智慧防盗门系统研究与设计

2022-09-07曹阿成谢桂芳江金丽

现代计算机 2022年13期

曹阿成，谢桂芳，江金丽

（湘南学院计算机与人工智能学院，郴州 423000）

0 引言

随着科技水平提高，“智能家居”、“全智能”等概念深入人心，人们对生活质量要求日益提高，而与生活息息相关的防盗门还无法满足人们对安全、智能、便捷等方面的需求。目前市面上大多数防盗门仍然存在功能单一、防盗水平低、智能化程度低等问题。据公安部门统计，在很多大城市，高达50%的入室盗窃案是由不法分子采用技术性开启房门，从而进行犯罪活动，而超过20%是采用暴力破坏，这些不法分子作案有一个共同特点：都是针对锁，实施破坏。锁被打开了，门也就自然开了。

因此，研发出一款安全、智慧的防盗门系统已成为时代所需。

1 智慧防盗门系统研究

作为家居智能化的“第一道门”，除了门本身材质以外，还需要加强其“科技质量”。本文主要就智能家居防盗门系统展开深度研究。

1.1 已有的相关研究

国内对智能门锁硬件及软件方面的研究已经成熟。陈明忠等基于STM32 和云平台的智能门锁控制系统做出了设计。于浩等基于GPRS 的智能门锁系统设计做出了研究，他们认为由于GPRS技术性能稳定，覆盖范围广泛，并且不需要重新组建网络，利用原有网络就能使用，操作简单。刘文林等基于GPRS 短信通讯的低功耗智能门锁系统设计结合各个模块高效便捷管理门锁系统的同时大大降低系统运行功耗。

国外对防盗门系统的研究主要分为两大块。一是对防盗门系统设计方面的研究，如意大利学者Sinico就视觉设计因素对防盗门感知安全性的影响展开了探讨，并通过实验验证了不同防盗门模型对感知安全的影响。二是对防盗门系统实现技术方面的研究，如Poddar 等采用基于图像处理的人脸识别的家门安防系统，系统中的人脸检测采用Haar-Cascade 方法，并使用了精度测试、距离测试、面部表情测试、光照条件四种方法进行了测试。

国内外学者的相关研究，满足了人们对防盗门的基本要求以及舒适的智能家居等要求，但仍存在功能单一、防盗性差、智能化程度低等问题，因此，开展智慧防盗门系统研究与设计势在必行。

1.2 本文研究内容

针对已有的相关研究所存在的不足，本文将从以下三个方面展开研究。

1.2.1 系统的实时监控功能

随着房屋建筑由以往的小户型房转变成当今的楼层房，诸如围墙、铁栅栏、看门狗等传统维护安全的方式已经无法实现维护现今家庭的安全，这时候监控设备便发挥了作用。目前的监控系统大多由前端设备（即摄像机、传感器和相关辅助设备）、传输设备、中心设备（监控中心）等设备组成。实现一个完整可靠的监控系统，必须具备以下性质：①实时性，系统时刻监控设备的运行状态和参数，及时发现故障并发送相关信息；②实用性，从用户的角度出发，系统在满足其监控功能的情况下，还需简化操作、降低成本、提高耐用性；③安全性，系统具有安全防范和保密措施，对于系统信息严格加密，不外泄，对于非法入侵及时阻止。

1.2.2 系统的危险警报功能

一个完善的防盗门系统，危险警报功能必不可少。危险警报功能类似看门狗，不过除了在家居遭到入侵时能够通过恐吓等方式赶走入侵者，还能向用户发送危险警报，用户收到警报，能够及时排除危险。警报功能从两个方面实现，一是对危险的感应，二是对发现的危险做出反应，比如报警、发送信息。在这两个方面实现的前提下，还需要保证感应的准确性以及反应的及时性。目前主流的方法是使用感应器感应相关危险。对感应到的危险做出反应则可以通过即时通讯向用户发送信号，具有速度快，信息可达率高等优点。

1.2.3 系统的用户管理、个性化设置

除了门自身具备的防盗功能外，还需保证用户账号的安全性，在使用账号开门前，需判断该账号是否为有效账号，是否具备开门权力，对账号进行严格监控加密，避免伪账号破解等。满足这些条件后再考虑其个性化设置。首先是开门方式，防盗门系统开门方式多样，有指纹开门，人脸开门，密码开门等，授权用户可根据个人爱好自由开启或关闭。同时，根据用户与家居的距离还可将开门方式分为远程开门和当面开门两种方法。其次，用户账号可以是授权微信或者APP 账户，在手机端APP 或者微信小程序上操控，目前微信小程序居多。且不同账号有不同的角色，不同角色拥有不同的权限，权限最高者可授予或删除其他所有角色的权限。普通用户在授权后可设置个性化语音播报等。

2 智慧防盗门系统设计

本文对智慧防盗门系统作如下划分设计：对于监控功能，系统划分出监控系统，保证实时监控的稳定、节能；对于危险警报功能，系统划分出安全系统，通过安全系统实现危险及时通报并做出响应措施；而用户管理和自定义设置，系统划分出用户系统，通过用户系统，用户可在后台实现家庭账号管理，对新账号授权，旧帐号权限更改等功能，并实行用户个性化，用户可自由添加进出门语音播报等功能。系统功能模块如图1所示。

图1 系统功能模块

2.1 监控系统

视频监控作为整个防盗门系统的核心功能，对周围环境监测的速度、准确度以及对异常情况做出反应的速度要求非常高。当有人出现在指定范围内后，人体红外传感器立即感应到并发送信号到树莓派端，树莓派端打开摄像头拍下镜头中的路人，同时，将正在待机状态的监控系统打开进行持续监控，直至路人离开监控范围。另一方面，当用户端发起监控请求时，树莓派端也会开启监控系统。其它任何时间监控系统都处于待机状态。通过控制监控系统工作时间不仅仅节省了电量的使用，还更加智慧化地获取周围情况，节省了系统存储监测视频存放的空间。其功能模块图如图2所示。

图2 监控系统模块

2.2 安全系统

针对实体钥匙作为防盗开锁工具存在的安全问题，系统设计出在手机用户端通过已存入数据库中的指纹、人脸、密码进行解锁。若出现紧急情况，比如手机丢失，可立即通过别的绑定了该系统的手机对丢失手机上的账号进行注销。又或者是不会使用手机的老人，可由子女通过远程控制进行解锁。

当防盗门受到异常解锁时，安全系统会立即生成报警信号，并将信号发送至手机用户端，主人根据现场情况及时做出相应措施。当门身受到剧烈打击时，系统第一时间发出报警信号并通知主人。

作为防盗门第一大重要功能，安全系统很大程度地提高了家居生活的安全性，让用户放心无忧。其功能模块图如图3所示。

图3 安全系统模块

2.3 用户系统

随着智能手机的普及，生活中许许多多事情都需要通过手机来完成。同样，智慧防盗门系统也需要通过手机来实现。

用户安装好智慧防盗门系统后需要通过手机注册账号并绑定该系统，一个系统可绑定多个账号。完成注册绑定后用户便可在账号进行相应设置以及录入信息等操作。

另外，用户可通过账号接收系统发送过来的信号，比如未锁门提醒信号、报警信号等。用户也可以通过监测系统发送过来的监控视频实时地观察防盗门周围情况。除了接收信号以外，用户还可以传送信号，对于家里老人出现在门外时，检测系统识别出老人面容并发送消息给用户账号，用户可向系统发送远程解锁信号，而对于停留在门外很久的陌生人，用户可连接系统进行通话，询问或警告停留陌生人。

针对于智慧，用户可使用账号对系统进行自定义设置，可以设置出入门语音提示，或者是连接家里其它家居，比如设置开门后就打开电视，出门就将家里的灯或者其它电器关闭。而对于不同账号，因为解锁时使用的“钥匙”不同，系统将根据“钥匙”执行相应的个性化指令。

安全系统给用户带来安全无忧的生活体验，用户系统则给用户带来舒适智慧的生活。

3 智慧防盗门系统实现

3.1 关键技术

（1）前端：微信小程序；

（2）后端：springboot；

（3）内网穿透：natapp；

（4）硬件设备：树莓派。

3.2 mqtt通信实现消息推送

防盗门上装有与树莓派相连接的各类传感器，其连接方式如图4所示。当收到传感器接收的信号时，树莓派mqtt 客户端向mqtt 服务器发布消息到相应主题，手机mqtt 客户端订阅该主题后便能接收到消息，用户可根据收到的消息做出回应。一般情况下，手机mqtt 客户端与树莓派mqtt 客户端不在同一局域网下，所以要想实现手机mqtt 客户端与mqtt 服务器间的连接（mqtt 服务器与树莓派mqtt 客户端处于同一局域网），可以使用natapp 内网穿透技术实现内网穿透，如图5所示。

图4 树莓派连接传感器示意图

图5 natapp内网穿透

本系统采用EMQ X 作为mqtt 服务器，其MQTT Over WebSocket 能够完全兼容使用在微信小程序上。为了使用户第一时间看到消息，微信小程序接入了消息推送服务，既将微信小程序收到的主题消息推送至用户微信账号或者以手机短信的方式发送信息到用户手机号。在准备好mqtt 服务器、树莓派mqtt 客户端、手机mqtt 客户端，并能够保证其相互通信的情况下，便可开始实现远程开门、异常报警功能。

3.2.1 远程开门实现

树莓派通过GPIO 引脚连接触摸传感器，触摸传感器收到高电平信号，可向mqtt 服务器touch 主题发送“访客通知”消息，用户接收到消息后，可使用微信小程序实时监控功能查看情况，核实访客身份，进行远程开门。通过微信中指纹解锁、人脸解锁、密码解锁其中之一，手机mqtt 客户端向mqtt 服务器opendoor 主题发送“开门”消息，树莓派mqtt 订阅主题并接收到消息后控制舵机实现开门。

3.2.2 异常报警实现

同样，树莓派通过GPIO 引脚连接传感器，其中包括振动传感器、MQ-2 烟雾气体传感器、热释电人体红外传感器。当门身受到剧烈破坏时，振动传感器发出高电平信号，蜂鸣器报警，树莓派mqtt 客户端向invade 主题发送“入侵警告”消息，手机mqtt 客户端订阅主题并接收到消息后向用户微信推送报警信息。对于震动传感器感应到门身受到破坏的程度，可通过设置能量阈值的方式，如果采集信号的能量过小，比如只是有人简单地敲了下门，对于这类能量过小的阈值信号直接抛弃掉。一旦能量超过阈值所设定的范围，便立刻报警。MQ-2烟雾气体传感器则用于预防火焰危险，当周围烟雾浓度过高时，可发出报警信号，提醒用户做出相应预防措施。热释电人体红外传感器则可以通过输出电平的方式感应到附近是否有人长时间逗留，当有人经过时，感应器收到感应后系统拍下路人样貌，如果有人长时间逗留，则系统发送报警信号到用户手机。

3.3 实时监控实现

系统实时监控功能使用手机微信小程序作为图像输出端，用户可使用已授权微信登录家居微信小程序观看家门周围情况。图像数据通过树莓派安置摄像头拍摄。为了满足小程序实现实时接收树莓派摄像头拍摄的画面，图像传输的技术要采用流媒体形式传输，系统采用了Mjpeg 作为视频流技术。

小程序要实现接收视频画面，首先底层通过摄像头采集图片，通过驱动将数据流存储到jpeg图库，最终通过一个HTML网页来不断刷新接收MJPG-Streamer 程序发送的图片来组成视频效果。

小程序因为只能接收https 方式的请求，而本地访问的方式只能是http 请求接收视频图片，所以需要开启内网穿透功能，让外界能通过https 方式接收MJPG-Streamer 程序发送图片，本系统用到的内外穿透工具为Natapp。首先在网上申请一条natapp 隧道，然后绑定自己的https 域名，并在树莓派新建一个配置文件输入隧道的authtoken 保存后开启natapp 程序。