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基于Android的消防监控网关的设计与实现.pdf

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武汉理工大学硕士学位论文 II Abstract Traditional wired fire monitoring network has drawbacks such as complicated installation and high cost. Besides that, since the entire network relies on wire for data transmission, the traditional way to monitor fires can hardly meet the demand of firefighting work in modern society. With the rapid development of wireless communication technology, embedded technology and sensor technology, fire monitoring system changes a lot in function and structure. The emergence of wireless fire remote monitoring system provides powerfully technical support to resolve above issues. As an important part of fire remote monitoring system, fire monitoring gateway bridges the gap between sensing network and traditional communication network and seriously guarantees the reliability of the entire system.Aiming at the problem and demand of current fire monitoring system, the thesis introduces a kind of wireless sensor network gateway for fire remote monitoring. The main work of this thesis is as follows 1) A kind of zigbee coordinator node base on CC2530 chip was designed. On the hardware, the coordinator has two kinds of communication interface, one is the serial port interface, the other is USB intereface.On the software, the networking and communication process of the coordinator was designed in this thesis. It enables the Android system to communicate with the sensing network. 2) The thesis introduces three ways to realize the communication between the Android plat and the zigbee coordinator.The first one is serial port communication, through making serial port dynamic link library by NDK and JNI technology, the Android plat could manipulate the serial port by calling the library. The second one is USB communication. In this situation, Android act as USB host mode. By using USB related class under Android environment, Android plat could obtain the I/O stream of USB devices.The third one was realized by the Arduino plat which act as a medium between Android and the coordinator. 3) The function of the gateway was designed in this thesis, such as local storage, alarm data upload, data visualization, remote control by penetrating NAT and so on. 万方数据武汉理工大学硕士学位论文 III It satisfies the need of fire remote monitoring system. The gateway system has been used in a historical and cultural site. It cam find hidden danger of fire and upload it to the upper control center timely and accurately. Key words Gateway, Firefighting, Remote Monitoring, Wireless Communication, Android 万方数据武汉理工大学硕士学位论文 IV 目 录 第 1 章 绪论 ................................................................................................................. 1 1.1 论文研究背景 ..................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................. 2 1.2.1 综合消防报警系统 ...................................................................................... 2 1.2.2 物联网网关 .................................................................................................. 4 1.3 论文的研究意义 ................................................................................................. 6 1.4 论文的主要工作及内容 ..................................................................................... 6 第 2 章 消防监控网关总体需求分析及设计 ............................................................. 8 2.1 消防监控网关总体需求分析 ............................................................................. 8 2.1.1 消防监控网关功能需求 .............................................................................. 8 2.1.2 消防监控网关的非功能需求 ...................................................................... 9 2.2 消防监控网关技术分析 ................................................................................... 10 2.2.1 短距离 无线通信方案的选择 .................................................................... 10 2.2.2 Android 应用开发及平台选型 ................................................................... 14 2.3 消防监控网关的总体设计 ............................................................................... 18 2.3.1 消防监控网关的协议转换模型 ................................................................ 18 2.3.2 消防监控网关的应用模型 ........................................................................ 18 2.3.3 消防监控网关的总体方案设计 ................................................................ 20 2.4 本章总结 ........................................................................................................... 21 第 3 章 Zigbee 协调器的设计与实现 ....................................................................... 22 3.1 Zigbee 协调器总体结构设计 ............................................................................ 22 3.1.1 Zigbee 协调器的应用 ................................................................................. 22 3.1.2 Zigbee 协调器的功能模块设计 ................................................................. 23 3.1.3 CC2530 片上系统 ....................................................................................... 24 3.1.4 RFX2401C 射频集成电路 .......................................................................... 25 3.2 Zigbee 协调器的硬件设计 ................................................................................ 26 3.2.1 无线数传模块设计 .................................................................................... 26 3.2.2 电源转换电路 ............................................................................................ 27 万方数据武汉理工大学硕士学位论文 V 3.2.3 串口通信电路 ............................................................................................ 27 3.2.4 USB 接口电路 ............................................................................................ 28 3.2.5 LED 与按键电路 ......................................................................................... 29 3.3 Zigbee 协调器的软件设计 ................................................................................ 29 3.3.1 OSAL 多任务资源分配 .............................................................................. 29 3.3.2 协调器组网流程设计 ................................................................................ 31 3.3.3 协调器数据处理流程设计 ........................................................................ 32 3.4 本章总结 ........................................................................................................... 34 第 4 章 Android 与 Zigbee 协调器通信实现 ............................................................ 35 4.1 Android 串口通信方式的实现 .......................................................................... 35 4.1.1 NDK 简介 .................................................................................................... 35 4.1.2 串口操作 JNI 实现 .................................................................................... 36 4.2 Android USB HOST 通信方式的实现 ............................................................. 39 4.2.1 Android USB 主机模式 .............................................................................. 39 4.2.2 PL2303HX USB 从设 备 ............................................................................. 40 4.2.3 USB HOST 通信实现 ................................................................................. 41 4.3 Arduino 中继通信方式的实现 .......................................................................... 43 4.3.1 Arduino USB HOST SHIELD 及 ADK 开发 ............................................ 43 4.3.2 中继通信的实现 ........................................................................................ 44 4.4 本章总结 ........................................................................................................... 45 第 5 章 消防监控 网关 Android 应用软件设计 ........................................................ 46 5.1 软件数据库设计 ............................................................................................... 46 5.1.1 数据库概念设计 ........................................................................................ 47 5.1.2 数据库逻辑设计 ........................................................................................ 49 5.2 报警数据上传的实现 ....................................................................................... 49 5.2.1 WebService 在消防监控系统中的应用 ..................................................... 49 5.2.2 报警数据上传 接口 .................................................................................... 51 5.2.3 Android 端报警数据上传实现 ................................................................... 51 5.2.4 重发机制 .................................................................................................... 52 5.3 穿透 NAT 的远程控制实现 ............................................................................. 53 5.3.1 远程控制方案 ............................................................................................ 54 5.3.2 Tcp 长连接通信 .......................................................................................... 56 万方数据武汉理工大学硕士学位论文 VI 5.3.3 消防监控网关在线状态监测 .................................................................... 57 5.4 数据查询及可视化 ........................................................................................... 57 5.5 本章小结 ........................................................................................................... 58 第 6 章 消防监控网关测试与实验 ........................................................................... 59 6.1 消防监控网关通信实验 ................................................................................... 59 6.1.1 串口通信实验 ............................................................................................ 59 6.1.2 USB 通信试验 ............................................................................................ 61 6.1.3 点对点传输距离实验 ................................................................................ 63 6.1.4 节点端通信延时实验 ................................................................................ 64 6.2 消防监控网关功能实验 ................................................................................... 65 6.2.1 火情报警上传实验 .................................................................................... 65 6.2.2 穿透 NAT 远程控制实验 .......................................................................... 67 第 7 章 总结与展望 ................................................................................................... 68 7.1 工作总结 ........................................................................................................... 68 7.2 工作展望 ........................................................................................................... 69 致 谢 ..................................................................................................................... 70 参考文献 ..................................................................................................................... 71 万方数据武汉理工大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 论文研究背景 在历史的进程中,火给人类带来了 光明、温暖 和文明进步, 然而在当人们享受火带来的诸多益处的同时,它也带来了许多灾害。特别是在科学技术与经济水平迅速发展的中国,近 10 年来城市面积扩张了近 60,城市的人口基数也整体处于一个高速增长的阶段,同时伴随着大量的住宅小区、写字楼、大型商场等建筑像雨后春笋般拔地而起,楼层越来越高,越来越密集 [1]。在电气化、自动化和智能化的今天,如果防范措施差,一旦发生火灾,将会对人们的人生财产安全造成严重的危害 [2]。 据有关数据统计,中国因火灾所造成的经济损失,在 20 世纪 80 年代左右年均值为 3.2 亿元, 90 年代后,随着经济的快速增长,火灾所造成的损失也明显增加,达到年损失近 10.3 亿元, 21 世纪更是惊人,前 5 年的年均火灾损失达到 15.4 亿元,是 80 年代年均损失的 4.8 倍, 2010 年全国发生火灾 13.2 万起(不含矿井、交通、草原、森林等),直接造成经济损失达 17.7 亿元 [3]。于 2013 年 5月 31 日下午发生在中储粮林甸直属库的火灾事件,共造成 78 个露天储粮囤、累计储量 4.7 万吨的粮食表面过火,直接造成的经济损失高达 8000 万元。因此如何预防、减少火灾给人们带来的危害成为了社会焦点话题,如何更加合理有效的监测火灾的发生也成为了科学界重点研究的领域。各式各样的火灾报警系统也应运而生,并广泛应用于我们生活的方方面面 [4][5]。火灾报警系统能对消防安全起着重要的保障作用,使人们可以及早发现火情,并采取措施防范火灾于未然。 随着科技的日新月异,火灾报警系统从功能及结构上都有了很大的提升。传统的火灾报警系统采用有线报警的方式,存在综合布线复杂、灵活性差等问题,在可靠性和安全性方面也得到了一定的限制。随着人们安防意识的增强,对火 灾报警系统也有了更高的要求,传统的有线报警方式已经不能满足现代 的安防要求 [6]。而无线消防远程监控系统很好的解决了布线难的问题,消防 探测器节点 大规模、分布式的布置 更加有利于早期火情的及时发现,从而有效的避免了 火灾 可能 带来的生命及财产损失 [7]。而 消防监控网关 作为 无线 消防远程监控系万方数据武汉理工大学硕士学位论文 2 统的重要一环,在整个系统中起到了关键性的作用 [8]。它有如下几个主要功能,首先是火情数据的接受、处理及传输功能,其次是消防设施运行状态信息的接收和传输功能,最后是监控中心可以通过 消防监控网关 远程控制消防设施的功能,这些功能的稳定性是 整个消防远程监控系统实时性、准确性的重要保障,因此对 消防监控网关 的研究具有重大的意义。 近年来,伴随着物联网技术的发展以及 Android 智能设备的普及,基于Android 系统的物联网技术及应用也得到了飞速的发展 [9]。未来物联网的用户将无处不在,相应的服务也将无处不在,而 Android 系统由于其开源性以及谷歌的强大技术支持势必会成为实现这些服务的一个良好的平台。将 Android 系统应用于 消防监控网关 属于一个新的研究方向,利用 Android 系统与位于感知层的传感器进行会话,并在远端监控中心的控制下,以实现对现 场情况的实时监测和执行设备的远程准确控制。基于 Android 的 消防监控网关 为消防安全领域的应用提供了新的活力,具有广阔的应用前景。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 综合消防报警系统 消防报警系统作为消防远程监控系统的神经末梢,是其最为重要的组成的部分,将该系统应用于楼宇中时,可以有效的帮助人们及早的发现火灾安全隐患,切实提高了建筑物抗灾自救的能力,有效的 保障了人们的生命财产安全。消防报警系统与其它子系统联动的流程 是 [10]消防探测器将监测到的火灾信息(烟雾、温度、火焰等)转换成电信号、并将该电信号传输到 消防监控网关 ,消防 监控网关 根据事先设定好的规则对该电信号进行处理、运算和判断,当确定有火灾危险发生的时候就将报警信号发送至消防远程监控中心,监控中心根据报警的情况采取措施,将相应的命令反馈给 消防监控网关 执行,如关闭空调系统,启动防排烟系统、自动喷淋系统、事故照明及应急广播系统等。 在欧美等一些发达国家, 早在一个世纪以前,就已经开始了对消防报警系统及相关技术的研究 [11], 关于消防报警系统方面的建设都是非常完善的,政府每年都会为消防体系建设和消防产品的研究提供大量的资金预算。尤其是近年来电子计算机技术的快速发展以及制造加工工艺 的日趋成熟,这使得大容量、网络化、分布式、智能化的消防监控系统得到了巨大的发展和广泛的应用。 万方数据武汉理工大学硕士学位论文 3 图 1-1 空中地面联合火灾 监测 系统应用框架示意图 Cristina Barrado 和 Roc Meseguer 等人针对森林火灾设计开发了空中地面联合火灾监测系统( Wildfire Monitoring Using a Mixed Air-Ground Mobile Network)。 其结构如图 1-1 所示, 系统内部通过移动 ad hoc 网络进行通信,目的是快速准确的找到森林火灾发生后的热点( hot-spot),该系统 主要由无人驾驶飞机、带有 Wi-Fi 设备的被系住的气球( tethered balloons)、指挥中心、个人电子设备 PEDs ( personal electronic devices )组成,它们通过 COTS( commercial off-the-shelf)的 Wi-Fi 设备进行通信。无人机通过在森林区域调查,采集温度、图像信息并马上将捕获到的信息下传给地面接收设备,而这些 tethered balloons能够有效的提高网络传输的质量,整个系统的联合运行能形成一张覆盖整个森林区域的温度分布图,从而能迅速定位到 热点,采取措施有效的防止森林火灾继续蔓延 [12]。 Giliberti 和 Lorusso 等人研究出一种新型的无线传感器网络系统用于检测火灾的发生,他们称之为 PAIS 系统,通过对火灾初期信号的检测从而减少火灾造成的损失。每个 PAIS 节点能够集成多种异构的传感器从而实现对环境的完整监测,通常情况下这些节点都要布置在野外或者工作在恶劣的天气条件下,所以他们采用了许多先进的封装方法及能源管理思想来提高节点的耐用性及整个系统的可靠性,此外他们还提出了一种在线混合优化的方法能够被当做一个全自动化的工具嵌入到系统中,从而提 高监测的精确性,后期的许多实验也验证了这一点 [13]。 美国加州伯克利大学正在进行一个 Fire Ination and Rescue Equipment 的专案计划,设计了一套消防救灾系统平台, 通过在楼宇内布置的 一套称之为万方数据武汉理工大学硕士学位论文 4 SmokeNet 的通讯网络, 就能 利用 SmokeNet 监测楼宇环境信息,并将环境信息远程传送给监控中心,当有火灾发生时,消防人员穿上其 开发的 FireEye 防火面罩进入现场,就能动态的感知火灾的蔓延情况,并计算出最正确疏散路径 [14]。 相比国外,我国对消防报警系统的研究起步较晚,基础也 比较薄弱,从上世纪 60 年代才开始。在早期,我国的消防产品功能都比较单一,性能和稳定性方面也比较差,改革开放后才有了长足的发展,到 90 年代后,国外企业大量进入中国消防市场,给我国的消防产品市场带来了新的技术,至此消防报警系统才开始大量出现 [15]。总的来说我国消防报警系统在这几十年里经历了从无到有、低级到高级的发展历程,目前主要的趋势是由多线制控制系统、总线式集中区域控制器系统 等 ,朝着分布式远程监测控制系统的方向发展 [16]。 1.2.2 物联网网关 图 1-2 网关在物联网中的应用 现如今,传统的移动通信网络和互联网 主要应用于人们的日常交流和信息传输,无线传感器网络( WSN)则通过构建 ad hoc 网络来实现目标之间的短距离通信。 WSN 由于受到其自身传输协议的限制不可能进行远距离传输,要完成这种远距离的传输就需要传统的移动通信网络或互联网的帮助。然而,由于它万方数据武汉理工大学硕士学位论文 5 们在传输协议与传感技术方面并没有统一的标准,因此要实现 WSN 与移动通信网络或互联网的互联互通并非易事。随着物联网技术的发展,物联网网关( IOT Gateway)就此诞生了,它的主要作用如下解决 WSN 与传统网络之间的协议转换问题,解决 WSN 与传统网络之间的数据转发问题 ,对 WSN 及其终端节点进行管理并实现远程控制。因此,构建一个物联网网关系统的关键在于解决通信协议的多样性以及传感网络的异构性问题。然而,由于物联网网关本身也缺乏统一的标准,因此,为这些物联网网关设备制定一套统一标识及标准来实现完整意义的物联网控制管理是非常必要的。 一个典型的物联网应用大体可分为三层,如图 1-2 所示感知层、网络 层 、应用层。作为连接传感器网络和传统网络的桥梁,物联网网关位于感知层和网络层之间,它 提供 了 广泛的接入能力,强大的管理能力及协议转换能力。学术界和工业界的许多相关机构已经在物联网网关系 统的设计及标准化方面展开了工作,国内国外的电信运营商们根据用户的需求,围绕实现 WSN 与电信网络实现双向互联的目标进行了探索,并进行了应用示范。在国外的标准化组织中 3GPP和 ETSI M2M TC[17]都分别建立了各自的标准。 3GPP 在 05 年时专门针对 M2M成立了研究小组,他的主要研究内容是分析 M2M 的需求,设计其框架并论证可行性。 ETSI M2M TC 的主要业务是做 M2M( Machine-To-Machine)的标准化,该组织在 ETSI 和 3GPP 取得的现有成果的基础上进一步推进了他们的研究,目前主要专注于 M2M 的定义及应用案例,希望在这方面研究的基础上能够得出具体的业务需求及一些可以被标准化的点,但尚未取得技术上的明显进展。与此同时,国内的许多企业在参考国外标准化工作的基础上也开展了部分应用工作[18],中国电信在 WSN 终端管理方面推出了 MDMP
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