基于物联网技术的智能安保门铃的设计

陶曾杰，宋春雨，唐梦达，曹斌芳

(1.湖南信息学院 电子信息学院，湖南 长沙，410151；2.湖南文理学院 物理与电子信息学院，湖南 常德，415000)

随着科技的发展，尤其是云计算、物联网的出现，智能家居概念也在各大媒体上频繁出现，进入人们的视野[1]。人们对家居品质的追求也越来越高，要求家居生活舒适化、安全化和智能化。门铃作为其重要的组成部分，智能、可靠、方便、安全指数高的门铃需求日益强烈。虽然目前市场上门铃种类繁多，但是与物联网关联不是很紧密。门铃早期的智能化程度很低、应用功能简单，但现在已发展成为携提醒、防盗、对讲、可视化等为一体的完整的智能系统[2]。门铃作为主人与来访者信息沟通的桥梁，如今智能化越来越高，不仅能够提供全方位的信息交换，实现家庭与外部世界的信息沟通，还能满足远程控制和信息交换的需要。与普通的门铃系统相比，该智能安保门铃系统不仅保持了传统门铃的一系列功能，还增添了远程控制等新功能，并且脱离了各种线缆的羁绊，有很强的扩展性[3]。

1 系统总体设计

整个系统主要由三部分组成：感知层、网络层、应用层[4]。感知层由按键、门磁开关感应器、录音语音模块来采集来访者的信息；网络层利用蓝牙模块进行提示信息及控制信息的传输，并实现与智能手机的通信；应用层由智能手机APP上位机组成，将采集的数据进行可视化处理，满足用户的来访者提示、远程辅助开门、强行破门警报、倾听留言等需求。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 Structure diagram of system

2 感知层各模块设计

2.1 主控制器简介

该设计选用STC15W4K32S4单片机作为主控制器，其是STC增强型8051单片机最新技术结晶，宽电源电压(2.4～5.5V)，无须转换芯片可直接与PC机USB接口进行通信；集成了大容量的程序存储器、数据存储器以及EEPROM，增加了定时器、串行口等基本功能部件，集成了A/D、PCA、比较器、专用PWM模块和SPI等高功能接口部件，大大简化单片机应用系统的外围电路，系统性能更加高效、可靠[5]。

2.2 录音语音模块

对于录音采集部分采用了ISD1820语音模块，能高质量、自然的语音还原；可直接驱动8欧0.5W小喇叭[6]。单片机通过控制线IO进行录音及播放控制，当单片机检测到按键被按下三次，提示语音：亲爱的访客，您好！主人不在家，有事请留言，按住按钮开始录音，松开按钮停止录音。主人在APP平台触发放音模式，播放访客的留言语音。

2.3 串口语音模块

串口语音模块选用XY-V17B智能语音芯片，在本设计中采用UART串口控制，采用全双工串口通信，波特率为9600 bit/s，数据位8位，停止位1位，检验位N，通过3.5音频接口外接扬声器[7]；预先录制好语音，存放于TF卡文件夹，通过APP及单片机发出相应指令控制对应的语音播放。XY-V17B语音模块接口电路如图2所示。

图2 XY-V17B语音模块接口电路Fig.2 XY-V17B Voice module interface circuit

2.4 门磁开关感应器

本模块采用的是MC-51常闭型有线门磁探测器，磁体合并是导通、分开断开。因此可以作为强行破门的警报触发检测，当钥匙或APP端正常打开门时，不会触发报警；小偷撬门而入，触发报警声，同时发送信息到APP端，通知主人。

2.5门锁控制模块

门锁控制模块主要为电磁锁。电磁锁的设计和电磁铁一样，是利用电生磁的原理，当电流通过硅钢片时，电磁锁会产生强大的吸力吸住铁板达到开门的效果[8]，门锁控制电路如图3所示。也可以在远程端通过APP发送开门信号到单片机，控制继电器使电磁锁电源接通，电磁锁产生吸力即可开门。

图3 门锁控制电路Fig.3 Lock control circuit

3 网络层的设计

3.1 通信模块

本设计网络层采用BLK-MD-HC-05蓝牙模块传输数据，它是专为智能无线数据传输而打造，采用英国CSR公司BlueCore4-Ext芯片，遵循V2.0+EDR蓝牙规范。

蓝牙的核心特点是：短距离、低成本、高速、使用方便、点对点；低功率，便于电池供电设备工作；可以同时管理数据和声音传输；低延时等；每台智能手机都有蓝牙，相比于WIFI、移动通信技术实现成本更低、更方便[9]。

3.2 通信协议定义

(1)通信数据为ASCLL码；(2)通信格式为码头加指令，终端到手机数据格式为单指令；(3)码头为‘T’；(4)控制指令如下表1。

表1 通信控制指令表Table 1 Communication control instruction list

4 应用层的设计

4.1 APP总体功能说明

1)若有访客按了门铃，手机终端将会收到按铃信息，通知主人有访客，可以避免主人因某些原因没有听到门铃声而未及时开门。若多次门铃被按而无人应答时，将通过语音告知家里无人，有事请留言，并启动录音功能。当主人开锁时提醒主人查看留言，APP也可查看留言。

2)具有远程控制开门功能，可以通过主人手机控制开门。

3)门与门框间装上门磁开关感应器，如有人强行破门则可发出鸣叫报警声，手机终端也将收到报警提示音。

4)可以定时启动免打扰功能。当主人需要休息时手机终端可以设置免打扰功能，这样门铃相关信息就不会发送到手机上，以保证主人的休息。

5)若主人在家不方便实时开门时，可以在APP上设置延后开门，门铃则会提示访客主人稍后会过来开门。

6)APP可长期在后台运行，若有门铃信息，将保存在APP通知栏。

4.2 软件设计

主程序流程图如图4所示，当系统上电后，进行系统资源初始化；扫描门铃按钮是否被按下，若是被访客按下时，执行对应语音播报、APP提示、辅助开门等功能；当按钮没有被按下时，门铃也没有接收到APP数据时，继续扫描门铃按钮；若是接收到APP数据，解析指令，执行播放留言录音等功能。

图4 主程序流程图Fig.4 Flow chart of main program

4.3 APP界面设计

当打开APP时，进入主界面，如图5所示，点击左下角箭头，搜索门铃终端蓝牙，连接后进入控制界面，如图6所示，APP在后台运行。当访客按下门铃按钮时，手机播放铃声或振动，提示主人，并弹窗显示如图7，主人点击后回到控制界面可点击EXIT，稍后按键来辅助开门和提示访客；当访客按下门铃按钮3次及以上时，语音告知访客，主人不在家，请留言，当主人回到家，手机播放铃声或振动，提示主人，并弹窗显示如图8，主人点击后回到控制界面可点击播放留言按钮倾听留言；如有人强行破门，扬声器可发出鸣叫报警声，业主手机APP同时收到报警信息。

图5 主界面Fig.5 Main interface

图6 控制界面Fig.6 Control interface

图7 按动门铃弹窗界面Fig.7 Press the doorbell to flick the window screen

图8 留言弹窗界面Fig.8 Message popover interface

4.4 语音播报文本设计

1)叮咚声。

2)亲爱的访客，您好！主人不在家，需要留言请按住按钮开始留言，松开按钮结束留言。

3)主人，有访客留言。

4)终端连接成功。

5)亲爱的访客，您好！主人暂时不方便开门，请您稍等片刻。

6)亲爱的访客，门锁已经打开，请进。

7)亲爱的访客，您好！主人正在休息，有事请留言。按住按钮开始留言，松开按钮结束留言。

8)入侵警报声。

5 结束语

基于物联网技术的门铃设计，实现了门锁的网络化。该门铃不仅可以通过钥匙开锁，也可以通过手机APP现场开锁，还可以实现手机终端远程开锁，同时还具有录音留言与报警提醒功能等。本文门铃的设计解决了人们不带钥匙出门的方便，也解决了主人不在家或有事不方便去开门，提醒错过了重要来客等问题。在移动互联网的快速发展下，通过用手机来控制智能安保门铃，可以为用户提供更好的生活体验。在大智移云的新技术时代，物联网技术的发展也为智能安保门铃提供了技术保障。展望未来，智能安保门铃必将会成为智能家居的重要组成部分，为广大消费者的日常生活提供更便捷安全的服务。