基于树莓派+Python的智能安防系统设计

王 甜

0 引言

目前，家庭安防问题已经成为人们关注的重点问题，采用信息技术手段监控家庭安全已经成为一种趋势。树莓派是一款基于Raspbian Linux系统的嵌入式计算机，其具有体积小，集成度高，可扩展性强等优势，所以被广泛使用在物联网应用系统中。

1 系统总体方案设计

本文硬件系统开发选用当前流行的开源硬件树莓派（Raspberry PI），软件设计主要用Python语言对引脚定义及编程，Linux环境配置和驱动安装等。树莓派采集外部传感器的感知信息，并将信息传递给远程终端，通过人机对话再实现返回数据给树莓派开启报警器设备。工作过程是实现的室内入侵报警并且照片回传装置，树莓派连接服务器，负责实现传感器和摄像头模块采集的信息，并转发给移动端进行查看，同时接收和处理移动端发送的信号，树莓派接到同意指令后加以解析，最后打开蜂鸣器报警。

2 硬件技术部分

为了实现树莓派的室内入侵报警并且照片回传装置，采取以下技术方案：

硬件系统主要包括树莓派开发板，红外传感器模块，蜂鸣器模块和迷你摄像头模块。

图1系统功能模块框图

树莓派开发板是一款基于ARM的微型电脑主板，以SD为内存硬盘。卡片主板周围有4个USB接口和一个网口，可连接鼠标键盘和网线，同时配有wifi模块和HDMI高清视频输出接口，具有PC机的基本功能。本设计选用的是RPI B+，安装的系统为Raspbian，RPI B+的管脚定义如图2所示。它提供了40个GPIO口，它们与传统单片机上的I/O口用法相似。通过这些接口的编程，树莓派就可以实现对外围硬件的控制。

图2树莓派GPIO引脚图

红外线传感器是一种能够感应目标辐射的红外线，利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。本设计采用的红外模块包括一对红外发射管和接收管，利用发射管和接收管形成的信号反射差来判断障碍物距离，并设有电位器来调节检测距离。红外模块有三个引脚，它与主板连接方法如表1所示。

表1树莓派与红外传感器连接

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，本设计采用有源蜂鸣器，它的内部带有振荡源，只要施加直流电压就会发声，也可以通过PWM?输出口驱动蜂鸣器改变声音频率。蜂鸣器模块有三个引脚，它与主板连接方法如表2所示。

表2树莓派与蜂鸣器连接

本设计采用不变焦的迷你摄像头，当树莓派与摄像头连接时，摄像头不能接入GPIO口，而是接入靠近网孔的排孔中。使用摄像头时要注意，不能带电插拔，要在系统中开启Camera权限。连接成功后，使用代码raspistill-o image.jgp测试摄像头，看到图片image代表摄像头功能正常。

3 软件部分实现

本设计软件程序用Python语言编写，Python语言具有灵活强大的功能，最初是由20世纪80年代末在全国数学与计算机科学研究所Guido van Rossum开发的ABC语言的继承语言。自推出以来，由于Python清晰的语法表达，致力于代码可读性，它已经相当普及。

Python是一种高级语言。这意味着Python代码是用可读性很强的英语编写的。用简单易学的方式向树莓派提供命令。这与低级语言（比如汇编），形成了鲜明的对比，汇编语言更接近计算机思维，但让一个没有经验的人用它来编程几乎不可能。高级与自然清晰的语法使Python成为一个有价值的工具。

wxpy库是在itchat基础上的一个开源的微信个人号接口，方便使用Python调用微信。它支持Python2.0以及Python3，它通过大量接口优化提升了模块的易用性，并进行丰富的功能扩展。

Picamera库是树莓派调用摄像头获得API数据必须使用的接口。该模块可以返回camera对象，调整图像或者视频的饱和度，亮度，快门速度，锐度，图像翻转，图像大小等各种参数。

Python代码实现过程：

首先导入需要的模块文件，在此我们需要5个库，分别是时钟模块，GPIO模块，摄像头接口库和微信接口库，代码如下：

然后是初始化部分，使用BCM的I/O命名，设置红外传感器端口，即24端口为输入模式，设置蜂鸣器端口，即25端口为输出模式，初始化摄像头，使用picamera模块中的PiCamera方法创建返回一个camera对象。使用wxpy模块中的Bot方法创建一个bot对象。代码如下：

最后从红外传感器获取信息后，树莓派做出相应的反应，即当红外传感器检测到有人侵入时，即可回传照片和时间信息给移动终端并且询问下一步如何处理。本设计可以选择向微信本人报警或者向指定好友报警，在wxpy库的方法里，给自己发送消息和图片用代码如下：

在wxpy库的方法里，先找到好友，再给指定好友发送消息和图片，代码如下：

在微信好友收到报警信息后，将和树莓派进行一次人机对话，即回复y或者n，来决定是否启动蜂鸣器报警。wxpy库中回复好友信息使用的方法如下：

另外，报警信息中包括当前的时间信息，在这里利用时间戳得到当前系统时间，再转换为指定格式的日期，用到的模块是time和datetime。代码如下：

4 系统运行结果

各硬件模块连接后（如图3），树莓派与传感器和摄像头连接，系统连接路由器，通过扫描二维码登录微信网页版。运行python程序后，当触发红外传感器时，树莓派向移动终端发送报警信息，包括当前时间和摄像头采集的照片，并且询问是否开启蜂鸣器，当终端回复y时，蜂鸣器发出声音。结果如图4和图5所示。

图3实物连接图

5 结束语

本系统切合当前安防行业现状，以多传感器融合方式获取家庭安全隐患，提供手机端和嵌入式智能终端进行数据通信，实现人机交互和远程监控，使用网络对用户和业主进行警报信息智能化推送，而且本系统采用树莓派技术成本低，无须开发新的APP，利用微信平台传递信息，简单易实现，适用于现有家庭智能安防业务，也可应用在其他智能家居系统场景中。

图4指定微信好友收到报警结果

图5本人收到报警结果