基于物联网技术的智能居家安防系统设计

李晓峰，张银慧，石大琨

（天津仁爱学院，天津 301636）

0 引 言

随着人们安全意识的不断增强，视频监控、智能门锁和智能门铃等安防设备开始走进普通家庭。传统的机械门锁和普通猫眼只能满足居家安防基本需求，存在门禁控制方式单一、监控视频仅可为事后分析调查提供证据、对突发紧急情况无法提供预警或报警提醒等弊端[1]。文章设计基于物联网技术的智能居家安防系统，旨在提升居家安防的智能化和人性化水平，在具备基本的安防监控功能的基础上，综合应用物联网、云平台、传感器、自动控制以及嵌入式系统等技术，满足用户身份识别、门禁控制、灾情预警及远程操控等实际需求。同时，系统实现本地设备、云平台和手机App 之间的互联互通。本地设备通过识别、分析传感器采集的有用信息，快速判断异常情况，并自动发出警报信息或者触发后续处理动作[2]；云平台实现数据的上传下载和云端存储，手机App 的命令下发等；手机App 可以实现远程实时操控。

1 基于物联网技术的智能居家安防系统技术架构和开发环境

1.1 系统的物联网技术架构

基于物联网、云平台和嵌入式系统设计等技术，以多功能门禁和居家环境监测为主体的智能居家安防系统所采用的物联网技术架构方案如图1 所示。

图1 智能居家安防系统采用的物联网技术架构

系统感知层主要包括DHT11 温湿度传感器、MQ-2 烟雾气敏传感器、红外火焰传感器、RCWL-5016毫米波雷达感应开关、光敏电阻模块以及RFIDRC522 射频模块等信号采集传感器。控制层采用搭载意法半导体的STM32F429IGT6 微控制器的嵌入式开发平台作为核心，还采用SG90 舵机用于驱动门锁开关和控制监控摄像头旋转的云台等。传输层包括基于消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）协议的ESP8266 通信模块和ESP32-CAM 网络摄像头用于数据上传和命令下发。数据层采用阿里云物联网平台，实现数据的云端存储和实时访问。同时，开发手机App 与整个系统无缝衔接，实现随时随地监控居家安防系统的状态和处理信息等[3]。

1.2 系统硬件开发环境

1.2.1 STM32F429IGT6 嵌入式系统开发

意法半导体的STM32F429IGT6 微控制器基于Arm Cortex-M4 32 位快速指令集计算机（Reduced Instruction Set Computing，RISC）内核，其工作频率可达180 MHz，内置多达1 MB Flash 和256 kB 随机存取存储器（Random Access Memory，RAM），并集成丰富的外设模块和充足的输入输出（Input/Output，I/O）端口，芯片封装引脚为薄型四方扁平封装（Low-profile Quad Flat Package，LQFP），共176 个引脚。该设备配备一个12 位的模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC），实现数据采集等功能。基于STM32F429IGT6 微控制器的核心板硬件资源配置如图2 所示。

图2 STM32F429IGT6 核心板硬件资源配置

设计中利用意法半导体的STM32 芯片的图形化配置工具STM32CubeMX 和集成开发环境Keil uVision5.26 进行嵌入式系统开发，STM32CubeMX 允许用户使用图形化向导生成C 语言初始化代码，大大减少开发工作，节省时间和费用，提高开发效率；在Keil 软件中安装STM32F429IGT6 芯片的支持软件包Keil.STM32F4xx_DFP.pack 后，使用Keil MDK5 进行程序设计和编译等。

基于STM32F429IGT6 的智能居家安防系统硬件资源功能架构如图3所示。其中，DHT11温湿度传感器、MQ-2 烟雾传感器、红外火焰传感器等各类传感器采集居家环境参数；光敏电阻和RCWL-5061 毫米波雷达检测活动人体；有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）显示屏、发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）灯和蜂鸣器提供系统状态信息和报警提醒；门锁舵机和云台舵机分别控制门禁开关和监控摄像头的旋转；4×4 矩阵键盘和RC522 射频识别读写模块用作人机交互；ESP8266 Wi-Fi 模块实现云平台和本地设备之间的网络通信。

图3 智能居家安防系统硬件资源功能架构

1.2.2 ESP8266 透传通信模块

ESP8266 作为一款超低功耗基于通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）接口的Wi-Fi 透传模块，基于串行通信发送和接收数据字符，广泛应用于智能家居、环境监测和智能控制等物联网领域，可将用户的物理设备连接于Wi-Fi 网络，进行互联网或局域网通信[4]。ESP8266利用MQTT 物联网通信协议和透传AT 固件，通过AT 指令开发控制硬件设备，并通过MQTT 协议订阅阿里云物联网平台实现设备终端和云端的双向通信传输[5]。ESP8266 透传通信模块功能架构如图4 所示。

图4 ESP8266 透传通信模块功能架构

1.2.3 ESP32-CAM 无线监控模块

ESP32-CAM 结合OV2640 或OV7670 摄像头广泛应用于无线监控和家庭智能设备图像传输等物联网应用领域。无线监控模块利用云台舵机能够控制摄像头的拍摄角度和旋转方向，使用ESP32-CAM 拍摄居家环境，并通过Wi-Fi 网络上传到云端，用户可以使用发布-订阅模式来实现消息的发布和订阅，订阅者可以及时收到上传到云端的图片或视频流数据地址[6]。设计中，ESP32-CAM 基于Arduino 开源平台开发，ESP32-CAM 无线监控模块的控制与数据上传功能架构如图5 所示。

图5 ESP32-CAM 无线监控模块功能架构

1.3 阿里云物联网平台与手机App 开发

阿里云物联网平台是阿里云专门为物联网领域服务的云平台，旨在帮助用户搭建安全且性能强大的数据通道，方便设备终端和云端的双向通信[7]。系统设计完成后只需在平台上注册产品与设备，通过MQTT 协议订阅，即可实现消息通知、数据上传、命令下发及数据存储分析等。

基于阿里云物联网应用开发工具IoT Studio 平台开发Android 手机App，实现手机终端与阿里云物联网平台之间的数据互联互通，并将数据显示于App界面，便于用户获取系统相关实时数据。同时，可以通过App界面的按钮实现控制命令的下发和消息上传，如对云台舵机和门禁开关的控制等。云端应用设计架构如图6 所示。

图6 阿里云云端应用功能架构

2 系统功能的具体实现与工作流程

2.1 多样化门禁开锁方式

门禁系统为用户提供键盘密码输入、近场通信（Near Field Communication，NFC）刷卡和手机App远程操控3 种不同的开锁方式。3 种开锁方式可以独立使用也可以相互结合，既方便又安全高效。对于临时访客或不方便开门的情况下，用户也可以通过手机App 实现门禁的远程开启和关闭操作，且能够为访客提供临时访问密码和权限。多样化的门禁开锁方式既便于针对不同的用户类型设置不同的门禁开启模式和权限，又可以解决安全隐患问题，如忘带钥匙、钥匙丢失等[8]。智能门禁系统开锁方式流程图如图7 所示。

图7 门禁系统开锁方式流程图

3 种开锁方式的具体开锁流程如下。

一是4×4 矩阵键盘输入密码解锁：用户通过按下键盘上的0 ～9 数字键输入6 位解锁密码并按“#”键确认，如果密码输入正确则触发开门程序并驱动门锁舵机转动180°，此时蜂鸣器将响起“开门密码正确”的音效，OLED 显示屏显示“Open Door”字样；如果连续3 次密码输入错误，门禁将锁定，蜂鸣器发出报警声音，同时系统将通过微信小程序向用户手机发出报警提醒，此时需要在手机App 界面点击“解锁”按钮才能解除锁定。

二是NFC 门禁刷卡解锁：RC522 射频识别模块内置在矩阵键盘后面，当把正确的门禁卡或带有NFC功能并已录入门禁卡信息的智能手机放在识别区，若验证成功，就可以听到“滴-滴”的提示音效，此时舵机转动门禁打开。

三是手机App 远程开门：用户在手机App 界面直接点击“开门”键即可实现远程一键解锁开门；当遇到突发危险情况时，也可以点击“锁定”按键一键锁定门禁系统。

2.2 门禁系统人体检测

门禁系统人体检测主要由RCWL-5016 毫米波雷达感应开关和光敏电阻模块组成，工作流程如图8 所示。当有人体或活动物体经过门禁时会自动触发毫米波雷达感应开关，直至系统不再检测到人体，同时本地记录数据“经过人次”加1，并在下次数据上传云端时自动更新记录数据。若此时光敏电阻模块检测到环境光线强度不足，内置LED 照明灯将自动开启，提供辅助照明，便于监控摄像头拍摄清晰的画面；OLED显示屏也点亮，进入准备工作状态。当有人在检测范围内停留超过15 s 时，门禁系统将自动触发警报，提醒用户存在非正常用户的异常逗留情况。若发生误警报，用户可通过输入门禁密码、刷卡或在手机App 上按下“开门”键来解除警报，且20 s 内不会再次触发警报。

图8 门前人体检测流程

2.3 系统安全监测与灾情预警

RCWL-5016 毫米波雷达感应开关在门禁前5 m左右范围内，当检测到存在超过15 s 设定时间的非正常逗留人员或非法开锁、暴力撬门等异常情况时，蜂鸣器发出警报的同时频闪LED 灯，以便警告非正常人员，同时系统通过微信小程序立刻向用户报警。

当发生火灾等突发状况时，MQ-2 烟雾传感器、DHT11 温湿度传感器和红外火焰传感器会监测到环境空气质量突然异常或温度突然升高，若数据超过提前设定的阈值，系统将利用微信小程序向用户手机发出预警提醒，同时触发蜂鸣器报警并自动开启LED灯为用户安全撤离提供方向指引和照明。

2.4 云平台远程控制与数据查看

系统搭载的各类信号采集传感器通过ESP8266通信模块连接到阿里云物联网平台，手机App 连接阿里云服务器，最终实现居家环境和工作状态数据的上传、手机App 端的命令下发和系统设备的远程无线控制。这样即使用户在异地也可通过手机或云端控制台轻松管理门禁设备的开关和查看其他居家信息等。ESP32-CAM 无线监控模块和网络摄像头实时监控门禁工作状态和居家环境信息，监控视频流上传到阿里云服务器便于用户实时掌握居家安全状态。特殊情况下，用户能够通过手机App远程控制云台舵机来操纵、旋转摄像头实现监控图像的全方位捕获和跟随。

为优化网络资源，本地存储数据将定时通过ESP8266 模块上传至云端，定时更新的优点在于非紧急信息可以不用频繁上传，以免占用数据资源和通信链路。设计中，上传云端存储的数据包括开门次数、经过人次、报警次数、温度以及湿度5 类信息。

2.5 信息显示与节能环保设计

OLED 显示屏不仅可以显示实时时间和环境监测信息，还可以用来提示门禁开关如何解锁、门禁密码输入是否验证成功、正确开门后自动关门的倒计时提示等。同时，OLED显示屏和LED灯具有自动休眠功能，只有检测到门前有人停留或环境光照不足时，才会判断是否点亮，既节能省电，又降低了OLED 屏幕连续长时间工作导致烧屏的概率。

3 智能居家安防系统实现效果

3.1 系统样机整体效果

基于物联网和云平台技术的智能居家安防系统整体设计效果如图9 所示。外观设计在数字建模后采用3D 打印技术制作完成，实物样机外观整洁，模块布局合理，操作方便，功能完备，各项设计功能均调试并验证通过。

图9 系统样机整体效果

3.2 手机App 远程操控

基于阿里云物联网应用开发工具IoT Studio 平台开发的Android 手机App，其用户界面设计清晰直观、操作简单。手机App 人机交互界面如图10 所示，能够监测和远程控制操作居家安防系统，如门禁的开关、云台的控制和监测数据的查看等。

图10 手机App 人机交互界面

手机App 人机交互界面中，“锁定”按钮可以禁止任何方式的验证触发开门，以达到日常居家反锁的功能。该“锁定”功能可以通过“解锁”按钮解除，解除锁定后即可恢复各种形式的开门触发；通过界面上的“上”、“下”、“左”以及“右”4 个按钮远程操控云台舵机，达到转动监控摄像头改变拍摄角度，实现360°无死角监控；点击“观看视频”按钮可以查看摄像头的实时监控画面，当发现有异常情况时，可以利用“警报响声”按钮立即开启警报。

4 结 论

文章从提高居家生活的安全性、便利性、智能化以及网络化出发，设计基于物联网、云平台和嵌入式技术开发的智能居家安防系统。该系统强化云平台、手机App 与本地设备的互联互通，在门禁控制和视频监控基本功能的基础上，创新实现陌生人异常逗留和火灾等紧急情况下的系统报警提醒与紧急辅助照明，利用手机App 远程操控摄像头实现无遮挡情况下监控图像的捕获和跟随，紧急状态下的手机一键“锁定”门禁和开启“警报响声”等，能够有效进行事前预警、事中处理、事后及时取证。另外，系统设计中融入节能环保的理念，进一步提升居家生活的安全性，扩大应用场景范围。