2019年第12期
信息与电脑
China Computer & Communication
软件开发与应用
基于嵌入式Linux 网关的开源远程家居安防系统
周　乾　王　荣
（无锡职业技术学院，江苏 无锡　214000）
摘　要：针对国内人们对家居安防系统的需求，改进当前已存在的家居安防系统，提出了基于嵌入式Linux 网关的开源远程家居安防系统。本系统改进了现存系统，使用新兴的NB_IOT 技术作为远程传输技术，使用开源语言Python 在嵌入式Linux 系统中搭建网关，使系统具备开源特点。本系统底层使用ZigBee 技术降低产品功耗，同时，系统网关可以实现简单的警情预处理。尽管本系统开源，但本系统继承了Linux 系统权限管理模式的优点，系统更加安全。
关键词：NB_IOT；嵌入式Linux；ZigBee；预处理；权限管理
中图分类号：TP273.5  文献标识码：A  文章编号：1003-9767（2019）12-086-03
Open Source Remote Home Security System Based on Embedded
Linux Gateway
Zhou Qian, Wang Rong
(Wuxi Institute of Technology, Wuxi Jiangsu 214000, China)
Abstract: In order to meet the domestic demand for home security system and improve the existing home security system, an
open source remote home security system based on embedded Linux gateway is proposed. This system improves the existing system, uses the emerging NB_IOT technology as the remote transmission technology, uses the open source language Python to build the gateway in the embedded Linux system, so that the system has the characteristics of open source. At the bottom of the system, ZigBee technology is used to reduce the power consumption of products. At the same time, the system gateway can realize simple warning
preprocessing. Although the system is open source, it inherits the advantages of Linux system privilege management mode and makes the system more secure.
Key words: NB_IOT; embedded Linux; ZigBee; preprocessing; privilege management
０　引言
随着全球智能化和我国“宽带中国”战略的大力推广，万物互联时代开启。随着智慧家庭市场的迅速扩大，城镇化不断发展，人们的家庭安全意识逐步加强，一套可靠的家庭安防系统成为人们的生活必需品[1-4]。与以往的家庭安防系统相比，本产品各层之间全部采用无线方式连接，将系统划分为一个个模块。本产品还具备一定的警情预处理操作能力，将警情上报给用户，由用户进一步判别，防止发生预判失误，进一步保护用户的财产安全。本产品还采用先进的NB_IOT 技术，延长产品待机时间，网络连接更加高效[5]
。此外，本产品的嵌入式Linux 网关可视化界面完全由开源的Python 语言编写，使产品具有开源特性。用户可以通过简单学习Python 语言，制定属于自己的安防系统。尽管本系统开源，
但本系统继承了Linux 的权限管理思想，采用三级加密措施，只有拥有全部权限的人才可以修改系统。
１　系统结构设计
1.1　总体架构
考虑到低功耗、安全性、稳定性，本系统采用模块化与解耦合思想，将整个系统拆分成三层架构，同时，本系统的数据传输线路分为两个分支。此外，本系统秉持开源的思想，整个网关编程都采用开源Python 语言编写，用户可以根据需求修改自己的网关系统，添加想要的功能。系统总体架构采用三层架构模型，分别为底层感知层、嵌入式Linux 网关控制层、用户应用层。
第一，感知层主是由一系列传感器、IPCamera 、天线与
作者简介：周乾(1995—)，男，江苏盐城人，本科。研究方向：物联网技术。
王荣(1987—)，男，江苏江阴人，硕士研究生，讲师。研究方向：无线通信、电子信息。
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ZigBee 终端节点组成，主要负责检测环境状况，获取相关环境数据。ZigBee 终端通过无线的方式将数据传输至嵌入式Linux 网关层。IPCamera 直接通过WiFi 与远程用户连接，将视频画面传输至用户端。
第二，嵌入式Linux 网关控制层主要由天线、ZigBee 协调器、树莓派嵌入式板、NB_IOT 模组和WiFi 模块组成，主要负责解析、预处理感知层数据，同时，将相关数据打包成相应协议传输至应用层。嵌入式Linux 网关层还接收来自应用的协议，将协议解析传输至对应的感知层部件。在网关层，对于警情数据处理，可以实现简单的预处理保护操作。
第三，用户应用层主要由安卓端、嵌入式平台端、华为云平台端组成。其中，安卓端用于实现用户对家庭环境的监测与控制，嵌入式平台端在嵌入式Linux 网关控制层设置系统的各种参数，也可以通过此平台操作底层器件，华为云平台用于监控数据。
系统数据传输路线有两个分支，利用网络摄像头的视频监控和环境监控，通过控制相关电器操作数据传输路线。网络摄像头传输的图片帧数据量大，另开辟一条道路可以保证整个系统数据传输不会相互干扰，提高了系统的安全性。系统总体结构如图1
所示。
图1　系统总体架构
1.2　系统实现
系统数据流动过程如图2所示
.
图2　远程家居安防系统数据流动过程
整个系统由各种传感器、控制器、ZigBee 开发板、NB_
IOT 模块、WiFi 模块、树莓派开发板、手机安卓APP 和华为云平台组成。底层感知层通过传感器进行ADC 取样，获取相关测试数据，通过I/O 传输给ZigBee 终端，ZigBee 终端与ZigBee 协调器无线组网，将来自传感器的监测数据传输至ZigBee 协调器端，ZigBee 协调器接收到数据后，通过串口传输至嵌入式Linux 网关，网关接收到消息后先分析是否出现警情，若有警情，则进行相关预处理操作，同时，通过NB_IOT 模组将相关信息上传至华为云平台，并通知用户处理。用户收到消息，可以使用手机安卓APP 端通过TCP/IP 协议使用WiFi 发送相关指令，如读取环境情况命令、控制器件命令等，并发送至嵌入式Linux 网关。嵌入式网关接收到数据后，分析数据并传送至感知层对应的器件，器件执行完相的操作，将结果再次回传给用户。
２　系统功能设计
2.1　设计思想
系统采用模块化、解耦合与开源的思想，将整个系统拆分为各种模块，达到解耦合的目的。这样不仅有助于搭建整个系统，而且可以降低系统的复杂度，减少系统设计开发的时间。此外，模块化使系统更加具有条理性，为日后系统升级与维护提供便利。开源使系统能够实现私人定制，用户可以根据要求设计系统，促进系统的快速发展。2.2　系统的功能
该系统要满足以下几个功能：（1）通过编程ZigBee 相关寄存器，获取来自传感器的各个数据，达到监测环境的目的；（2）通过编程驱动器件，实现家庭物品操纵功能；（3）实现ZigBee 终端与ZigBee 协调器之间的自组网能力，便于将数据从ZigBee 终端无线传输至ZigBee 协调器；（4）在嵌入式Linux 开发板上运行Python 语言为基础的可视化界面网关，实现各层数据的接收、分析、处理和发送，并实现警情预处理功能；（5）将数据通过NB_IOT 无线模组，使用CoAP 协议，将环境监控信息发送至华为云平台；（6）结合TCP/IP 协议，安卓端APP 通过WiFi 实现无线数据收发，达到控制整个底层感知层器件的目的；（7）编写相关协议，使数据在整个系统无差错传输，同时，协议能够被不同的设备识别、解析，实现系统各个模块之间的无干扰传输。
３　系统安全设计
由于基于嵌入式Linux 网关的开源远程家居安防系统涉及用户家庭财产安全，因此系统需要特别注重安全问题。本系统采取三级安全保护措施。尽管本系统是一个开源思想支持的系统，但依旧使用了严格的权限管理模式。本系统继承了Linux 的三成权限管理思想，管理员权限用户可以修改系
统源码、删除系统用户，控制者权限用户拥有控制底层各种电器的权限，监控者权限用户只具备监测环境的功能[6-7]。各
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级用户权限如图3
所示。
图3　各级用户权限
４　结　语
此款家居安防系统网关实物测试如图4所示，分为监控界面、控制界面、服务器界面。用户可以在此设置与通信相关的各种参数，可以进行系统测试和系统底层器件操作等功能测试。
虽然笔者改进了现的网关系统，但是仍然存在各种问题。未来，需继续完善NB_IOT 技术相关操作，实现NB_IOT 技术的全面应用。对于底层ZigBee 节点，可以使用更加低功耗的方案解决。本系统只初步实现了智能化预处理，距离真正的预处理还有很大距离，这将是日后研究的重点。就现存系统而言，此系统的功能比较单调，需结合开源思想大力开发。未来，本系统的安全管理方案会具有更加全面的安全管理措施。
参考文献
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[7]黄华.基于Web 应用的统一身份认证系统设计与实现[D].成都：电子科技大学
,2012:77.韦东山嵌入式linux视频
图4　系统网关测试实物
４　结　语
该设计实际制作过程中，编译时出现了很多Bug ，客户端无法连接服务器，串口发送的数据是乱码，串口调试不成功。对此，查询了很多文献和用户手册等参考资料。笔者在解决问题的过程中，知识储备越来越丰富，对单片机的操作越来越熟练，提高了独立解决问题的能力。
参考文献
[1]韩硕.探索中国制造业的新未来-德国工业4.0对中国
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[3]蒋文港，方鑫，孟浩杰，等.基于指纹识别的电子门禁锁设计[J].电子期刊,2018(9):35-37.
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