基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能安保門鈴的設(shè)計(jì)

陶曾杰，宋春雨，唐夢(mèng)達(dá)，曹斌芳

(1.湖南信息學(xué)院 電子信息學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410151；2.湖南文理學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院，湖南 常德，415000)

隨著科技的發(fā)展，尤其是云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，智能家居概念也在各大媒體上頻繁出現(xiàn)，進(jìn)入人們的視野[1]。人們對(duì)家居品質(zhì)的追求也越來越高，要求家居生活舒適化、安全化和智能化。門鈴作為其重要的組成部分，智能、可靠、方便、安全指數(shù)高的門鈴需求日益強(qiáng)烈。雖然目前市場(chǎng)上門鈴種類繁多，但是與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)聯(lián)不是很緊密。門鈴早期的智能化程度很低、應(yīng)用功能簡(jiǎn)單，但現(xiàn)在已發(fā)展成為攜提醒、防盜、對(duì)講、可視化等為一體的完整的智能系統(tǒng)[2]。門鈴作為主人與來訪者信息溝通的橋梁，如今智能化越來越高，不僅能夠提供全方位的信息交換，實(shí)現(xiàn)家庭與外部世界的信息溝通，還能滿足遠(yuǎn)程控制和信息交換的需要。與普通的門鈴系統(tǒng)相比，該智能安保門鈴系統(tǒng)不僅保持了傳統(tǒng)門鈴的一系列功能，還增添了遠(yuǎn)程控制等新功能，并且脫離了各種線纜的羈絆，有很強(qiáng)的擴(kuò)展性[3]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要由三部分組成：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層[4]。感知層由按鍵、門磁開關(guān)感應(yīng)器、錄音語音模塊來采集來訪者的信息；網(wǎng)絡(luò)層利用藍(lán)牙模塊進(jìn)行提示信息及控制信息的傳輸，并實(shí)現(xiàn)與智能手機(jī)的通信；應(yīng)用層由智能手機(jī)APP上位機(jī)組成，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，滿足用戶的來訪者提示、遠(yuǎn)程輔助開門、強(qiáng)行破門警報(bào)、傾聽留言等需求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of system

2 感知層各模塊設(shè)計(jì)

2.1 主控制器簡(jiǎn)介

該設(shè)計(jì)選用STC15W4K32S4單片機(jī)作為主控制器，其是STC增強(qiáng)型8051單片機(jī)最新技術(shù)結(jié)晶，寬電源電壓(2.4～5.5V)，無須轉(zhuǎn)換芯片可直接與PC機(jī)USB接口進(jìn)行通信；集成了大容量的程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及EEPROM，增加了定時(shí)器、串行口等基本功能部件，集成了A/D、PCA、比較器、專用PWM模塊和SPI等高功能接口部件，大大簡(jiǎn)化單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的外圍電路，系統(tǒng)性能更加高效、可靠[5]。

2.2 錄音語音模塊

對(duì)于錄音采集部分采用了ISD1820語音模塊，能高質(zhì)量、自然的語音還原；可直接驅(qū)動(dòng)8歐0.5W小喇叭[6]。單片機(jī)通過控制線IO進(jìn)行錄音及播放控制，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到按鍵被按下三次，提示語音：親愛的訪客，您好！主人不在家，有事請(qǐng)留言，按住按鈕開始錄音，松開按鈕停止錄音。主人在APP平臺(tái)觸發(fā)放音模式，播放訪客的留言語音。

2.3 串口語音模塊

串口語音模塊選用XY-V17B智能語音芯片，在本設(shè)計(jì)中采用UART串口控制，采用全雙工串口通信，波特率為9600 bit/s，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，檢驗(yàn)位N，通過3.5音頻接口外接揚(yáng)聲器[7]；預(yù)先錄制好語音，存放于TF卡文件夾，通過APP及單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)指令控制對(duì)應(yīng)的語音播放。XY-V17B語音模塊接口電路如圖2所示。

圖2 XY-V17B語音模塊接口電路Fig.2 XY-V17B Voice module interface circuit

2.4 門磁開關(guān)感應(yīng)器

本模塊采用的是MC-51常閉型有線門磁探測(cè)器，磁體合并是導(dǎo)通、分開斷開。因此可以作為強(qiáng)行破門的警報(bào)觸發(fā)檢測(cè)，當(dāng)鑰匙或APP端正常打開門時(shí)，不會(huì)觸發(fā)報(bào)警；小偷撬門而入，觸發(fā)報(bào)警聲，同時(shí)發(fā)送信息到APP端，通知主人。

2.5門鎖控制模塊

門鎖控制模塊主要為電磁鎖。電磁鎖的設(shè)計(jì)和電磁鐵一樣，是利用電生磁的原理，當(dāng)電流通過硅鋼片時(shí)，電磁鎖會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的吸力吸住鐵板達(dá)到開門的效果[8]，門鎖控制電路如圖3所示。也可以在遠(yuǎn)程端通過APP發(fā)送開門信號(hào)到單片機(jī)，控制繼電器使電磁鎖電源接通，電磁鎖產(chǎn)生吸力即可開門。

圖3 門鎖控制電路Fig.3 Lock control circuit

3 網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)

3.1 通信模塊

本設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)層采用BLK-MD-HC-05藍(lán)牙模塊傳輸數(shù)據(jù)，它是專為智能無線數(shù)據(jù)傳輸而打造，采用英國CSR公司BlueCore4-Ext芯片，遵循V2.0+EDR藍(lán)牙規(guī)范。

藍(lán)牙的核心特點(diǎn)是：短距離、低成本、高速、使用方便、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)；低功率，便于電池供電設(shè)備工作；可以同時(shí)管理數(shù)據(jù)和聲音傳輸；低延時(shí)等；每臺(tái)智能手機(jī)都有藍(lán)牙，相比于WIFI、移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)成本更低、更方便[9]。

3.2 通信協(xié)議定義

(1)通信數(shù)據(jù)為ASCLL碼；(2)通信格式為碼頭加指令，終端到手機(jī)數(shù)據(jù)格式為單指令；(3)碼頭為‘T’；(4)控制指令如下表1。

表1 通信控制指令表Table 1 Communication control instruction list

4 應(yīng)用層的設(shè)計(jì)

4.1 APP總體功能說明

1)若有訪客按了門鈴，手機(jī)終端將會(huì)收到按鈴信息，通知主人有訪客，可以避免主人因某些原因沒有聽到門鈴聲而未及時(shí)開門。若多次門鈴被按而無人應(yīng)答時(shí)，將通過語音告知家里無人，有事請(qǐng)留言，并啟動(dòng)錄音功能。當(dāng)主人開鎖時(shí)提醒主人查看留言，APP也可查看留言。

2)具有遠(yuǎn)程控制開門功能，可以通過主人手機(jī)控制開門。

3)門與門框間裝上門磁開關(guān)感應(yīng)器，如有人強(qiáng)行破門則可發(fā)出鳴叫報(bào)警聲，手機(jī)終端也將收到報(bào)警提示音。

4)可以定時(shí)啟動(dòng)免打擾功能。當(dāng)主人需要休息時(shí)手機(jī)終端可以設(shè)置免打擾功能，這樣門鈴相關(guān)信息就不會(huì)發(fā)送到手機(jī)上，以保證主人的休息。

5)若主人在家不方便實(shí)時(shí)開門時(shí)，可以在APP上設(shè)置延后開門，門鈴則會(huì)提示訪客主人稍后會(huì)過來開門。

6)APP可長(zhǎng)期在后臺(tái)運(yùn)行，若有門鈴信息，將保存在APP通知欄。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖4所示，當(dāng)系統(tǒng)上電后，進(jìn)行系統(tǒng)資源初始化；掃描門鈴按鈕是否被按下，若是被訪客按下時(shí)，執(zhí)行對(duì)應(yīng)語音播報(bào)、APP提示、輔助開門等功能；當(dāng)按鈕沒有被按下時(shí)，門鈴也沒有接收到APP數(shù)據(jù)時(shí)，繼續(xù)掃描門鈴按鈕；若是接收到APP數(shù)據(jù)，解析指令，執(zhí)行播放留言錄音等功能。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

4.3 APP界面設(shè)計(jì)

當(dāng)打開APP時(shí)，進(jìn)入主界面，如圖5所示，點(diǎn)擊左下角箭頭，搜索門鈴終端藍(lán)牙，連接后進(jìn)入控制界面，如圖6所示，APP在后臺(tái)運(yùn)行。當(dāng)訪客按下門鈴按鈕時(shí)，手機(jī)播放鈴聲或振動(dòng)，提示主人，并彈窗顯示如圖7，主人點(diǎn)擊后回到控制界面可點(diǎn)擊EXIT，稍后按鍵來輔助開門和提示訪客；當(dāng)訪客按下門鈴按鈕3次及以上時(shí)，語音告知訪客，主人不在家，請(qǐng)留言，當(dāng)主人回到家，手機(jī)播放鈴聲或振動(dòng)，提示主人，并彈窗顯示如圖8，主人點(diǎn)擊后回到控制界面可點(diǎn)擊播放留言按鈕傾聽留言；如有人強(qiáng)行破門，揚(yáng)聲器可發(fā)出鳴叫報(bào)警聲，業(yè)主手機(jī)APP同時(shí)收到報(bào)警信息。

圖5 主界面Fig.5 Main interface

圖6 控制界面Fig.6 Control interface

圖7 按動(dòng)門鈴彈窗界面Fig.7 Press the doorbell to flick the window screen

圖8 留言彈窗界面Fig.8 Message popover interface

4.4 語音播報(bào)文本設(shè)計(jì)

1)叮咚聲。

2)親愛的訪客，您好！主人不在家，需要留言請(qǐng)按住按鈕開始留言，松開按鈕結(jié)束留言。

3)主人，有訪客留言。

4)終端連接成功。

5)親愛的訪客，您好！主人暫時(shí)不方便開門，請(qǐng)您稍等片刻。

6)親愛的訪客，門鎖已經(jīng)打開，請(qǐng)進(jìn)。

7)親愛的訪客，您好！主人正在休息，有事請(qǐng)留言。按住按鈕開始留言，松開按鈕結(jié)束留言。

8)入侵警報(bào)聲。

5 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的門鈴設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了門鎖的網(wǎng)絡(luò)化。該門鈴不僅可以通過鑰匙開鎖，也可以通過手機(jī)APP現(xiàn)場(chǎng)開鎖，還可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端遠(yuǎn)程開鎖，同時(shí)還具有錄音留言與報(bào)警提醒功能等。本文門鈴的設(shè)計(jì)解決了人們不帶鑰匙出門的方便，也解決了主人不在家或有事不方便去開門，提醒錯(cuò)過了重要來客等問題。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展下，通過用手機(jī)來控制智能安保門鈴，可以為用戶提供更好的生活體驗(yàn)。在大智移云的新技術(shù)時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也為智能安保門鈴提供了技術(shù)保障。展望未來，智能安保門鈴必將會(huì)成為智能家居的重要組成部分，為廣大消費(fèi)者的日常生活提供更便捷安全的服務(wù)。