搭建硬件 平台。 4 研究家居防范系统的软件实现并进行系统测试，软件编程实现射频无线 通讯，将e p c 码传送到主控制器中，系统在v i s u a ls t u d i o2 0 0 8 开发环境下编 程实现数据互联网传输，利用s o c k e t 套接字实现t c p i p 网络传输，最后，对 物联网监控系统整体性能进行测试验证，给出结果分析。 哈尔滨理t 大学t 学硕卜学位论文 第2 章物联网技术体系结构 物联网涵盖了很多专业性的技术知识，同时需要很多行业、领域的支持， 专业软件硬件的配合。现已成熟的互联网网络、传感器网络、射频识别等技术 都为物联网的发展提供了先决条件。物联网，为实现物体信息资源共享，远程 监控、智能化控制、物流管理、信息查询等人们生产生活相关的活动提供了方 便。 2 1 物联网体系基础结构 物联网体系中将每一个物体看成一个节点，分配唯一标识e p c 电子产品 码，每一个物联网体系都涵盖了数不尽的节点，利用射频识别等无线通信技术 同时结合传感器网络“感应”物体属性，并通过i n t e m e t 网络传送到网络中的 o n s 服务器，解析出其对应的信息服务器i p 地址，最终通过网络就可以查 询、跟踪、管理、监控每一个节点。 物联网体系的建立，需要i n t e m e t 网络的大力支持。标识物体的e p c 码存 储在电子芯片中，嵌入到物体内部，同时要求电子芯片尽可能的低成本、低功 耗、体积小、传输掉包率低，这也就注定了其电子芯片中无法存储太多物体属 性信息，物联网要求电子产品码的存储方式仅为一串二进制序列，本地服务器 利用r f i d 射频识别技术接收数据信息髓k2 羽，访问网络中的o n s 服务器，o n s 服务器提供对应的信息服务器网络i p 地址，并将其告之本地服务器，本地服 务器按此i p 地址访问p m l 服务器，p m l 服务器是采用实体标识语言格式存 储信息的服务器。综上，物联网体系的基础架构为：e p c 编码、e p c 码识 别、e p c 码解析、查询物体相关属性信息乜引，物联网体系结构框图如图2 1 所 示。 2 2e p c 标签 2 2 1 编码特点 e p c 编码有其传统编码的通用特点，更有其独有的自身编码特点瞳4 1 ： ( 1 ) 独一无二编码 哈尔滨理工大学工学硕 ：学位论文 图2 1 物联网体系结构框图 f i g 2 1s t r u c t u r ec h a r to f t h ei n t e m e to ft h i n g s 物联网为每一个节点分配e p c 码，e p c 码与人们熟知的g t i n 条形码既 有联系又有区别，但e p c 编码优于g t i n 编码之处在于，g t i n 编码是以 “类 为单位，为每一同类物体或商品分配编码，无法具体到每一个，而e p c 码是以“个 为基本单位，可以真正实现对每一个物体独一无二的唯一编码标 识。 ( 2 ) 降低信息量 早期的一些编码原则允许编码中直接嵌入具体物体信息，比如说编码可以 直接表示产品的国家、厂商、出厂日期、有效期等等物品信息，但在e p c 编 码原则中要求尽可能的减少电子标签中附带的物体属性信息，这样可以减小标 签体积，降低标签功耗的同时也降低标签成本。 ( 3 ) 信息索引 当编码原则满足第二条要求时，e p c 码在系统中就相当于信息索引的功 能，利用网络资源，搭建网络服务器，将服务器或数据库建立在网络中，从而 解决了物体信息详尽却不占用电子标签空间的矛盾问题。 2 2 2 编码结构 e p c 编码主要由标头值、分类域名管理、对象区分码、序列号共四部分组 哈尔滨理丁大学_ t 学硕卜学位论文 成乜朝，e p c 代码结构如图2 2 。标头可以定义编码的长度、作用和类型，目前 l标头l 域名管理 i 对象分类代码序列号 l 图2 - 2e p c 代码结构示意图 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo fe p cc o d i n g 的标头可以是两位二进制数，也可以是八位二进制数。e p c 编码规范有1 1 和 2 0 两种标准版本，编码方式有e p c 6 4 、e p c 9 6 和e p c 2 5 6 三种，其中9 6 位 e p c 编码方式应用广泛，其各字段的编码位数分配举例如表2 1 所示。 表2 1e p c 9 6 编码结构 t a b 2 一ls t r u c t u r eo fe p c 一9 6c o d i n g 分段名称标头值分类域名管理对象区分码序列号 分段位数 82 82 43 6 分段举例 0 10 0 0 0 a 5 70 0 0 1 9 eo 0 0 13 9 b d o 2 3o n s 服务器 o n s 服务器的主要作用是在e p c 码与物品信息服务器间搭建桥梁，本地 服务器按照o n s 解析后的地址，找到与e p c 码所对应的信息服务器。o n s 服 务器与网络中的d n s 域名解析具有相同的作用和重要性，对象名解析服务器 的存在，进一步扩大了e p c 索引功能，使本地服务器进一步明确将要访问的 服务器i p 地址。 2 3 1o n s 体系结构 o n s 体系是多层次的，将o n s 服务器各功能细化，实行分开布局的方 式，这样各个功能模块将具有独自的功能任务，同时各个模块之间又需要协调 配合。o n s 体系结构按各层功能不同，可以分为以下几个部分 ： ( 1 ) 信息存储映射 由于e p c 编码结构分为四个不同的字段，所以o n s 信息存储也相应的分 布在o n s 服务器的各层不同功能模块中，分布式信息存储映射结构便于信息 的类型提取。 ( 2 ) 服务器基础架构 o n s 服务器最终目的就是解析分辨出p m l 服务器网络上的i p 地址，但 哈尔滨理工大学下学硕士学位论文 当e p c 码非初次经o n s 查询时，无需执行o n s 查询的完整流程，可以在小 范围局域网内建立缓冲存储器，缓冲存储器可以保存e p c 码初次解析后的i p 地址，当此e p c 码再次查询o n s 服务器时，只需访问缓冲存储器即可，节约 系统开销。 ( 3 ) o n s 解算器 o n s 解算器主要目的是按照一定的数字字符串规则转化，将原始的e p c 码格式化为带有前缀名的e p c ，在加上固定的后缀名就形成了e p c 域名，也 只有e p c 域名才能够被服务器基础架构所解析。 本地服务器经o n s 解算器、o n s 基础架构查询信息服务器的流程图如图 2 3 所示。 图2 3o n s 工作流程示意图 f i g 2 - 2w o r k i n gp r o c e s sd i a g r a mo fo n s 2 3 2 字符串格式化规则 物联网中需要o n s 提供信息服务器网络地址，因此必须要有合适于o n s 服务器解析的字符串。将电子标签中原始的e p c 码转化为域名，需要将字符 串进行规则格式化口7 l 。o n s 解算器中的字符串格式化过程可以将e p c 编码按 规则计算成e p c 域名，有了规范性的域名，就可以利用o n s 基础架构进行服 务器i p 地址的查询，并且o n s 基础架构与d n s 域名服务器具有相同的工作 原理，而目前，d n s 域名解析已经发展的很成熟，所以对于o n s 服务器来 说，解算器中的格式化转换字符串是研究的重点，转换的原则如下四1 ： ( 1 ) 格式化转换字符串是由数字n 和分隔符“ 两部分组成，其中n = 0 ， 哈尔滨理t 大学t 学硕j ：学位论文 l ，2 ，3 ，4 ： ( 2 ) 字符串中的数字0 、分隔符，在域名中始终保持不变，仍是其本 身； ( 3 ) 字符串中的n 经规则格式化后，对应的转化为域名中的2 n 进制数，例 如，当n = 2 时，e p c 码中的数字2 就被转化为2 2 _ 4 ，四进制数o ，l ，2 ，3 四 位数的某一位； ( 4 ) 字符串的比特位总数是每一位数字其值进行相加而得到的，举例说 明：格式化转换字符串为o o 3 2 4 3 1 0 2 ，则字符串比特位总数为1 5 位 ( 0 + 3 + 2 + 4 + 3 + 1 + o + 2 = 1 5 ) ； ( 5 ) 字符串数字转换时，以分隔符为间隔，按从右到左的顺序排序，分配 相同比特位数，并按自身顺序排列： ( 6 ) e p c 码被正确转换后，比特位数要与格式字符串的位数相同； ( 7 ) 转换的类型可分为完全和部分两种转换方式，完全转换方式是为每一 个e p c 提供转换方案，部分转换方式是格式化转换字符串比特位数小于e p c 的比特位数，因此只取e p c 前一部分比特位进行转换，形成e p c 前缀名； ( 8 ) e p c 域名是由e p c 前缀名和e p c 根域名两部分组成的，e p c 前缀名经 由以上几个步骤可以得到，e p c 后缀名是固定不变的，目前统一为 e p c o b j i d n e t 。 2 4p m l 服务器 要保证物联网体系中信息可以被不同功能模块识别，就要有统一的标识语 言进行协调，p m l ( p h y s i c a lm a r k u pl a n g u a g e ) 物体标识语言就解决了物联网的 这个问题。p m l 语言是在x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) n - i 扩展标示语言 的基础上发展起来的啪1 ，有了p m l 语言就统一规定了各组块信息传递方式。 2 4 1p m l 结构 物联网中采用统一p m l 语言进行信息传递与沟通，p m l 的发展是建立在 可扩展标识x m l 语言基础之上的，我们知道x m l 语言是一种简单存储语 言，并且语言仅针对数据且易扩展，这对p m l 语言的建立提供了良好的基 础，并且可以针对不同应用系统对其进行需求应用扩展。 p m l 是一种描述物体的语言，有其自身的结构标准，主要由p m l 核、中 间件扩展两个词汇组成咖】，但有时候根据具体情况的需求，还可以进行适当词 哈尔滨理丁大学t 学硕 ：学位论文 汇扩展，p m l 语言标准结构图如图2 - 4 所示。 图2 - 4p m l 结构图 f i g 2 - 4s t r u c t u r eo fp m l p m l 核是以x m ls c h e m a 标准为根基，从物联网系统前端传感器识别数 据，然后经格式化后将信息分发出去，这些信息一直处于静态被识别状态，直 到采用p m l 核形式表示被传感器识别后变为动态信息。同时重点是p m l 核能 够使物联网系统中的各个网络关卡识别，保证数据传递过程中的准确无误。 2 4 2p m l 数据存储 为了保证p m l 服务器可以为数据提供简单的、单一的描述方法，需设定 规范要求，制定p m l 应用系统，使系统能够满足可靠传输、无需转换的基本 要求。p m l 采用x m l 标准，同时也满足网络传输协议t c p i p 协议要求。 p m l 服务器允许数据的存储格式不一定非要以p m l 格式，可以选择任意的格 式比如说可以以数据表或者目前常用的s q l 数据库的形式存储，但信息发送 时一定要以p m l 进行格式化，对信息进行区分，使网络中的各个节点可以沟 通识别。 2 5 本章小结 物联网技术涵盖了很多跨领域的技术知识，也由很多模块组合搭建而成。 本章详细介绍了物联网的体系结构，介绍了各模块的组成。物联网是由e p c 码、射频识别技术、o n s 服务器、p m l 服务器组成，并建立在i n t e m e t 网络 基础上实现的。各个模块独立工作又协调配合，完成信息的编码、识别、处 理、格式化等一系列工作，使物联网整个系统有良好的技术基础，系统稳定可 靠，为进一步研究物联网及其应用打下了良好的理论基础。 哈尔滨理t 大学丁学硕l 学位论文 第3 章家居防范系统硬件设计 3 1 家居防范系统整体架构 家居防范系统是以a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 4 0 开发板为主控制器，负责接收 无线射频通讯传输的电子标签信息。电子标签安装在家居环境中容易出现安全 隐患的区域，例如安装在厨房监测有害气体泄露的电子标签，安装在卧室、客 厅的防火电子标签，安装在门入口处的监测非法入室的电子标签等等。一个家 庭可以有多个电子标签，一个小区单元内又可以有多个住户，所有这些标签都 可以通过主控制器来控制其工作，控制器接收到报警信息后，利用t c p ，i p 协 议通过互联网络，使多个远程监测端能够查看到报警信息，物联网家居防范系 统整体设计结构框图如图3 1 所示。 图3 1 系统整体架构框图 f i g 3 1b l o c kd i a g r a m o ft h es y s t e mo v e r a l ld e s i g n i n g 3 2a r m 9 系列 a r m 9 系列微处理器采用h a r v a r d 哈佛结构，有a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、 a r m 9 4 0 t 三种型号，1 6 位的t h u m b 指令集可以将系统性能扩大到3 2 位，处 理器时钟频率最高可达2 0 0 m h z ，低功耗、性能高，支持3 2 位的 a m b a ( a d v a n c e dm i r c oc o n t e r l l o rb u sa r c h i t e c t u r e ) 总线接口，同时a r m 9 的 哈尔滨理- 丁人学丁学硕 ：学位论文 m m u 使控制器支持w i n d o w sc e 、p a l mo s 、l i n u x 等多种广泛应用的实时操 作系统3 引。 3 2 位的r i s c 体系结构，a r m 控制器已经不满足只应用于高端微控制器 领域，目前a r m 控制器朝着高效率、低功耗的发展方向，逐步占领低端微控 制器市场。a r m 体系不断升级满足了不同应用产品的需求，从最早的a r m 7 系列，发展到a r m 9 系列，从a r m 9 e 系列发展到a r m l 0 e 再到a r m l l 系 列，不同系列的微处理器都有着其自身的独特优点，使其在便捷式产品、汽车 电子产品、数码电子产品、无线系统、网络设备、安全系统等众多领域都有很 广泛的应用。a r m 9 系列主要应用在汽车、信息通信系统，下一代无线网络设 备中口3 | 。针对家居防范系统对主控制器的要求，结合各种型号性能综合考虑， 系统选用了a r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 4 0 开发板作为物联网防范系统主控制器。 3 3 $ 3 c 2 4 4 0 开发板 3 - 3 1 开发板性能 家居防范系统主控制器采用3 2 位a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 4 0 芯片，$ 3 c 2 4 4 0 处理器选用了a r m 9 2 0 t 内核，其好处是低功耗、性能高，同时开发板的外设 丰富，降低系统开发成本，开发板详细功能及性能如下： 采用不同电压供电：1 2 v 内核供电，3 3 v 存储器、外部i o 供电； 1 通道i z c b u s 接口，2 通道s p i 接口，3 通道u a r t ，4 通道 d m a ： 1 通道1 6 位内部看门狗定时器，4 通道p w m 定时器，占空比可由编 程控制； 8 通道1 0 b i t 高精度a d c ； 2 个主设备u s b 接口，1 个从设备u s b 接口； 三种类型的l c d 显示屏，虚拟屏幕最大可达4 m ，带有触摸屏接口； 1 3 0 个i o 口，6 0 个中断源，其中2 4 个外部中断源； 四种工作模式：普通、慢速、空闲、掉电； 增强型m m u 支持多种操作系统：w i n d o w sc e 、l i n u x 、e p o c 3 2 ； 系统管理器可以采用高速、异步总线模式； 系统管理器中8 个b a n k 中6 个适用于r o m 、s r a m ，2 个适用于 r o m 、s r a m 和d r a m ： 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 写缓冲器保存空间大：1 6 个w o r d 的数据，4 个地址数据： 支持以n a n df l a s h 模式启动，并且启动后还可以作为存储器使用。 防范系统以$ 3 c 2 4 4 0 处理器为主控制器，$ 3 c 2 4 4 0 开发板由核心板和应 用板两部分组成，开发板外扩了很多应用接口，增强了开发板的应用领域。核 心板主要由提供不同电压的电源模块、时钟模块、复位电路模块以及j t a g 接 口和n a n df l a s h 等模块组成，同时外扩了可以接应用板的接口，应用板通过 外扩接口与核心板相连，应用板增添了丰富的常用功能，比如u s b 模块、 l c d 接口、键盘和l e d 接1 ：3 、s p i 总线的射频接口、摄像头接口、同时采用 d m 9 0 0 0 网卡芯片，r j 4 5 型的网线接1 2 1 嘲3 引，$ 3 c 2 4 4 0 开发板核心板及应用 板的结构框图如图3 2 所示。 。 3 3 2d m 9 0 0 0 网卡芯片 d m 9 0 0 0 网卡芯片集成了以太网m a c 控制器与处理接口，开发板中采用 常用的r j 4 5 接口，d m 9 0 0 0 芯片采用3 3 v - 5 v 宽电压，使芯片具有低功耗、 高速进程的性能，具有1 0 m 1 0 0 m 的自适应收发器，物理层接口协议符合标准 的i e e e8 0 2 3 u 规格，同时接口与介质无关，类似于电话线的接收设备完全可 以适用1 ，芯片允许8 位、1 6 位两种不同数据类型处理器访问存储器， d m 9 0 0 0 网卡芯片的其他功能特性如表3 1 所示。 表3 1d m 9 0 0 0 网膏芯片功能 t a b 3 1f u n c t i o no fd m 9 0 0 0n e t w o r kc a r dc h i p 序号 芯片性能 1 芯片l ：作模式：超低功耗模式、功率降低模式、电源故障模式 2 符合i e e e8 0 2 3 x 全双工模式 3 4 通道输入输出口 4 变压比为l ：1 或5 ：4 5 1 0 0 引脚l q f p 封装 d m 9 0 0 0 芯片具有1 0 0 引脚，s d 0 s d l 5 共1 6 位的数据地址复用总线，由 9 2 号引脚设置访问类型，当c m d 是高电平时，s d 0 s d l 5 是数据总线，当 c m d 是低电平时，s d 0 s d l 5 是地址总线。芯片2 9 、3 0 引脚分别是物理层接 收端正极r x i + 、物理层接收端负极r x i ，分别接r j 4 5 接口的7 、8 引脚。 d m 9 0 0 0 芯片的3 3 ，3 4 引脚分别是物理层发送端正极t x o + 、物理层发送端 极t x o ，接r j 一4 5 接口的l 、2 引脚，开发板中d m 9 0 0 0 网卡芯片连接工作电 图3 - 2 $ 3 c 2 4 4 0 开发板 f i g 3 2 $ 3 c 2 4 4 0d e v e l o p m e n t b o a r d 1 4 哈尔滨理r t 人学t 学硕 ：学位论文 路图如图3 3 所示。 图3 - 3d m 9 0 0 0 工作电路 f i g 3 - 3w o r k i n g c i r c u i to fd m 9 0 0 0 $ 3 c 2 4 4 0 开发板中以太网接口选用常用的r j 4 5 接口，支持1 0 m 或者 1 0 0 m 两种网络连接速度，与d m 9 0 0 0 网卡芯片匹配。l u 4 5 接口俗称8 芯的 水晶头，有直通型和交叉线两种接线方式，在a r m 9 开发板上外观为母插 座，需要接入带公插头的网线，d m 9 0 0 0 网卡芯片与i u 一4 5 接口连接原理图如 图3 4 所示。 哈尔滨理下大学t 学硕 j 学位论文 图3 4r j 4 5 接口与网卡连接原理图 f i g 3 4s c h e m a t i co fc o n n e c t i o no f r i 一4 5a n dn e t w o r kc a r d 3 4 电子标签的设计 系统中电子标签主要由控制器单片机、电源模块、传感器、射频通讯以及 现场报警五部分组成，标签结构设计如图3 5 所示，p c b 电路板见附录1 ， 图3 - 5 电子标签结构图 f i g 3 - 5s t r u c t u r ec h a r to f e l e c t r o n i ct a g 为了最大限度的降低电子标签的成本、体积、功耗，各个模块的选择都对其速 度、功耗、体积综合考虑。系统中设置了监测煤气泄漏的电子标签、防火电子 标签、非法入室电子标签，电源模块供给单片机电压，常用的电源模块一般提 供3 3 v 、5 v 、1 2 v 电压值，以便满足不同参数单片机正常工作。针对电子标 哈尔滨理1 = 人学丁学硕l 学位论文 签不同监测对象，采用不同的传感器，同时采用多个同种不同类传感器监测， 避免了由单一传感器检测而带来的误报或漏报，由于电子标签的控制器和射频 模块是标签设计的关键所在，所以以下针对单片机和射频模块做详细介绍。 3 4 1 标签控制器 系统中标签控制器选用宏晶公司生产的s t c 系列的单片机，考虑到系统 对低功耗的要求，单片机选用了工作在3 3 v 的s t c l 2 l e 5 a 6 0 s 2 型单片机， 因其具有增强型的8 0 5 1 内核，速度最快可以达到普通8 0 5 1 单片机的1 2 倍， 同时，l e 型低功耗单片机最低供给电压可以降低到2 2 v ，单片机的其他功能 特性如表3 2 所示。 表3 2 单片机功能特性 t l b 3 2m i c r o c o n t r o l l e rf e a t u r e s 序号功能及特性 l上作频率：o - 3 5 h z ，一个时钟周期等于一个机器周期 2芯片加密型强，无法解密 3 1 2 8 0 b y t e 的片内r a m 数据存储器 4 6 0 k b y t e 片内f l a s h 程序存储器 58 路1 0 b i t a d 控制器，2 路p w m 可当2 路d a 6 4 个1 6 位定时器，兼容8 0 5 1 定时器 7 具有专门的m a x 8 0 芯片复位电路 8 具有先进的指令集结构，且兼容8 0 51 指令集 9 i o 口有四种可设置_ t 作模式 1 0 采用l q f p 4 8 引脚封装，具有4 4 个i 0 口 3 4 2 射频模块 无线射频通讯采用的是n r