基于Android手機(jī)的家居安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱 玲,李艷東2,徐鳳霞,么洪飛

(1.齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006;2.齊齊哈爾大學(xué) 計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

0 引言

智能化時(shí)代為人們的家居生活帶來了各種便捷設(shè)施，如智能電器、智能門窗、煤氣設(shè)備等，便利的同時(shí)難免存在安全隱患。隨著人們物質(zhì)生活水平及安全防患意識(shí)的提高，家居安防再度引起重視，但快節(jié)奏的生活使得人們?cè)诩业臅r(shí)間越來越少，無法切身地顧及家居的安全問題，這使得家居安防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究成為一項(xiàng)熱點(diǎn)。

早期的家居安防系統(tǒng)需采用專門鋪設(shè)的線路進(jìn)行信息傳輸，對(duì)危險(xiǎn)情況的警示大都是聲光報(bào)警、電話撥號(hào)報(bào)警，存在著傳輸距離短、無法監(jiān)控危險(xiǎn)現(xiàn)場、使用不便捷等問題[1]。隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，結(jié)合日益普及的智能手機(jī)、個(gè)人電腦、云服務(wù)器等構(gòu)建靈活可靠的家庭安防監(jiān)控系統(tǒng)成為該領(lǐng)域的主要研究方向。目前家居安防系統(tǒng)的研究多以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合以太網(wǎng)/GPRS等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，具有無需布線、網(wǎng)絡(luò)丟包率低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，有效地避免了傳輸效率低、受距離限制等問題[2-5]；國外學(xué)者從節(jié)能角度設(shè)計(jì)了家庭自動(dòng)化系統(tǒng)，基于Android應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)家庭未斷電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制[6-8]。上述文獻(xiàn)有效地解決了早期家居安防系統(tǒng)存在的問題，但沒有客戶端視頻監(jiān)控功能，本文基于智能手機(jī)設(shè)計(jì)了具有視頻監(jiān)控功能的家居安防系統(tǒng)，能讓用戶在任意時(shí)間和具備網(wǎng)絡(luò)的地點(diǎn)實(shí)時(shí)觀察家里情況，是目前家居安防系統(tǒng)的重要功能，具有研究和實(shí)現(xiàn)價(jià)值。

1 安防系統(tǒng)功能與組成

家居安防系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)如下基本功能：

1)環(huán)境溫濕度值的監(jiān)測；

2)火災(zāi)報(bào)警；

3)外出模式下的防盜功能；

4)異常情況下的視頻采集與傳輸報(bào)警；

5)異常情況下的語音警示；

6)手機(jī)客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

針對(duì)上述功能要求，設(shè)計(jì)安防系統(tǒng)的基本組成如圖1所示。基于Android智能手機(jī)的家居安防系統(tǒng)首先需要進(jìn)行客戶端和服務(wù)端設(shè)計(jì)，即實(shí)現(xiàn)一個(gè)C/S架構(gòu)的系統(tǒng)模式。此安防系統(tǒng)用于家庭使用，所需服務(wù)器并發(fā)量很小，因此選用個(gè)人電腦作為服務(wù)器而無需租用。服務(wù)器主要處理傳感器數(shù)據(jù)、采集攝像頭圖像數(shù)據(jù)和響應(yīng)Android客戶端請(qǐng)求等任務(wù)；Android客戶端則是在用戶啟動(dòng)后請(qǐng)求并顯示服務(wù)器端的內(nèi)容，并可以進(jìn)行錄音廣播；硬件部分通過微處理器對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理，并通過NRF無線網(wǎng)絡(luò)傳送給接收端，接收端通過串口通信將數(shù)據(jù)傳給服務(wù)器。

圖1 安防系統(tǒng)組成

2 安防系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)安防系統(tǒng)的功能要求，將硬件設(shè)計(jì)分為以下9個(gè)模塊：

1)溫濕度采集模塊：選用廣州奧松電子有限公司的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采集當(dāng)前溫濕度數(shù)據(jù)，傳感器的濕度分辨率為1%RH、精度為4～5%RH，而溫度的分辨率為1℃、精度為1～2℃，量程為0～50℃。溫濕度傳感器集成于一個(gè)單獨(dú)采集節(jié)點(diǎn)中，數(shù)據(jù)通過微處理器解析后經(jīng)NRF無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脚c主機(jī)連接的總接收端的微處理器，再經(jīng)由串口通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器主機(jī)，當(dāng)Android客戶端請(qǐng)求時(shí)，將此數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端。

2)人體感應(yīng)器模塊：人體感應(yīng)器選用HC-SR501模塊，該傳感器能夠接收10微米左右的紅外線，靈敏度高、可靠性強(qiáng)，當(dāng)傳感器接收到人體發(fā)出的紅外線時(shí)會(huì)使得熱釋電元件釋放電能，從而檢測是否有人靠近。

3)火焰?zhèn)鞲衅髂K：該模塊可以用于檢測760～1 100 nm范圍內(nèi)的光源或者火焰，其使用LM393低壓雙路比較器用于比較信號(hào)電壓與基準(zhǔn)電壓以確定輸出電平信號(hào)，并且通過配置電位器調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓值，從而調(diào)節(jié)感應(yīng)靈敏度。當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鹘邮盏叫盘?hào)源時(shí)，光電元件觸發(fā)光電效應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)電壓值，該值經(jīng)電壓比較器基準(zhǔn)電壓值進(jìn)行比較，大則輸出高電平，反之輸出低電平。工作電壓為3.3～5 V。

4)無線通信模塊：無線通信起到串聯(lián)模塊節(jié)點(diǎn)與終端的作用，使得監(jiān)測節(jié)點(diǎn)可以脫離有線的束縛，自由、靈活。基于實(shí)際使用場景、傳輸距離和性價(jià)比考慮，選用NRF24L01無線傳輸模塊，該模塊對(duì)外開放了5個(gè)可編程GPIO，可以很方便地與各種處理器進(jìn)行組合構(gòu)建通信系統(tǒng)，并且它擁有多達(dá)125個(gè)可選通信頻道，對(duì)于家庭室內(nèi)應(yīng)用場景而言，可以滿足多個(gè)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)需求。實(shí)際應(yīng)用中，通常將NRF24L01模塊的GPIO接至處理器的GPIO上模擬SPI通信，而在編寫SPI通信程序時(shí)需要嚴(yán)格遵守對(duì)應(yīng)的通信時(shí)序(具體可查閱芯片的DataSheet手冊(cè))。

5)微處理器為核心的硬件電路：微處理器的工作是接收來自傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換工作，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后將數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送給接收節(jié)點(diǎn)。處理器任務(wù)少且內(nèi)存空間消耗不大，故選擇STC公司的STC89C52作為各節(jié)點(diǎn)的核心處理器將上述四個(gè)模塊連接成硬件電路圖，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖

6)視頻采集和處理模塊：視頻采集設(shè)備使用的是USB攝像頭，并采用攝像頭采集技術(shù)框架webcam-capture采集圖像。webcam-capture是Bartosz Firyn和開源貢獻(xiàn)者們開發(fā)的一個(gè)專門用來采集攝像頭數(shù)據(jù)的Java跨平臺(tái)開源庫，支持多種驅(qū)動(dòng)拓展，可以采集PC端內(nèi)置攝像頭和USB攝像頭，以及IP網(wǎng)絡(luò)攝像頭的圖像數(shù)據(jù)[9]。攝像頭的數(shù)據(jù)采集需要一定的觸發(fā)條件才會(huì)正常進(jìn)行，例如在閑置的一定時(shí)間后如果沒有客戶端請(qǐng)求，那么攝像頭會(huì)處于錄像監(jiān)控模式，而有請(qǐng)求觸發(fā)后則進(jìn)入等待響應(yīng)用戶處理模式。

7)異常警報(bào)模塊：人體感應(yīng)傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞫咂渲兄槐挥|發(fā)時(shí)會(huì)通過NRF無線網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳輸?shù)奖镜胤?wù)器主機(jī)，主機(jī)判斷信號(hào)后隨即抓拍圖像或者短視頻并以郵件附件形式發(fā)送給用戶。

8)視頻顯示模塊：視頻顯示在Android客戶端中進(jìn)行，客戶端通過身份驗(yàn)證登陸，登陸成功后方可根據(jù)參數(shù)請(qǐng)求視頻數(shù)據(jù)，請(qǐng)求成功后即可在客戶端中播放遠(yuǎn)程視頻。

9)語音廣播模塊：語音廣播功能即用戶在Android客戶端可以錄制一段語音數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器主機(jī)，并可在主機(jī)播放。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 服務(wù)器軟件模塊

服務(wù)器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與加工處理，以及響應(yīng)客戶端數(shù)據(jù)請(qǐng)求，包含賬戶驗(yàn)證、串口數(shù)據(jù)采集和處理、攝像頭數(shù)據(jù)采集和處理、MJPEG視頻數(shù)據(jù)流合成處理、異常時(shí)發(fā)送郵件以及播放客戶端上傳的語音文件等功能。根據(jù)性能要求，服務(wù)器端軟件選用開源的Apache Tomcat。

3.1.1 Java服務(wù)器開發(fā)環(huán)境搭建

服務(wù)器端使用的開發(fā)語言是Java，而Java依賴JVM(Java虛擬機(jī))來編譯和運(yùn)行程序代碼，因此需要先配置Java開發(fā)平臺(tái)。從Oracle官方網(wǎng)站下載合適版本的JDK和Java EE工具包，安裝后在系統(tǒng)變量表中的PATH變量末尾直接添加JDK安裝路徑下bin文件夾的路徑，例如C:Program FilesJavajdk1.8.0_152in，操作完成后打開CMD控制臺(tái)輸入java-version，如果輸出類似于圖3，則說明JDK配置完成。同樣的方法配置Apache Tomcat 服務(wù)器并安裝Eclipse編輯器。

圖3 JDK環(huán)境配置成功時(shí)測試輸出圖

3.1.2 驗(yàn)證并響應(yīng)客戶端請(qǐng)求

以用戶名和密碼作為驗(yàn)證依據(jù)，只有用戶名和密碼正確時(shí)才能進(jìn)行客戶端數(shù)據(jù)請(qǐng)求，由于每個(gè)請(qǐng)求都會(huì)伴隨表單數(shù)據(jù)，因此出于數(shù)據(jù)安全考慮服務(wù)器將不接受GET請(qǐng)求而只接受POST形式的請(qǐng)求。

3.1.3 串口數(shù)據(jù)的采集

串口數(shù)據(jù)的采集工作需要在一個(gè)獨(dú)立的線程中執(zhí)行，而不是運(yùn)行在Servlet中，這是由于Servlet運(yùn)行在特定的線程池中，并且每當(dāng)客戶端發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求，服務(wù)端都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)Servlet來響應(yīng)這個(gè)請(qǐng)求，如果把串口數(shù)據(jù)放在Servlet中，會(huì)有多個(gè)線程進(jìn)行串口通信，這會(huì)導(dǎo)致只有一個(gè)線程成功通信，而其他線程則會(huì)因串口被占用而導(dǎo)致錯(cuò)誤。基于上述緣故，串口數(shù)據(jù)采集線程需要在Tomcat服務(wù)器啟動(dòng)后部署工作開始前開啟，這樣就可以保證串口數(shù)據(jù)采集線程的生命周期跟隨服務(wù)器而非Servlet。

3.1.4 實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控

實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)之一，該系統(tǒng)使用Motion JPEG，即MJPEG作為視頻傳輸格式，視頻中的每一幀都是使用JPEG格式編碼的圖片，對(duì)硬件編碼和運(yùn)算能力要求較低。在服務(wù)端得知客戶端請(qǐng)求實(shí)時(shí)視頻后，服務(wù)器會(huì)通過攝像頭進(jìn)行連續(xù)拍照，采用webcam-capture技術(shù)進(jìn)行圖像采集工作。為保證視頻流暢，1秒內(nèi)至少連續(xù)采集圖像30次，并將圖像連續(xù)發(fā)送回客戶端，直到客戶端中斷連接。程序過程如圖4所示。

圖4 實(shí)時(shí)視頻請(qǐng)求與響應(yīng)過程

3.1.5 異常時(shí)發(fā)送警報(bào)郵件

異常時(shí)發(fā)送附帶抓拍圖像的警報(bào)郵件是安防系統(tǒng)的重要功能，在串口數(shù)據(jù)采集正常進(jìn)行的條件下，異常在以下兩種情況發(fā)生時(shí)成立：1) 設(shè)置為外出模式的情況下，人體感應(yīng)器檢測到有人進(jìn)入室內(nèi)；2)火焰感應(yīng)器檢測到火災(zāi)發(fā)生。當(dāng)服務(wù)器根據(jù)串口數(shù)據(jù)檢測到異常發(fā)生時(shí)，將會(huì)通過攝像頭抓拍室內(nèi)圖像或者短視頻，并以郵件附件的形式發(fā)送給用戶，程序流程如圖5所示，如果異常持續(xù)，此過程會(huì)連續(xù)進(jìn)行多次。

圖5 異常時(shí)發(fā)送郵件過程

3.2 Android客戶端軟件模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Android是目前市場占有率最大的手機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)，支持不同設(shè)備類型的開源軟件堆棧。Android的主要目的是為運(yùn)營商、OEM和開發(fā)者創(chuàng)建一個(gè)開放的軟件平臺(tái)，使他們能夠?qū)⒆约旱南敕ㄞD(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)，引入真實(shí)的產(chǎn)品，從而有效地提高用戶的移動(dòng)體驗(yàn)。Android系統(tǒng)架構(gòu)自底向上分別是Linux內(nèi)核層、硬件抽象層(HAL)、Android系統(tǒng)服務(wù)層、Binder IPC代理層和應(yīng)用層。

本系統(tǒng)Android客戶端主要負(fù)責(zé)根據(jù)用戶操作請(qǐng)求服務(wù)器數(shù)據(jù)，并將響應(yīng)數(shù)據(jù)展示至用戶界面，包含賬戶驗(yàn)證、服務(wù)器溫濕度數(shù)據(jù)顯示、MJPEG視頻流數(shù)據(jù)播放、語音錄制與上傳、模式切換以及賬戶管理等功能，部分功能的實(shí)現(xiàn)詳細(xì)介紹如下。

3.2.1 Android開發(fā)環(huán)境搭建

Android客戶端App開發(fā)環(huán)境使用的是Google官方IDE Android studio。從Google開發(fā)者中文網(wǎng)站中下載Android studio最新版并安裝[10]，安裝完成后打開Android studio，同時(shí)新建工程。

3.2.2 UI界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

UI界面是與用戶溝通的橋梁，良好的界面設(shè)計(jì)和操作邏輯能提升用戶體驗(yàn)。Android客戶端需要向用戶展示溫濕度、視頻監(jiān)控，提供安全模式切換、賬戶管理等功能，因此可設(shè)計(jì)主要功能UI如圖6所示。

圖6 主要功能的UI界面

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求框架設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求框架用于連接服務(wù)器并請(qǐng)求相關(guān)數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用Square公司的OkHttp，OkHttp的請(qǐng)求過程如下：

1)當(dāng)使用URL(統(tǒng)一資源定位符)進(jìn)行請(qǐng)求時(shí)，OkHttp會(huì)使用這個(gè)URL配置OkHttpClient來創(chuàng)建一個(gè)Address(地址)，用于指定目標(biāo)服務(wù)器；

2)然后在數(shù)據(jù)庫ConnectionPool(連接池)中查看是否具有已經(jīng)連接到目標(biāo)服務(wù)器的連接，如果存在，則復(fù)用這個(gè)連接，如果不存在，則通過另一條Route(路徑)進(jìn)行嘗試，這意味著會(huì)進(jìn)行DNS請(qǐng)求以獲取目標(biāo)服務(wù)器的IP地址；

3)接著進(jìn)行Socket連接或者HTTPS連接，如果連接失敗，OkHttpClient會(huì)選擇另一條Route進(jìn)行嘗試。連接成功后，OkHttpClient向服務(wù)器發(fā)出HTTP請(qǐng)求，并讀取響應(yīng)數(shù)據(jù)，同時(shí)這個(gè)Connection(連接)將會(huì)放到ConnctionPool中以備后續(xù)復(fù)用，如果這個(gè)Connection在一定時(shí)間內(nèi)沒有再次被使用，則被銷毀。

3.2.4 監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)播放

MJPEG視頻流是由一幀一幀的圖片組成的，由于不需要頻繁變化播放界面，因此可以采用Android系統(tǒng)中充當(dāng)著瀏覽器角色的WebView來請(qǐng)求和播放MJPEG視頻流，操作簡單、性能穩(wěn)定。

3.2.5 語音錄制與遠(yuǎn)程播報(bào)

當(dāng)通過異常郵件得知有陌生人闖入室內(nèi)時(shí)，通過語音廣播震懾陌生人而讓對(duì)方得知自身已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，這是對(duì)異常情況的一種回應(yīng)方式。本系統(tǒng)Android客戶端語音錄制使用的是MediaRecoder(Android系統(tǒng)開放的用于錄制語音和視頻的API)，根據(jù)MediaRecorde狀態(tài)圖完成初始化過程[11]。在編寫應(yīng)用程序時(shí)需要嚴(yán)格遵守其狀態(tài)時(shí)序，否則無法正確進(jìn)行錄音工作。完成音頻錄制后，會(huì)將音頻文件上傳至服務(wù)器，服務(wù)器成功接收到音頻文件后立即播放。

4 安防系統(tǒng)測試

以家庭個(gè)人電腦作為中央服務(wù)器，以Android智能手機(jī)作為客戶端設(shè)備，對(duì)硬件端的傳感器信息采集與NRF無線通信、服務(wù)器端與硬件端的串口通信、服務(wù)器與Android端的數(shù)據(jù)交互、Android客戶端對(duì)數(shù)據(jù)的解析等功能進(jìn)行了測試。在測試過程中使用局域網(wǎng)，如需進(jìn)行外網(wǎng)訪問，則可租用外網(wǎng)域名并在服務(wù)器端配置即可。

4.1 硬件端測試方法

PC端通過STC-ISP程序燒錄軟件中的串口助手進(jìn)行測試，正常工作下，接收緩沖區(qū)會(huì)不斷接收到硬件端通過串口通信傳來的數(shù)據(jù)，檢查數(shù)據(jù)格式，若與硬件接收端傳出的數(shù)據(jù)格式一致且在傳感器狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)接收到的數(shù)據(jù)也會(huì)發(fā)生變化，表明硬件部分工作正常。

4.2 服務(wù)器端與Android客戶端功能測試

服務(wù)器端主要測試能否正常與硬件端進(jìn)行串口通信、異常時(shí)能否正常發(fā)送警報(bào)郵件、能否正常響應(yīng)客戶端請(qǐng)求以及傳輸視頻數(shù)據(jù)到Android客戶端。與之對(duì)應(yīng)的，Android客戶端則主要測試是否能正常請(qǐng)求和解析服務(wù)器的數(shù)據(jù)、能否正常進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控以及能否正常進(jìn)行語音錄制與廣播功能。

通過打印log日志的方法觀察運(yùn)行情況。例如，測試服務(wù)器是否正常響應(yīng)客戶端請(qǐng)求時(shí)，客戶端的每個(gè)請(qǐng)求都包含一個(gè)標(biāo)志用來標(biāo)識(shí)所請(qǐng)求的類型，服務(wù)器接收到請(qǐng)求后根據(jù)這個(gè)類型返回對(duì)應(yīng)類型的數(shù)據(jù)，正常響應(yīng)客戶端請(qǐng)求時(shí)log輸出如圖7所示，“type：sensor”表示當(dāng)前客戶端請(qǐng)求的是傳感器數(shù)據(jù)，而“type：motion”表示當(dāng)前請(qǐng)求的數(shù)據(jù)是攝像頭監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，“capturing..”則是開啟攝像頭拍照時(shí)的log日志輸出。

圖7 正常響應(yīng)客戶端請(qǐng)求時(shí)log輸出

再比如測試服務(wù)器是否正常發(fā)送警報(bào)郵件，郵件正常發(fā)送時(shí)的log輸出如圖8所示，在“Outsides”外出模式下，通過傳感器數(shù)據(jù)判定為異常時(shí)(數(shù)據(jù)“1，0，30，55，255”中的255是人體感應(yīng)器觸發(fā)時(shí)的信號(hào)輸出，正常時(shí)為0)，將會(huì)發(fā)送附帶攝像頭抓拍圖像的郵件給用戶，接收到的郵件如圖9所示。

圖8 郵件正常發(fā)送時(shí)log輸出

圖9 異常警報(bào)郵件

經(jīng)測試，客戶端的環(huán)境數(shù)據(jù)顯示、視頻監(jiān)控、語音錄制與播放等功能都能穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了家居安防系統(tǒng)的功能要求。

5 結(jié)束語

家居安防系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)溫濕度、火情和人員闖入的信息檢測，能夠在Android手機(jī)客戶端遠(yuǎn)程請(qǐng)求視頻查看功能，并在異常發(fā)生時(shí)收到視頻郵件，及時(shí)查看異常情況，適時(shí)進(jìn)行語音警告提醒。無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式解決了布線問題。經(jīng)測試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。增加煙霧傳感器、光線傳感器等則可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的特殊氣體和光線檢測功能，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性。

該系統(tǒng)能夠滿足現(xiàn)代智能家居安全、便捷、低成本的要求，遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的功能也適用于對(duì)家中孤單老人的監(jiān)護(hù)。