基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能居家安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李曉峰，張銀慧，石大琨

（天津仁愛學(xué)院，天津 301636）

0 引 言

隨著人們安全意識(shí)的不斷增強(qiáng)，視頻監(jiān)控、智能門鎖和智能門鈴等安防設(shè)備開始走進(jìn)普通家庭。傳統(tǒng)的機(jī)械門鎖和普通貓眼只能滿足居家安防基本需求，存在門禁控制方式單一、監(jiān)控視頻僅可為事后分析調(diào)查提供證據(jù)、對(duì)突發(fā)緊急情況無法提供預(yù)警或報(bào)警提醒等弊端[1]。文章設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能居家安防系統(tǒng)，旨在提升居家安防的智能化和人性化水平，在具備基本的安防監(jiān)控功能的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)、傳感器、自動(dòng)控制以及嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)，滿足用戶身份識(shí)別、門禁控制、災(zāi)情預(yù)警及遠(yuǎn)程操控等實(shí)際需求。同時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本地設(shè)備、云平臺(tái)和手機(jī)App 之間的互聯(lián)互通。本地設(shè)備通過識(shí)別、分析傳感器采集的有用信息，快速判斷異常情況，并自動(dòng)發(fā)出警報(bào)信息或者觸發(fā)后續(xù)處理動(dòng)作[2]；云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳下載和云端存儲(chǔ)，手機(jī)App 的命令下發(fā)等；手機(jī)App 可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操控。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能居家安防系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)和開發(fā)環(huán)境

1.1 系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)等技術(shù)，以多功能門禁和居家環(huán)境監(jiān)測為主體的智能居家安防系統(tǒng)所采用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)方案如圖1 所示。

圖1 智能居家安防系統(tǒng)采用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)感知層主要包括DHT11 溫濕度傳感器、MQ-2 煙霧氣敏傳感器、紅外火焰?zhèn)鞲衅鳌CWL-5016毫米波雷達(dá)感應(yīng)開關(guān)、光敏電阻模塊以及RFIDRC522 射頻模塊等信號(hào)采集傳感器?？刂茖硬捎么钶d意法半導(dǎo)體的STM32F429IGT6 微控制器的嵌入式開發(fā)平臺(tái)作為核心，還采用SG90 舵機(jī)用于驅(qū)動(dòng)門鎖開關(guān)和控制監(jiān)控?cái)z像頭旋轉(zhuǎn)的云臺(tái)等。傳輸層包括基于消息隊(duì)列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議的ESP8266 通信模塊和ESP32-CAM 網(wǎng)絡(luò)攝像頭用于數(shù)據(jù)上傳和命令下發(fā)。數(shù)據(jù)層采用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的云端存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)訪問。同時(shí)，開發(fā)手機(jī)App 與整個(gè)系統(tǒng)無縫銜接，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地監(jiān)控居家安防系統(tǒng)的狀態(tài)和處理信息等[3]。

1.2 系統(tǒng)硬件開發(fā)環(huán)境

1.2.1 STM32F429IGT6 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)

意法半導(dǎo)體的STM32F429IGT6 微控制器基于Arm Cortex-M4 32 位快速指令集計(jì)算機(jī)（Reduced Instruction Set Computing，RISC）內(nèi)核，其工作頻率可達(dá)180 MHz，內(nèi)置多達(dá)1 MB Flash 和256 kB 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM），并集成豐富的外設(shè)模塊和充足的輸入輸出（Input/Output，I/O）端口，芯片封裝引腳為薄型四方扁平封裝（Low-profile Quad Flat Package，LQFP），共176 個(gè)引腳。該設(shè)備配備一個(gè)12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC），實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集等功能?；赟TM32F429IGT6 微控制器的核心板硬件資源配置如圖2 所示。

圖2 STM32F429IGT6 核心板硬件資源配置

設(shè)計(jì)中利用意法半導(dǎo)體的STM32 芯片的圖形化配置工具STM32CubeMX 和集成開發(fā)環(huán)境Keil uVision5.26 進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，STM32CubeMX 允許用戶使用圖形化向?qū)蒀 語言初始化代碼，大大減少開發(fā)工作，節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用，提高開發(fā)效率；在Keil 軟件中安裝STM32F429IGT6 芯片的支持軟件包Keil.STM32F4xx_DFP.pack 后，使用Keil MDK5 進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和編譯等。

基于STM32F429IGT6 的智能居家安防系統(tǒng)硬件資源功能架構(gòu)如圖3所示。其中，DHT11溫濕度傳感器、MQ-2 煙霧傳感器、紅外火焰?zhèn)鞲衅鞯雀黝悅鞲衅鞑杉蛹噎h(huán)境參數(shù)；光敏電阻和RCWL-5061 毫米波雷達(dá)檢測活動(dòng)人體；有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）顯示屏、發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）燈和蜂鳴器提供系統(tǒng)狀態(tài)信息和報(bào)警提醒；門鎖舵機(jī)和云臺(tái)舵機(jī)分別控制門禁開關(guān)和監(jiān)控?cái)z像頭的旋轉(zhuǎn)；4×4 矩陣鍵盤和RC522 射頻識(shí)別讀寫模塊用作人機(jī)交互；ESP8266 Wi-Fi 模塊實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)和本地設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)通信。

圖3 智能居家安防系統(tǒng)硬件資源功能架構(gòu)

1.2.2 ESP8266 透傳通信模塊

ESP8266 作為一款超低功耗基于通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）接口的Wi-Fi 透傳模塊，基于串行通信發(fā)送和接收數(shù)據(jù)字符，廣泛應(yīng)用于智能家居、環(huán)境監(jiān)測和智能控制等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，可將用戶的物理設(shè)備連接于Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信[4]。ESP8266利用MQTT 物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議和透傳AT 固件，通過AT 指令開發(fā)控制硬件設(shè)備，并通過MQTT 協(xié)議訂閱阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備終端和云端的雙向通信傳輸[5]。ESP8266 透傳通信模塊功能架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 ESP8266 透傳通信模塊功能架構(gòu)

1.2.3 ESP32-CAM 無線監(jiān)控模塊

ESP32-CAM 結(jié)合OV2640 或OV7670 攝像頭廣泛應(yīng)用于無線監(jiān)控和家庭智能設(shè)備圖像傳輸?shù)任锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域。無線監(jiān)控模塊利用云臺(tái)舵機(jī)能夠控制攝像頭的拍攝角度和旋轉(zhuǎn)方向，使用ESP32-CAM 拍攝居家環(huán)境，并通過Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)上傳到云端，用戶可以使用發(fā)布-訂閱模式來實(shí)現(xiàn)消息的發(fā)布和訂閱，訂閱者可以及時(shí)收到上傳到云端的圖片或視頻流數(shù)據(jù)地址[6]。設(shè)計(jì)中，ESP32-CAM 基于Arduino 開源平臺(tái)開發(fā)，ESP32-CAM 無線監(jiān)控模塊的控制與數(shù)據(jù)上傳功能架構(gòu)如圖5 所示。

圖5 ESP32-CAM 無線監(jiān)控模塊功能架構(gòu)

1.3 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與手機(jī)App 開發(fā)

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是阿里云專門為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域服務(wù)的云平臺(tái)，旨在幫助用戶搭建安全且性能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)通道，方便設(shè)備終端和云端的雙向通信[7]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后只需在平臺(tái)上注冊(cè)產(chǎn)品與設(shè)備，通過MQTT 協(xié)議訂閱，即可實(shí)現(xiàn)消息通知、數(shù)據(jù)上傳、命令下發(fā)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析等。

基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)工具IoT Studio 平臺(tái)開發(fā)Android 手機(jī)App，實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，并將數(shù)據(jù)顯示于App界面，便于用戶獲取系統(tǒng)相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。同時(shí)，可以通過App界面的按鈕實(shí)現(xiàn)控制命令的下發(fā)和消息上傳，如對(duì)云臺(tái)舵機(jī)和門禁開關(guān)的控制等。云端應(yīng)用設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖6 所示。

圖6 阿里云云端應(yīng)用功能架構(gòu)

2 系統(tǒng)功能的具體實(shí)現(xiàn)與工作流程

2.1 多樣化門禁開鎖方式

門禁系統(tǒng)為用戶提供鍵盤密碼輸入、近場通信（Near Field Communication，NFC）刷卡和手機(jī)App遠(yuǎn)程操控3 種不同的開鎖方式。3 種開鎖方式可以獨(dú)立使用也可以相互結(jié)合，既方便又安全高效。對(duì)于臨時(shí)訪客或不方便開門的情況下，用戶也可以通過手機(jī)App 實(shí)現(xiàn)門禁的遠(yuǎn)程開啟和關(guān)閉操作，且能夠?yàn)樵L客提供臨時(shí)訪問密碼和權(quán)限。多樣化的門禁開鎖方式既便于針對(duì)不同的用戶類型設(shè)置不同的門禁開啟模式和權(quán)限，又可以解決安全隱患問題，如忘帶鑰匙、鑰匙丟失等[8]。智能門禁系統(tǒng)開鎖方式流程圖如圖7 所示。

圖7 門禁系統(tǒng)開鎖方式流程圖

3 種開鎖方式的具體開鎖流程如下。

一是4×4 矩陣鍵盤輸入密碼解鎖：用戶通過按下鍵盤上的0 ～9 數(shù)字鍵輸入6 位解鎖密碼并按“#”鍵確認(rèn)，如果密碼輸入正確則觸發(fā)開門程序并驅(qū)動(dòng)門鎖舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)180°，此時(shí)蜂鳴器將響起“開門密碼正確”的音效，OLED 顯示屏顯示“Open Door”字樣；如果連續(xù)3 次密碼輸入錯(cuò)誤，門禁將鎖定，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音，同時(shí)系統(tǒng)將通過微信小程序向用戶手機(jī)發(fā)出報(bào)警提醒，此時(shí)需要在手機(jī)App 界面點(diǎn)擊“解鎖”按鈕才能解除鎖定。

二是NFC 門禁刷卡解鎖：RC522 射頻識(shí)別模塊內(nèi)置在矩陣鍵盤后面，當(dāng)把正確的門禁卡或帶有NFC功能并已錄入門禁卡信息的智能手機(jī)放在識(shí)別區(qū)，若驗(yàn)證成功，就可以聽到“滴-滴”的提示音效，此時(shí)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)門禁打開。

三是手機(jī)App 遠(yuǎn)程開門：用戶在手機(jī)App 界面直接點(diǎn)擊“開門”鍵即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程一鍵解鎖開門；當(dāng)遇到突發(fā)危險(xiǎn)情況時(shí)，也可以點(diǎn)擊“鎖定”按鍵一鍵鎖定門禁系統(tǒng)。

2.2 門禁系統(tǒng)人體檢測

門禁系統(tǒng)人體檢測主要由RCWL-5016 毫米波雷達(dá)感應(yīng)開關(guān)和光敏電阻模塊組成，工作流程如圖8 所示。當(dāng)有人體或活動(dòng)物體經(jīng)過門禁時(shí)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)毫米波雷達(dá)感應(yīng)開關(guān)，直至系統(tǒng)不再檢測到人體，同時(shí)本地記錄數(shù)據(jù)“經(jīng)過人次”加1，并在下次數(shù)據(jù)上傳云端時(shí)自動(dòng)更新記錄數(shù)據(jù)。若此時(shí)光敏電阻模塊檢測到環(huán)境光線強(qiáng)度不足，內(nèi)置LED 照明燈將自動(dòng)開啟，提供輔助照明，便于監(jiān)控?cái)z像頭拍攝清晰的畫面；OLED顯示屏也點(diǎn)亮，進(jìn)入準(zhǔn)備工作狀態(tài)。當(dāng)有人在檢測范圍內(nèi)停留超過15 s 時(shí)，門禁系統(tǒng)將自動(dòng)觸發(fā)警報(bào)，提醒用戶存在非正常用戶的異常逗留情況。若發(fā)生誤警報(bào)，用戶可通過輸入門禁密碼、刷卡或在手機(jī)App 上按下“開門”鍵來解除警報(bào)，且20 s 內(nèi)不會(huì)再次觸發(fā)警報(bào)。

圖8 門前人體檢測流程

2.3 系統(tǒng)安全監(jiān)測與災(zāi)情預(yù)警

RCWL-5016 毫米波雷達(dá)感應(yīng)開關(guān)在門禁前5 m左右范圍內(nèi)，當(dāng)檢測到存在超過15 s 設(shè)定時(shí)間的非正常逗留人員或非法開鎖、暴力撬門等異常情況時(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)的同時(shí)頻閃LED 燈，以便警告非正常人員，同時(shí)系統(tǒng)通過微信小程序立刻向用戶報(bào)警。

當(dāng)發(fā)生火災(zāi)等突發(fā)狀況時(shí)，MQ-2 煙霧傳感器、DHT11 溫濕度傳感器和紅外火焰?zhèn)鞲衅鲿?huì)監(jiān)測到環(huán)境空氣質(zhì)量突然異?；驕囟韧蝗簧?，若數(shù)據(jù)超過提前設(shè)定的閾值，系統(tǒng)將利用微信小程序向用戶手機(jī)發(fā)出預(yù)警提醒，同時(shí)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警并自動(dòng)開啟LED燈為用戶安全撤離提供方向指引和照明。

2.4 云平臺(tái)遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)查看

系統(tǒng)搭載的各類信號(hào)采集傳感器通過ESP8266通信模塊連接到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，手機(jī)App 連接阿里云服務(wù)器，最終實(shí)現(xiàn)居家環(huán)境和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的上傳、手機(jī)App 端的命令下發(fā)和系統(tǒng)設(shè)備的遠(yuǎn)程無線控制。這樣即使用戶在異地也可通過手機(jī)或云端控制臺(tái)輕松管理門禁設(shè)備的開關(guān)和查看其他居家信息等。ESP32-CAM 無線監(jiān)控模塊和網(wǎng)絡(luò)攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控門禁工作狀態(tài)和居家環(huán)境信息，監(jiān)控視頻流上傳到阿里云服務(wù)器便于用戶實(shí)時(shí)掌握居家安全狀態(tài)。特殊情況下，用戶能夠通過手機(jī)App遠(yuǎn)程控制云臺(tái)舵機(jī)來操縱、旋轉(zhuǎn)攝像頭實(shí)現(xiàn)監(jiān)控圖像的全方位捕獲和跟隨。

為優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)將定時(shí)通過ESP8266 模塊上傳至云端，定時(shí)更新的優(yōu)點(diǎn)在于非緊急信息可以不用頻繁上傳，以免占用數(shù)據(jù)資源和通信鏈路。設(shè)計(jì)中，上傳云端存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括開門次數(shù)、經(jīng)過人次、報(bào)警次數(shù)、溫度以及濕度5 類信息。

2.5 信息顯示與節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)

OLED 顯示屏不僅可以顯示實(shí)時(shí)時(shí)間和環(huán)境監(jiān)測信息，還可以用來提示門禁開關(guān)如何解鎖、門禁密碼輸入是否驗(yàn)證成功、正確開門后自動(dòng)關(guān)門的倒計(jì)時(shí)提示等。同時(shí)，OLED顯示屏和LED燈具有自動(dòng)休眠功能，只有檢測到門前有人停留或環(huán)境光照不足時(shí)，才會(huì)判斷是否點(diǎn)亮，既節(jié)能省電，又降低了OLED 屏幕連續(xù)長時(shí)間工作導(dǎo)致燒屏的概率。

3 智能居家安防系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

3.1 系統(tǒng)樣機(jī)整體效果

基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)技術(shù)的智能居家安防系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)效果如圖9 所示。外觀設(shè)計(jì)在數(shù)字建模后采用3D 打印技術(shù)制作完成，實(shí)物樣機(jī)外觀整潔，模塊布局合理，操作方便，功能完備，各項(xiàng)設(shè)計(jì)功能均調(diào)試并驗(yàn)證通過。

圖9 系統(tǒng)樣機(jī)整體效果

3.2 手機(jī)App 遠(yuǎn)程操控

基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)工具IoT Studio 平臺(tái)開發(fā)的Android 手機(jī)App，其用戶界面設(shè)計(jì)清晰直觀、操作簡單。手機(jī)App 人機(jī)交互界面如圖10 所示，能夠監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制操作居家安防系統(tǒng)，如門禁的開關(guān)、云臺(tái)的控制和監(jiān)測數(shù)據(jù)的查看等。

圖10 手機(jī)App 人機(jī)交互界面

手機(jī)App 人機(jī)交互界面中，“鎖定”按鈕可以禁止任何方式的驗(yàn)證觸發(fā)開門，以達(dá)到日常居家反鎖的功能。該“鎖定”功能可以通過“解鎖”按鈕解除，解除鎖定后即可恢復(fù)各種形式的開門觸發(fā)；通過界面上的“上”、“下”、“左”以及“右”4 個(gè)按鈕遠(yuǎn)程操控云臺(tái)舵機(jī)，達(dá)到轉(zhuǎn)動(dòng)監(jiān)控?cái)z像頭改變拍攝角度，實(shí)現(xiàn)360°無死角監(jiān)控；點(diǎn)擊“觀看視頻”按鈕可以查看攝像頭的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有異常情況時(shí)，可以利用“警報(bào)響聲”按鈕立即開啟警報(bào)。

4 結(jié) 論

文章從提高居家生活的安全性、便利性、智能化以及網(wǎng)絡(luò)化出發(fā)，設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)和嵌入式技術(shù)開發(fā)的智能居家安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)強(qiáng)化云平臺(tái)、手機(jī)App 與本地設(shè)備的互聯(lián)互通，在門禁控制和視頻監(jiān)控基本功能的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)陌生人異常逗留和火災(zāi)等緊急情況下的系統(tǒng)報(bào)警提醒與緊急輔助照明，利用手機(jī)App 遠(yuǎn)程操控?cái)z像頭實(shí)現(xiàn)無遮擋情況下監(jiān)控圖像的捕獲和跟隨，緊急狀態(tài)下的手機(jī)一鍵“鎖定”門禁和開啟“警報(bào)響聲”等，能夠有效進(jìn)行事前預(yù)警、事中處理、事后及時(shí)取證。另外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中融入節(jié)能環(huán)保的理念，進(jìn)一步提升居家生活的安全性，擴(kuò)大應(yīng)用場景范圍。