基于樹莓派與微信的室內物聯網安防系統

周炳貴， 劉慶楷， 邱 桔

(暨南大學 電氣信息學院，廣東 珠海 519070)

基于樹莓派與微信的室內物聯網安防系統

周炳貴， 劉慶楷， 邱 桔

(暨南大學電氣信息學院，廣東珠海519070)

為實現對室內環境的安防監控，利用傳感器和攝像頭對室內環境進行數據采集，并通過樹莓派將數據上傳至服務器或數據庫中，供用戶通過微信公眾平臺查看。當室內環境出現異常情況時，微信公眾平臺自動向用戶發送報警信息，并根據時間間隔和異常情況是否得到處理確定是否重新發送報警信息。測試結果表明：系統工作可靠，可移植性高，對室內安防具有重要意義。

物聯網技術； 室內安防監控； 傳感器陣列； 樹莓派； 微信

0 引 言

室內環境的安防問題一直受到重視。隨著計算機、通信和微電子技術的飛速發展和人民生活水平的提高，對于室內環境的安全性與可管理性也有了更高的要求[1]。視頻監控作為最傳統的室內安防手段，在使用中暴露出來的缺點有：缺乏對環境參數如溫度，光照強度等的監控，工程量大，成本高，需要人工關注而無法自動報警等。隨著物聯網、傳感器技術、現代通信技術的不斷發展，室內安防也得到了飛躍性的發展。嵌入式遠程監控安防系統出現并一直向著低功耗、多功能、高性能方向發展[2]。為了實現監控的專業化、自動化，降低成本以及提高安防系統的質量，本文進行了以下嘗試：以樹莓派為主機，使用傳感器陣列與攝像頭收集環境參數，以微信作為用戶終端，構建了一套可操作性強且成本較低的室內安防系統。

1 系統結構

如圖1所示，系統由傳感器陣列、攝像頭、樹莓派3B、服務器、微信服務器、微信公眾平臺6個部分組成。樹莓派作為物聯網服務器[3，4]，一方面負責與傳感器陣列和攝像頭連接，采集環境數據與拍攝環境圖像，另一方面將數據與圖像上傳至服務器。當用戶通過微信公眾平臺發起菜單事件請求，微信服務器響應這一事件，根據事件請求的類型，或是訪問服務器的數據庫以讀取環境數據，或是要求服務器上傳最新的圖像到微信服務器，然后將數據轉發到用戶的微信公眾平臺。此外，對服務器設置定時任務，使得其每隔一段時間便可以自動檢查環境數據，出現危險情況時及時通過微信公眾平臺的模板消息功能向用戶發出警報。服務器使用Linux虛擬主機，價格較為低廉。

圖1 系統結構框圖

2 數據采集

采集的數據分為兩種：傳感器采集的數值型數據與攝像頭拍攝的圖像數據。某些室內環境對環境參數的要求很高，尤其存放重要電子設備的場所，環境必須受控，所以，有必要在監控系統中加入檢測環境參數傳感器[5]。傳感器可以選用集成有微處理器的傳感器，加裝無線串口模塊實現與樹莓派的通信。采用無線串口模塊可以實現在面積較大的室內環境中布置較多的傳感器而無需考慮布線問題。本文安防系統使用了5種數值型傳感器，分別為光敏傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、火焰傳感器和人體感應傳感器。攝像頭一般僅需安裝一個，通過USB線直接與樹莓派相連即可，也可以通過USB延長線在其他位置安裝。軟件方面采用的是motion運動捕獲軟件[6,7]，當從攝像頭畫面中捕獲到運動時，軟件會拍攝圖像并錄制視頻記錄整個運動過程。

3 數據處理

3.1 數值型數據

3.1.1 數據接收與辨識

傳感器通過無線串口向樹莓派發送數據，樹莓派將判斷串口發來的數據是否正確(有無丟包或錯亂等)，并判斷數據由哪一只傳感器發來，將認定為正確的各傳感器數據上傳至服務器MySQL數據庫[8]中。

采用Python程序識別數據長度以及數據中的標識字符(加在傳感器數值的前面，與有效數據共同發送)，以判斷數據有無丟包或錯亂，同時確定數據的上傳通道。如表1所示為傳感器與相應串口數據格式。相較于利用串口號固定各傳感器發送數據的上傳通道，采用Python腳本判斷數據格式確定數據的上傳通道更為可靠，因為在故障發生后，失電、再上電，或者插拔無線串口，均可能改變系統識別的串口號，導致數據上傳位置錯誤，甚至造成腳本運行錯誤，系統無法正常運行。

表1 傳感器與相應串口數據格式

注：各‘X’均代表一位數字。

3.1.2 數據上傳服務器數據庫

就跨國公司而言，他們通?？梢栽诠镜睦麧欀蝎@利，以降低稅收，減少投資和盈余。由于跨國公司的價格轉移，稅收部分通常被定義為相互關聯的企業的兩個方面。

編寫Python腳本將辨識過的數據上傳至數據庫中指定的表內[9]，并加上時間戳，以便確認數據的時效性。如表2所示為數據與數據庫相應表名及屬性。

表2 數據與數據庫相應表名及屬性

3.1.3 數值型數據上傳程序流程

系統將數據辨識和上傳功能結合在一個Python程序中。讀取串口數據使用Python提供的pyserial模塊，上傳數據庫使用Python提供的MySQLdb模塊。程序的流程如圖2所示，圖中N為最多被使用的串口數，即傳感器數，文中N=5。

圖2 數值型數據處理與上傳程序流程

3.2 圖像數據

系統的圖像數據包括兩類，攝像頭拍攝的圖像和攝像頭攝錄的視頻。出于成本考慮，本文安防系統所用的服務器采用低端的虛擬主機，處理速度慢、帶寬小，所以圖像數據處理時僅將圖像通過POST方法[10]上傳到服務器，同時新圖像將覆蓋舊圖像。視頻數據則僅存儲本地，可以訪問樹莓派的存儲卡查看。采用POST方法上傳圖像可避免大的數據流，對數據庫讀寫造成過大的壓力。上傳到服務器而不是直接調用微信公眾平臺的臨時素材接口是因為這一接口有5 000次/天的調用限制[11]，為了實現更好的監控效果，刷新頻率應當足夠高，5 000次/天的刷新頻率遠遠不能滿足要求。

要用Python實現POST方法上傳圖像，需要服務器運行服務器端(Server)程序，樹莓派運行客戶端(Client)程序。服務器端腳本使用Python提供Cgi模塊和BaseHTTPRequestHandler模塊?？蛻舳四_本使用Python提供的Requests模塊。程序流程如圖3。

圖3 圖像上傳程序流程

4 數據管理

由于圖像在云端和本地均僅一張，按時間順序由新的覆蓋將舊的，所以不需要進行特別的管理。

考慮到服務器性能、存儲空間的限制、查詢數據庫的流暢度以及過期數據的重要性不高等原因，通過開啟MySQL數據庫的事件調度器設置定時事件[12]，對3天前的數據在每天6:00進行定時清除。

5 微信公眾平臺開發

5.1 功能菜單

功能菜單包含3個主菜單：運動捕獲、環境信息、其他數據，其中其他數據主菜單下還有3個子菜單：人體感應、煙霧感應、火焰感應。功能菜單通過調用微信的自定義菜單接口產生[13]。

按下運動捕獲菜單，微信服務器將返回安防系統檢測到的上一次運動發生時的圖像，同時附帶時間。

按下環境信息菜單，微信服務器將返回室內光線強度與溫濕度信息，同時附帶時間。

按下其他數據下的子菜單可以實現煙霧傳感器、火焰傳感器、人體感應傳感器數據查詢，確認室內環境安全。

5.2 警報推送

在服務器的指定路徑下存儲著能夠實現警報推送功能的PHP文件，設置crontab定時任務每隔5 s訪問該文件一次，該文件將訪問數據庫查詢當前最新的煙霧傳感器、人體感應傳感器和火焰傳感器的數據，如果符合報警條件，將會調用微信的模板消息接口，向指定微信賬號發送警報消息。為避免滿足報警條件時頻繁的警報信息騷擾，在發出警報的同時將向目錄下的.json文件中寫入當前時間，保證當時間間隔到1 min以上時才會發送第二次警報消息。

實現警報推送功能的PHP程序的流程如圖4。

圖4 警報推送功能程序流程

6 測試結果

圖5為系統測試運行情況。系統安裝在實驗室中進行測試，對室內環境進行了測量，模擬了觸發人體警報、煙霧警報和火焰警報的條件，經過測試，證明系統工作可靠，測量數據準確，發送警報即時，對室內安防有重要意義。

圖5 系統測試情況

7 結束語

基于樹莓派與微信的室內物聯網安防系統利用了樹莓派微型計算機成本低廉、工作可靠的特點，配合微信服務的穩定性、及時性，實現了室內安防的基本功能，同時保證了數據的隱私性與安全性。系統成本較低、可移植性高，可以根據具體使用的室內環境條件增加硬件，實現更好的服務，對保護人員與財產安全有著重要的意義，具有廣闊的市場前景。

[1] 楊國斌,李秋紅,王太宏.基于WSNs和3G網絡的無線遠程安防監控系統[J].傳感器與微系統,2012,31(12):76-78,82.

[2] 林飛龍,彭詩瑤.基于多傳感器的高性能監控系統設計[J].傳感器與微系統,2014,33(2):119-122,126.

[3] 于志強,溫志渝,謝瑛珂,等.基于樹莓派的多參數水質檢測儀控制系統[J].儀表技術與傳感器,2015(6):20-23,27.

[4] 關靜麗,艾 紅,陳雯柏.基于樹莓派和Yeelink的開放實驗室監控系統設計[J].實驗室研究與探索,2017(3):116-119.

[5] 郭 苧,郭曉冉,毛向東,等.基于GSM和WSNs的實驗室溫濕度采集報警系統設計[J].傳感器與微系統,2017,36(8):92-94.

[6] 汪 鑫,彭雨薇.基于樹莓派的網絡監控系統的研究與實現[J].硅谷，2014,7(14):25-26.

[7] Membrey P,Hows D.樹莓派學習指南[M].張志博,孫峻文,譯.北京:人民郵電出版社,2014:170-173.

[8] 汪志敏.基于樹莓派的智能監控系統設計[J].科技廣場,2017(3):89-91.

[9] 楊佩璐,宋 強.Python寶典[M].北京:電子工業出版社,2014:296-299.

[10] 陳 雷,劉嘉勇.基于HTTP協議的POST數據分析與還原[J].通信技術,2011,44(4):132-134,169.

[11] 騰訊微信團隊.微信公眾平臺技術文檔[EB/OL].https:∥mp.weixin.qq.com/wiki.

[12] 林 松.工業控制中實時數據庫系統的設計與實現[D].福州:福州大學,2006:23-27.

[13] 方倍工作室.微信公眾平臺開發最佳實踐[M].北京:機械工業出版社,2014:68-74.

IndoorIOTsecuritysystembasedonRaspberryPiandWeChat

ZHOU Bing-gui, LIU Qing-kai, QIU Ju

(CollegeofElectricalandInformation,JinanUniversity,Zhuhai519070,China)

Based on Raspberry Pi and WeChat,an interior IOT security system is designed by using sensors array and a camera to monitor the indoor environment.The sensors array and camera are used for data acquisition from indoor environment and Raspberry Pi for uploading collected data to a server or database for users to view through WeChat.Whenever an abnormal situation occurs in indoor environment,WeChat public platform automatically sends alarm information to users.It also determines whether or not to repeat sending alarm information depended on the time interval and whether abnormal conditions are processed.This system is verified to be reliable and portable,which is of great important for indoor security.

Internet of things(IOT)technology; indoor security monitoring; sensors array; Raspberry Pi; WeChat

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0109—03

TP 277

A

1000—9787(2017)11—0109—03

2017—09—01

周炳貴(1996-)，男，專業方向為電氣測量與檢測研究，E—mail：466554018@qq.com。

邱 桔(1966-)，女，通訊作者，博士，副教授，主要從事軟件工程與理論、嵌入式系統相關研究工作， E—mail：t_orange001@jnu.edu.cn。