基于LoRa技術(shù)的家庭物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)設(shè)計

施金磊

在當(dāng)今智慧互聯(lián)的時代，智能化的家庭安防報警系統(tǒng)能幫助人們自動化的預(yù)警家庭安全狀況，穩(wěn)定高效地保護家庭的隱私安全、人身安全、財產(chǎn)安全，可以說智能家庭物聯(lián)網(wǎng)是每個家庭都需要的。而本系統(tǒng)中我們采用了Arduino開發(fā)平臺與LoRa通訊技術(shù)，前者具有跨平臺、編程簡單、開放的優(yōu)點，后者具有遠(yuǎn)距離、低功耗、抗干擾、高穿透的特性，采用它們設(shè)計實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)家庭安防系統(tǒng)，最終系統(tǒng)達(dá)到了層次化、分布式的良好結(jié)構(gòu)目標(biāo)，而且操作簡單，滿足正常家庭需要，同時為未來家庭互聯(lián)、接軌城市物聯(lián)網(wǎng)，建設(shè)智慧城市做好鋪墊。

【關(guān)鍵詞】LoRa 物聯(lián)網(wǎng) Arduino

隨著新的物聯(lián)網(wǎng)通訊標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，基于低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）的智能系統(tǒng)產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。目前LPWAN中代表性的LoRa技術(shù)具有功耗低、覆蓋廣、穿透性強的特點，在國內(nèi)外已被運用到了很多應(yīng)用場景中，如水運定位、路燈監(jiān)測、停車位監(jiān)測等。隨著國家智慧城市的廣泛推進，家庭物聯(lián)網(wǎng)與城市物聯(lián)網(wǎng)的接軌也勢必走向現(xiàn)實。為與未來的技術(shù)發(fā)展趨勢相適應(yīng)，LoRa這一家庭城市均可使用的通信方式被我們運用到了家庭物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)設(shè)計之中，作為家庭物聯(lián)網(wǎng)的核心通信方式。

不僅如此，當(dāng)今家庭物聯(lián)網(wǎng)多是閉源、單一的，不易進行拓展升級開發(fā)，而且容易出現(xiàn)信息安全問題，不能有效防護使用者的隱私安全。整個系統(tǒng)大多也不夠?qū)哟位?、系統(tǒng)化，魯棒性不足，而我們的設(shè)計很好的解決了這些問題。在開源開放的同時，注重用戶隱私安全，對系統(tǒng)進行了信息安全保密加固，使其實現(xiàn)層次化管理，分布式收集分析，可視化操作，實現(xiàn)了系統(tǒng)化、高效化、便捷化。

1 報警系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本家庭物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)由四個層次、五個部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

最底層是各個傳感器，包括紅外傳感器、超聲波傳感器、瓦斯傳感器、有害氣體傳感器、激光傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、視頻探頭等。這些傳感器收集家庭中的各種安全狀況信息。然后通過串口通信將信息傳送給上一層，即家庭終端。家庭終端我們采用基于Arduino的開發(fā)板。家庭終端負(fù)責(zé)初步處理傳感器接收到的信息，然后將加工處理過的信息再傳送給上一層，即家庭服務(wù)器。家庭終端與家庭服務(wù)器之間通信我們采用LoRa技術(shù)來完成。家庭服務(wù)器我們使用的是樹莓派，它負(fù)責(zé)將信息進一步處理整合并備份然后將整合解析出來的結(jié)果發(fā)送給云端服務(wù)器，而且視頻設(shè)備就通過usb接口與樹莓派直接連通。家庭服務(wù)器所做的信息備份也方便了日后查詢?？梢哉f家庭服務(wù)器不僅是整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的內(nèi)核心，也是整個家庭內(nèi)部物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與外部物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的信息紐帶。

本物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)的最高層，就是云端服務(wù)器和使用者手中的手機移動終端兩個部分。云服務(wù)器上運作著基于MVC架構(gòu)的控制整個系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)。這個系統(tǒng)把底層收集的數(shù)據(jù)先進行智能化分析然后再可視化呈現(xiàn)，最終使用者可直觀的了解家庭安全信息，直接便捷的控制家庭物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。而使用者手中的手機終端的功能就是進入云端系統(tǒng)的移動版進行整體管理，做到管理便捷化，云端系統(tǒng)也會實時地將家庭報警信息推送至手機終端，做到可交互。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 家庭服務(wù)器設(shè)備

家庭服務(wù)器基于的是樹莓派3 B+開發(fā)板，使用開發(fā)板作為服務(wù)器而沒有使用服務(wù)器級計算機是為了滿足物聯(lián)網(wǎng)低功耗、體型小的要求，而且樹莓派作為基于ARM的微型開發(fā)板，具有很強的運算處理能力，且支持USB、串口、HDMI、無線Wi-Fi、LAN等多種輸入輸出方式。能滿足視頻錄像的圖形處理要求，又能滿足高速接入互聯(lián)網(wǎng)的要求。同時它的多接口可以使其具有豐富的拓展性，甚至可以集群化，達(dá)到更高的處理能力。

我們通過Wi-Fi的方式使其接入互聯(lián)網(wǎng)，以使其能將信息提交至云端服務(wù)器。LoRa模塊接入樹莓派的串口，實現(xiàn)串口通信。

2.2 家庭終端設(shè)備

家庭終端設(shè)備選用Arduino開發(fā)板，Arduino是近年來在國內(nèi)外很受歡迎的一種開發(fā)板，它具有以下幾個優(yōu)點。

2.2.1 跨平臺

Arduino IDE可以在Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運行，而其他的大多數(shù)控制器只能在Windows上開發(fā)。

2.2.2 編程簡單

Arduino IDE基于processing IDE開發(fā)。對于初學(xué)者來說，極易掌握，同時有著足夠的靈活性。Arduino語言基于wiring語言開發(fā)，是對 avr-gcc庫的二次封裝，不需要太多的單片機基礎(chǔ)、編程基礎(chǔ)，簡單學(xué)習(xí)后就可以快速的進行開發(fā)。

2.2.3 開放

Arduino秉承開源精神，其硬件原理圖、電路圖、IDE開發(fā)環(huán)境及核心庫文件都是開源的，這樣既保證了Arduino的穩(wěn)定安全、更使其具有極大的拓展性，滿足未來更加開放開發(fā)的需要。

以上幾個特性使其可以很好地滿足本物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的開發(fā)需要。Arduino有一系列的開發(fā)板，我們使用的是Arduino Uno。通過Arduino Uno來控制諸多傳感器，收集信息，感知環(huán)境，并將得到的信息處理為家庭安全狀況實時信息后發(fā)送至家庭服務(wù)器。

2.3 LoRa通信模塊

本系統(tǒng)使用的LoRa通信模塊，嵌入了高速、低功耗單片機和高性能LoRa擴頻芯片SX1278，采用了高效的FEC前向糾錯算法，其編碼效率較高，糾錯能力強，在突發(fā)干擾的情冴下，能主動糾正被干擾的數(shù)據(jù)包，大大提高可靠性和傳輸距離。而其使用的LoRa直序擴頻技術(shù)，也具有以下幾個優(yōu)點。

（1）更遠(yuǎn)的通訊距離；

（2）發(fā)射功率密度低，不易對其他設(shè)備造成干擾；

（3）保密性高，被截獲的可能性極低；

（4）抗干擾能力強，對同頻干擾及各種噪聲具有極強的抑制能力；

（5）具有極好的抗多徑衰落性能。

當(dāng)然還有一個重要原因是因為其超低的功耗，可以通過電池供電的方式來長期運行。當(dāng)模塊工作時，可以通過延長響應(yīng)時間的方式來降低功耗，經(jīng)測試，當(dāng)響應(yīng)時間為2s時，其模塊平均電流可降低至30uA。

借助升特的LoRa專利調(diào)制技術(shù)，SX1278采用低成本的晶體和物料即可獲得超過-148dBm的高靈敏度與+20dBm功率放大器的集成，使器件的鏈路預(yù)算達(dá)到了行業(yè)領(lǐng)先水平，成為遠(yuǎn)距離傳輸和對可靠性要求極高的應(yīng)用的最佳選擇。相比傳統(tǒng)調(diào)制及時，LoRa調(diào)制技術(shù)在抗阻塞和選擇性方面也具有明顯優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)設(shè)計方案無法同時兼顧距離、抗干擾和功耗的問題。

以上這些特性使其滿足了家庭物聯(lián)網(wǎng)的需要，更符合智慧城市建設(shè)的需要。將其使用在家庭物聯(lián)網(wǎng)之中，能為未來接軌智慧城市建設(shè)做好鋪墊。

我們在系統(tǒng)中將LoRa作為核心通信方式，在家庭終端和家庭服務(wù)器上均通過串口安裝了LoRa通信模塊，使前者能安全、穩(wěn)定地將家庭安防信息傳送至后者，連接圖如圖2、圖3。

2.4 入侵檢測報警模塊

本模塊由人體紅外傳感器和超聲波測距傳感器組成。前者基本原理是檢測人或者動物發(fā)出的特定波長10UM左右紅外線并用經(jīng)過菲泥爾濾光片增強后聚集到紅外感應(yīng)源上，而紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號。所以，紅外探測是感應(yīng)移動物體溫度與背景物體溫度的差異。后者基本原理則是模塊向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離s，即：s=340m/s× t / 2 。我們通過兩種傳感器，感知環(huán)境，實現(xiàn)家庭未知人員入侵警報的功能，并使其互相印證，這樣便能提高報警的準(zhǔn)確率，降低誤報率。此模塊接入家庭終端的連接圖，如圖4、圖5所示。

2.6 家庭環(huán)境異常報警模塊

本模塊由有害氣體探測傳感器和火焰探測傳感器兩部分組成。我們將此模塊布置在家中的廚房位置，這樣基本能實時了解家庭廚房的安全狀況，同上面的入侵報警模塊一樣，以兩個傳感器感知的方式，提高了報警的準(zhǔn)確。此模塊接入家庭終端的的線路圖，如圖6、圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 家庭服務(wù)器程序設(shè)計

家庭服務(wù)器采用的是Linux操作系統(tǒng)，并配置python運行環(huán)境。python語言腳本語言具有高級語言的抽象特性，可以很容易的實現(xiàn)控制視頻監(jiān)控的流媒體傳輸這樣的高級功能。而且其具有豐富的模塊庫，通過引用庫函數(shù)serial的方式，我們很快速的完成本系統(tǒng)的串口通信功能的開發(fā)。而且python也是開源的，這樣能很方便的進行以后的系統(tǒng)功能拓展開發(fā)。而服務(wù)器所使用的Linux操作系統(tǒng)，相比微軟平臺的windows server，具有成熟、穩(wěn)定、高效的特性，更適合作為家庭安防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心服務(wù)器。

我們開發(fā)的python腳本通過Flask框架實現(xiàn)視頻監(jiān)控的流媒體傳輸，通過serial模塊控制串口UART的TxD、RxD兩個引腳。家庭終端Arduino通過LoRa模塊傳輸至家庭服務(wù)器樹莓派RxD引腳，服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)便進行邏輯判斷處理，然后用python的urllib2模塊構(gòu)造post請求數(shù)據(jù)包發(fā)送至云端。具體流程圖如圖8所示。

3.2 家庭終端程序設(shè)計

家庭終端程序是通過Arduino IDE燒入Arduino，程序通過監(jiān)測傳感器所連接的輸入引腳的輸入值及狀態(tài)實現(xiàn)功能。例如在超聲波傳感器監(jiān)測模塊程序中，首先通過Serial.begin函數(shù)設(shè)置波特率，通過pinMode設(shè)置SR04傳感器對應(yīng)的引腳，然后進入正式監(jiān)測階段，首先產(chǎn)生一個10us的高脈沖去觸發(fā)TringPin，然后檢測脈沖寬度，并通過聲速公式計算出了距離。其中入侵檢測報警功能和家庭環(huán)境異常檢測功能均以模塊化的方式實現(xiàn)，方便未來的拓展升級。

3.3 云端物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)設(shè)計

云端采用的是Linux操作系統(tǒng)，版本為CentOS 7.2，配置有PHP+MySQL運行環(huán)境。管理系統(tǒng)為經(jīng)典的MVC架構(gòu)，前端采用bootstrap開發(fā)框架，后端使用PHP開發(fā)語言。bootstrape框架的使用使管理系統(tǒng)得到扁平化的視覺呈現(xiàn)，不僅美觀，而且重點鮮明突出。PHP語言是一門穩(wěn)定高效的語言，被廣泛運用于網(wǎng)站開發(fā)，具有很高的市場占有率。我們利用現(xiàn)有的php網(wǎng)站模板框架，實現(xiàn)了系統(tǒng)網(wǎng)站的用戶注冊、登錄、注銷、數(shù)據(jù)庫管理、視頻流傳輸?shù)然竟δ埽覍崿F(xiàn)了對家庭服務(wù)器提交的警情數(shù)據(jù)的智能分析。同時借助阿里云提供的服務(wù)其具有了防注入攻擊、跨站腳本攻擊、密碼爆破攻擊、拒絕服務(wù)攻擊等安全特性。在滿足系統(tǒng)管理、智能分析的同時，也方便了用戶的便捷管理，了解家庭警情。系統(tǒng)界面如圖9、圖10所示。

3.4 手機終端（Ardroid）程序設(shè)計

手機終端采用Android平臺，Ardroid作為一個開放成熟的平臺，非常適合作為研究開發(fā)。在編寫app控制程序的過程中，我們著重針對整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運作方式進行了進行了app安全加固。首先是對app代碼進行混淆加密，防止app被惡意反編譯破解，從而危及使用者的隱私安全。之后再改進傳輸機制，采用先加密再傳輸?shù)姆绞剑乐菇財喙?。在通過對用戶弱口令的提示，來防止app使用中的人為漏洞。手機終端視圖如圖11、圖12所示。

4 系統(tǒng)測試

采用一加3T作為手機終端，并安裝終端App軟件。采用兩塊Arduino Uno開發(fā)板，一塊串口接紅外、超聲波傳感器，另一塊串口接火焰、有害氣體探測傳感器。而兩塊開發(fā)板都接LoRa通信模塊，即SX1278芯片，芯片接天線。在家庭服務(wù)器樹莓派3 B+上接LoRa通信模塊，并把樹莓派通過Wi-Fi的方式接入互聯(lián)網(wǎng)。云端采用阿里云的ECS，并在其上建立php+MySQL的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)的運行環(huán)境。然后將物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)架設(shè)在云端。測試結(jié)果如圖-。結(jié)果表明所設(shè)計的報警系統(tǒng)是可以穩(wěn)定運行的，當(dāng)有外人入侵或火災(zāi)、有害氣體發(fā)生時，實現(xiàn)了現(xiàn)場蜂鳴器報警，并對警情現(xiàn)場進行視頻錄像，把警情發(fā)生的狀況和時間等信息進行備份，并發(fā)送至云端管理系統(tǒng)，同時手機app實時從云端得到信息進行警情推送。使用者通過app了解警情，觀看現(xiàn)場警情畫面。測試圖如圖13。

5 結(jié)論

本文針對家庭安防中存在的現(xiàn)實問題和實際需求，并面向未來，接軌智慧城市建設(shè)，設(shè)計實現(xiàn)基于LoRa技術(shù)的家庭物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)，設(shè)計中采用層次化、分布式的方式，對系統(tǒng)進行設(shè)計，實現(xiàn)了信息的層次處理，逐步分析，提高了報警的準(zhǔn)確率，降低了誤報率，加強了系統(tǒng)的魯棒性，并通過云端式的管理，實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定高效，實時分析智能化處理。真正實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)有的低功耗、智能化，開發(fā)板的選擇也方便了系統(tǒng)的安裝，拓展開發(fā)，廣泛適用。LoRa技術(shù)的應(yīng)用也方便以后接入城市物聯(lián)網(wǎng)，為智慧城市底層建設(shè)做好鋪墊。

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作者單位

江蘇警官學(xué)院 江蘇省南京市 210031