基于物聯網的安全家居管理系統開發

姜強強+陳夢楠

摘 要：在樹莓派開發板安裝Windows loT，利用微軟認知服務的人臉識別技術、Windows 10通用應用開發技術以及Microsoft Azure云服務平臺構建安全家居管理系統。主要功能有：回家刷臉進門；阻擋嫌疑訪客并拍照記錄；監控家中火源，獲取家中溫濕度；遠程控制門鎖開關。

關鍵詞：物聯網；樹莓派；微軟人臉識別API；Azure云服務；Windows 10

引言

物聯網技術被看作是信息領域一次重大的發展和變革機遇，從通信對象和過程來看，物聯網技術的核心是物與物以及人與物之間的信息交互，可實現信息獲取、信息傳輸、信息處理等功能。[1]使用微軟最新的物聯網技術+C/S結構+云服務模式實現當前用戶的需求，整個系統架構設計清晰且易于后期的維護與升級。

1 硬件技術平臺、軟件開發平臺

1.1 樹莓派

樹莓派（英語：Raspberry Pi）是英國的樹莓派基金會開發的微型計算機，因為它便宜的價格，信用卡般的大小和強大的性能，迅速被推向市場，在其基礎上搭建了各種平臺以實現特定的需求。基于樹莓派所自定義的安全家居系統可實現基礎功能，加上傳感器、攝像頭等部件便可進行識別、監測室內狀況。[2]

1.2 開發平臺——Windows10

Windows10是一款支持PC、平板、手機、物聯網硬件等跨設備的操作系統。Windows10通用應用程序原生支持X86架構和ARM架構，此平臺支持基于云的服務——通知服務、漫游數據、Azure等。[3]Windows10支持多種開發語言，本系統中的程序主要采用C#語言編寫。

2 系統設計與架構

2.1 設計思路

采用運行Windows10 IoT core的樹莓派2代作為中控主機；使用Microsoft Azure作為云服務數據處理平臺，同時也作為樹莓派與客戶端的通信平臺；運行于跨設備的UWP（Universal Windows Platform）應用作為客戶端。

2.2 Azure云服務平臺——服務器、數據庫、人臉識別API

Azure服務器端的程序實現數據的增刪改查，Azure端同時存在一個照片庫即人臉信息表（Face List）將用戶上傳的照片使用API處理成Face List，當程序調用人臉對比API時，將樹莓派端傳來的照片作為參數傳入，與Face List進行匹配，得出結果并根據識別結果創建相應通知消息并推送至客戶端；在Azure的數據庫中創建用戶表、通知表、溫濕度狀態表、陌生人表等主要信息表。

2.3 樹莓派配置

硬件配置：攝像頭、溫濕度傳感器、紅外傳感器、擴音器、電鎖。

軟件配置：初始化設備程序——獲取GPIO控制器，將所有接入設備的引腳的初始電壓置為高（GpioPinValue.High）；溫濕度傳感器程序——設置Timer計時器事件[4]，每隔3分鐘觸發，為溫濕度傳感器傳入低電壓進行工作（默認不工作的狀態是高電壓），記錄當前的數據并存儲至Azure數據庫，若溫度過高（疑似有起火狀況），則創建消息通知從服務器發送至客戶端；紅外傳感器程序——當有人靠近時，觸發相應的事件處理程序并調用攝像頭；攝像頭工作處理程序——將攝像頭拍攝的照片序列化成流作為請求體，發送Post請求至服務器。

2.4 客戶端——UWP應用

注冊用戶：根據用戶填寫的信息，以及選擇的照片將用戶信息存入創建的數據庫，照片序列化成流存入Azure用于人臉識別的圖片庫中（Face List）。

查看溫濕度：樹莓派測得的數據存入數據庫，再將數據讀出查出顯示到當前頁面。

查看陌生人列表：非家庭成員多次訪問失敗，將自動拍照保存至數據庫，采用ListView列表控件來顯示，創建相應模型，將從數據庫中的數據處理成此模型的List集合綁定于ListView控件。[5]

遠程開關：客戶端開關按鈕事件向服務器發送請求，服務器處理程序將觸發樹莓派中的門鎖開發處理事件，實現門鎖的開與關。

3 技術分析

3.1 人臉識別API使用

3.2 推送通知

開發者首先將通知消息內容發送到微軟的云服務器上（推送服務器），由推送服務器將消息發送到用戶設備上。推送服務器通過為每個應用程序分配一個唯一的URI來確定將通知轉發給目標用戶。每個客戶端運行后需要向推送服務器申請一個URI，將要推送通知的內容（XML格式的文檔）以HTTP Post方式發送到該通道的URI即可。在向服務器提交的字段中包含應用在應用商店的SID值和客戶端密鑰，提交方式為Post。[8]

4 功能模塊及展示

4.1 功能模塊

訪客控制：在HC-SR501人體紅外感應模塊探測到人體后，樹莓派會自動啟動攝像頭捕獲人臉，獲取到清晰人臉后，將圖像以Post消息體的方式發送給位于Azure上的Face Recognition API，將圖像處理并返回每個人臉唯一對應的FaceId，并返回給系統，系統將此FaceId與數據庫中的FaceId進行比對返回此人的相應權限。如果系統判定此人有權進入，將會發送通知至PC/手機客戶端。若有人多次識別失敗，客戶端也會收到相應的警告，并將此人照片存儲至數據庫供用戶查看陌生人。

溫濕度監測：通過DHT11溫濕度模塊每5分鐘獲取樹莓派所處環境的溫度和濕度，并發送至Azure中，系統將簡單分析并自行存儲至數據庫中。用戶可以從客戶端獲取溫濕度數據。

安全分析：通過火焰傳感器模塊監視的火警狀況；訪客控制給出的可疑訪客等形成的數據，形成圖表化的安全簡報。

遠程開關控制：通過HTTP請求，實現門鎖開關控制，以方便臨時訪客的進入。

4.2 項目展示（見圖2、圖3）

5 結束語

安全家居產業受到許多廠商的青睞，在激烈的競爭中安全家居智能產品將不斷完善。接下來可開發的功能有：對接微信平臺，用戶可以通過微信收到推送消息實時獲得家中的情況；加入聲紋識別等技術，進一步提升安全可靠性。

參考文獻

[1]孫其博，劉杰，黎 ，等.物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報，2010，33（3）：1-3.

[2]劉繼元.基于樹莓派的物聯網應用[J].電子世界，2016（8）：1-2.

[3]林政.深入淺出Windows10通用應用開發[M].北京：清華大學出版社，2016：3-12.

[4]Microsoft.Windows開發人員中心[EB/OL].（2016）[2015-12-23].https：//developer.microsoft.com/en-us/windows/iot/samples/kitblinky.

[5]耿肇英，周真真，耿焱.C#應用程序設計教程（第2版）[M].北京：人民郵電出版社，2010：70-71.

[6]Microsoft.Cognitive Service[EB/OL].（2016）[2016-03-30].

[7]Microsoft.Cognitive Service[EB/OL].（2016）[2016-03-30].

[8]周家安.Windows10應用開發實戰[M].北京：清華大學出版社，2015：343-350.