基于云的安全智能家居自動化設(shè)計*

王 華

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450012）

隨著生活水平的不斷提高，人們對日常生活自動化的需求不斷增加，因而需要找到一種可以在所有類型家庭中實施的，基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理的可行性方案[1]。本文提出了一種節(jié)能的家庭自動化系統(tǒng)解決方案，以實現(xiàn)對日常生活中基本操作的自動化控制。該系統(tǒng)利用動態(tài)地址、各種傳感器和機器學(xué)習(xí)算法等技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)功能優(yōu)化。同時考慮到房屋安全方面的問題，該系統(tǒng)通過基于云的交互式網(wǎng)絡(luò)界面即時地為用戶提供監(jiān)測和控制服務(wù)。以下將從硬件、軟件和云界面等方面進(jìn)行詳細(xì)描述。

1 總體描述

1.1 系統(tǒng)概述

本文提出的智能家居自動化系統(tǒng)分為3 個主要部分：硬件接口模塊、軟件通信模塊和一個基于云的用戶界面模塊。該系統(tǒng)的中心是一個Arduino Mega 2560 微控制器。該微控制器連接設(shè)備和傳感器之間的所有通信，以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化功能。該系統(tǒng)可提供各種不同的功能，如溫度控制、使用風(fēng)扇/空調(diào)、自動照明、使用運動傳感器等，以及多種安全功能，如激光線、煙霧和火災(zāi)探測和使用NFC 的用戶認(rèn)證。所有功能都可以使用一個專門的基于云的網(wǎng)絡(luò)界面手動控制。用戶可以使用智能手機或其他設(shè)備在本地或遠(yuǎn)程訪問該系統(tǒng)，且遠(yuǎn)程訪問基于云的軟件系統(tǒng)可以不是靜態(tài)IP，這點是非常方便的。軟件系統(tǒng)和硬件模塊的整合，使用戶不需要具備專業(yè)知識就能在系統(tǒng)中添加任何設(shè)備。整個系統(tǒng)通過太陽能供電，可再生能源的使用有效降低了建筑能耗。目前家庭自動化系統(tǒng)已經(jīng)成為一種必要的需求，用戶希望通過智能手機或者其他設(shè)備動動手指就實現(xiàn)對設(shè)備的控制，以獲得智能化、安全可靠、易操作的體驗[1]。

1.2 現(xiàn)有系統(tǒng)

現(xiàn)在多數(shù)系統(tǒng)都依托在Arduino 模塊上，這對系統(tǒng)的全面發(fā)展造成了限制。通常情況下，基于Arduino 模塊的系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)連接，需要一個靜態(tài)IP 地址，而目前多數(shù)家庭使用的是動態(tài)IP 地址，這就給系統(tǒng)的使用造成了很大的困難。

1.3 基于云的安全智能家居自動化設(shè)計

為了解決現(xiàn)有系統(tǒng)的問題，本文提出了一種基于Arduino Mega 2560 微控制器的安全智能家居自動化系統(tǒng)。由于使用了微控制器，該系統(tǒng)可以通過無線網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙實現(xiàn)各個模塊的單獨化控制與管理，在云控制端實現(xiàn)整體化設(shè)置，即使沒有連線也能獨立運行。該系統(tǒng)還可根據(jù)使用情況進(jìn)行自動控制。系統(tǒng)中不同功能的傳感器用以完成相應(yīng)的功能，在房屋入口處安裝一個NFC 讀卡器用來驗證用戶進(jìn)入房屋的認(rèn)證。如果有人在屋內(nèi)，除了安全系統(tǒng)之外，整個系統(tǒng)都是關(guān)閉的。房屋內(nèi)各房間的照明由PIR 傳感器的運動檢測來控制，當(dāng)PIR 運動傳感器檢測到房間內(nèi)有運動物體時就會打開相應(yīng)房間的燈；檢測到房間內(nèi)沒有運動物體時，燈光就會自動關(guān)閉。溫度傳感器用來測量環(huán)境溫度、控制風(fēng)扇和空調(diào)的運行，以保持溫度在特定范圍內(nèi)。LDR 傳感器檢測進(jìn)入房屋的光線，并控制窗簾的開合。如果雨水傳感器檢測到有降雨發(fā)生，系統(tǒng)就會控制可伸縮屋頂覆蓋陽臺或者露臺，以防止雨水進(jìn)入。車庫門的閉合通過一個壓力傳感器來檢測，當(dāng)汽車出現(xiàn)時車庫門打開，并在設(shè)定的時間段后自動關(guān)閉。

基于機器學(xué)習(xí)原理的一個重要安全功能是人臉識別。實現(xiàn)這個功能需要使用K-鄰近（KNN）算法。該算法和它支持的功能被上傳到Raspberry Pi微控制器，網(wǎng)絡(luò)攝像頭連接在微控制器上，用于捕捉人臉圖像。當(dāng)用戶抵達(dá)房門時，按下按鈕激活面部識別系統(tǒng)，在獲得認(rèn)證與授權(quán)后方可進(jìn)入房屋。網(wǎng)絡(luò)攝像頭拍攝的圖像被加載到Raspberry Pi中，并通過Haar 級聯(lián)分類器進(jìn)行預(yù)處理以提取相關(guān)面部特征，然后設(shè)置好的KNN 對圖像進(jìn)行處理，并給出一個二進(jìn)制的輸出，用于驗證或拒絕認(rèn)證用戶。

此外，還可以在房屋所有可能的入口處使用激光線來防止盜竊行為發(fā)生。當(dāng)房屋設(shè)置為安全模式或里面沒人時，分布在各處的激光器就會開啟，任何一個激光器被觸發(fā)都會響起警報，并通過軟件和電話通知房主或警察。除了激光線，也可以使用安裝在入口處的PIR 運動傳感器檢測可疑運動，以提高安全性。該系統(tǒng)還有一個煙霧/火災(zāi)探測器，如有意外情況，將自動通知房主和消防部門。值得一提的是，該系統(tǒng)利用太陽能供電，不會增加房屋的用電量；在停電的情況下，還有一個備用電池組可用；蓄電池可以使用太陽能以及外部電源進(jìn)行充電，以防止電力故障[2]。

2 硬件部分

2.1 Arduino mega 2560

Arduino 是一個開源的微控制器，可用來開發(fā)交互式平臺，從各種開關(guān)或傳感器獲取數(shù)據(jù)，并控制各種燈、電機和其他部件的輸出。Arduino 可以是獨立的，也可以與運行在電腦上的軟件進(jìn)行通信。本系統(tǒng)中使用的所有傳感器都與Arduino 進(jìn)行了連接，這些傳感器向Arduino 提供特定類型的輸入，Arduino 在接收到這些輸入后，通過Arduino 編程執(zhí)行某些命令。

2.2 Raspberry Pi

Raspberry Pi 3 Model B 是第三代Raspberry Pi，是一個和信用卡差不多大小的單板計算機，可用于許多應(yīng)用。Raspberry Pi 可以實現(xiàn)無線局域網(wǎng)和藍(lán)牙連接，這使它成為大多數(shù)項目設(shè)計的理想選擇。

2.3 傳感器

1）NFC 模塊。NFC 指的是近場通信，用于諸如智能手機或NFC 卡等設(shè)備建立無線通信。這是一種短距離的無線通信，可以在設(shè)備之間進(jìn)行非接觸點的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)在SPI 模式下使用該模塊，它安裝在入口處供用戶驗證身份，用戶只需將卡靠近NFC 模塊，就可得到認(rèn)證。

2）PIR 傳感器。PIR 傳感器內(nèi)有一個熱釋電傳感器，被一個圓頂形的菲涅爾透鏡所覆蓋。傳感器的延遲和靈敏度可以通過傳感器底部的電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)探測到人體出現(xiàn)在傳感器范圍內(nèi)時輸出“高”，否則輸出“低”。這一原理在系統(tǒng)中被用來檢測人是否在房間內(nèi)，以打開/關(guān)閉各個房間的燈，達(dá)到節(jié)省能源的目的。

3）溫度傳感器。LM35 傳感器的輸出電壓與溫度成正比，用于測量房間的溫度，并控制風(fēng)扇/空調(diào)的運行，以確保房間溫度保持在指定范圍內(nèi)。當(dāng)環(huán)境溫度超過閾值時，風(fēng)扇/空調(diào)被打開；當(dāng)溫度恢復(fù)到設(shè)定溫度時，風(fēng)扇/空調(diào)被關(guān)閉。該系統(tǒng)僅在需要時驅(qū)動這些設(shè)備，有助于節(jié)省能源。

4）LDR 傳感器。LDR 傳感器用于檢測或測量周圍環(huán)境的光強度。該傳感器在有光的情況下輸出“高”，在沒光的情況下輸出“低”。傳感器上的電位器用來調(diào)整傳感器的靈敏度，以精確測量光強度，控制窗簾的狀態(tài)（關(guān)閉/打開），優(yōu)化室內(nèi)光線強弱。通過RTC 可設(shè)置時間自動控制窗簾狀態(tài)，以獲得舒適的照明[3]。

5）壓力傳感器。壓力傳感器用于測量施加在傳感器上的力，力越大，阻力越小。該系統(tǒng)用來確定是否有汽車接近車庫，當(dāng)有車接近時，系統(tǒng)會自動打開車庫門，讓用戶進(jìn)入并停放汽車，并在設(shè)定的時間段后自動關(guān)閉車庫門。

6）激光模塊和接收器。KY-008 激光模塊用于發(fā)射激光束，檢測器感應(yīng)到激光的存在并給出數(shù)字輸出。該模塊用于檢測激光束的跳動，以進(jìn)行盜竊檢測并發(fā)出警報。

3 軟件部分

該系統(tǒng)軟件分為兩個部分，第一部分是運行在Arduino 板上的軟件代碼，第二部分是基于云的應(yīng)用平臺。Arduino Studio 用于實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯和管理它們的運行，代碼被上傳到Arduino 板上，該板充當(dāng)傳感器、設(shè)備和托管在云端的用戶界面之間的協(xié)調(diào)人。用戶界面托管在云上，所有的自動化功能都被單獨輸入到Arduino 板上，這些功能包括自動照明、溫度控制和安全功能。

一個ESP32 Wi-Fi 模塊被連接到Arduino，以便與云平臺連接。ESP32 模塊承載了一個本地網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，它將作為一個API（應(yīng)用編程接口）接到云界面。該API 包含一些選項，用于手動覆蓋每個功能，也可改變涉及安全的設(shè)置。本地網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將定期ping 云平臺以監(jiān)聽任何遠(yuǎn)程請求。云平臺是一個網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，可使用個人電腦、智能電話等智能設(shè)備遠(yuǎn)程和本地操作、訪問整個系統(tǒng)；訪問云平臺需要使用用戶名和密碼來驗證，系統(tǒng)所有者可以添加或刪除訪問用戶和NFC 卡授權(quán)。當(dāng)盜竊檢測系統(tǒng)激活時，如果檢測到任何入侵警報會被觸發(fā)，云平臺將首先得到通知，然后按照所有者的指示執(zhí)行必要行動。此外，還提供了添加或刪除面部識別功能，可以將新的信息上傳到RaspBerry Pi 設(shè)備數(shù)據(jù)庫，作為用戶驗證的有效憑證[4]。

4 硬件實現(xiàn)

4.1 用于自動化的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器

該系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器建立了完整的家庭自動化系統(tǒng)，如溫度傳感器（LM35），壓力傳感器，LDR，PIR，NFC/RFID 閱讀器，煙霧/火災(zāi)傳感器，雨水傳感器等。這些傳感器與Arduino Mega 2560 微控制器連接，并根據(jù)它們各自不同的功能被安裝在合適的位置。

NFC/RFID 模塊安裝在房屋入口處，以確保只有被授權(quán)的用戶才可以進(jìn)入。NFC 芯片中包含一個特定的十六進(jìn)制值，當(dāng)該十六進(jìn)制值與用戶卡上的值相吻合，就能獲得授權(quán)允許進(jìn)入房屋。為了增強安全性，在入口處設(shè)置了人臉識別系統(tǒng)；該人臉識別系統(tǒng)基于Raspberry Pi 使用哈爾級聯(lián)算法來檢測人的面孔，如果人臉匹配，Arduino 就會打開房門；為實現(xiàn)人臉識別功能，還需要將一個攝像頭連接到Raspberry Pi上，將捕捉到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的人臉進(jìn)行匹配、識別。在車庫門前適當(dāng)位置安裝了壓力傳感器，當(dāng)力的參數(shù)滿足時，車庫門將自動打開。溫度傳感器用于檢測周圍溫度，如果溫度超過了特定閾值，風(fēng)扇將自動打開。煙霧/火災(zāi)傳感器用來檢測火情，在火災(zāi)發(fā)生時可立即通知房主；這個裝置大多安裝在廚房，因為廚房是最有可能發(fā)生火災(zāi)或類似火災(zāi)事件的地方。另外，光傳感器可以感知進(jìn)入房屋的光強度，如果光強度低于設(shè)定的閾值，房間窗簾會自動打開，使光線進(jìn)入。雨水傳感器檢測到降雨后，可自動開啟雨蓬以保護(hù)免受雨淋。PIR 運動傳感器有兩個作用，一個是安裝在房間的適當(dāng)位置實現(xiàn)自動照明，當(dāng)它檢測到有運動物體時將自動開啟照明；二是安裝在房屋入口處檢測房屋入侵情況，防止盜竊發(fā)生。此外，為了增加安全性，在所有可能的地方使用激光傳感器模塊進(jìn)行監(jiān)測，并設(shè)置報警器，任何企圖破壞房屋的行為都能被輕易發(fā)現(xiàn)[5]。

每一個設(shè)備都與Arduino 微控制器連接，并通過跳線將其相應(yīng)的數(shù)字或引腳連接起來。Arduino板連接到一個Wi-Fi模塊（ESP32）上，它將接收來自基于云的交互式網(wǎng)絡(luò)界面，用于手動控制所有硬件。

4.2 太陽能電池板

太陽能是一種可再生能源，該系統(tǒng)使用太陽能電池板為Arduino 系統(tǒng)供電。太陽能電池板可作為鋰離子電池的充電器和一個直流轉(zhuǎn)換器，為Arduino 提供所需的5 V 電壓，并有連接器用于電池輸入、輸出。一個迷你USB 端口和兩個太陽能電池板連接器（6 V 和12 V）用于給電池充電，迷你USB 接口可在需要時用任何外部電源為電池充電；一個太陽能電池板由6 V 電池組成，可以積累足夠的能量給電池充電。6 V 的太陽能電池板與太陽能板上相應(yīng)的6 V 輸入連接器連接，通過這樣的設(shè)置，并有足夠的陽光照射，太陽能電池板能夠為電池充電。

5 結(jié)論

本文設(shè)計并實施了一種低成本、高能效的智能家居自動化系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用Arduino 和基于云的用戶界面?；谠频木W(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，本地網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器作為API，使用Wi-Fi 802.11n 標(biāo)準(zhǔn)作為通信媒介，任何有能力訪問互聯(lián)網(wǎng)的智能設(shè)備都可以訪問用戶界面。系統(tǒng)利用多種傳感器提供用戶認(rèn)證，提高了使用的安全性。