智慧防盜門(mén)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

曹阿成，謝桂芳，江金麗

（湘南學(xué)院計(jì)算機(jī)與人工智能學(xué)院，郴州 423000）

0 引言

隨著科技水平提高，“智能家居”、“全智能”等概念深入人心，人們對(duì)生活質(zhì)量要求日益提高，而與生活息息相關(guān)的防盜門(mén)還無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)安全、智能、便捷等方面的需求。目前市面上大多數(shù)防盜門(mén)仍然存在功能單一、防盜水平低、智能化程度低等問(wèn)題。據(jù)公安部門(mén)統(tǒng)計(jì)，在很多大城市，高達(dá)50%的入室盜竊案是由不法分子采用技術(shù)性開(kāi)啟房門(mén)，從而進(jìn)行犯罪活動(dòng)，而超過(guò)20%是采用暴力破壞，這些不法分子作案有一個(gè)共同特點(diǎn)：都是針對(duì)鎖，實(shí)施破壞。鎖被打開(kāi)了，門(mén)也就自然開(kāi)了。

因此，研發(fā)出一款安全、智慧的防盜門(mén)系統(tǒng)已成為時(shí)代所需。

1 智慧防盜門(mén)系統(tǒng)研究

作為家居智能化的“第一道門(mén)”，除了門(mén)本身材質(zhì)以外，還需要加強(qiáng)其“科技質(zhì)量”。本文主要就智能家居防盜門(mén)系統(tǒng)展開(kāi)深度研究。

1.1 已有的相關(guān)研究

國(guó)內(nèi)對(duì)智能門(mén)鎖硬件及軟件方面的研究已經(jīng)成熟。陳明忠等基于STM32 和云平臺(tái)的智能門(mén)鎖控制系統(tǒng)做出了設(shè)計(jì)。于浩等基于GPRS 的智能門(mén)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)做出了研究，他們認(rèn)為由于GPRS技術(shù)性能穩(wěn)定，覆蓋范圍廣泛，并且不需要重新組建網(wǎng)絡(luò)，利用原有網(wǎng)絡(luò)就能使用，操作簡(jiǎn)單。劉文林等基于GPRS 短信通訊的低功耗智能門(mén)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合各個(gè)模塊高效便捷管理門(mén)鎖系統(tǒng)的同時(shí)大大降低系統(tǒng)運(yùn)行功耗。

國(guó)外對(duì)防盜門(mén)系統(tǒng)的研究主要分為兩大塊。一是對(duì)防盜門(mén)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究，如意大利學(xué)者Sinico就視覺(jué)設(shè)計(jì)因素對(duì)防盜門(mén)感知安全性的影響展開(kāi)了探討，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同防盜門(mén)模型對(duì)感知安全的影響。二是對(duì)防盜門(mén)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)方面的研究，如Poddar 等采用基于圖像處理的人臉識(shí)別的家門(mén)安防系統(tǒng)，系統(tǒng)中的人臉檢測(cè)采用Haar-Cascade 方法，并使用了精度測(cè)試、距離測(cè)試、面部表情測(cè)試、光照條件四種方法進(jìn)行了測(cè)試。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究，滿(mǎn)足了人們對(duì)防盜門(mén)的基本要求以及舒適的智能家居等要求，但仍存在功能單一、防盜性差、智能化程度低等問(wèn)題，因此，開(kāi)展智慧防盜門(mén)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。

1.2 本文研究?jī)?nèi)容

針對(duì)已有的相關(guān)研究所存在的不足，本文將從以下三個(gè)方面展開(kāi)研究。

1.2.1 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能

隨著房屋建筑由以往的小戶(hù)型房轉(zhuǎn)變成當(dāng)今的樓層房，諸如圍墻、鐵柵欄、看門(mén)狗等傳統(tǒng)維護(hù)安全的方式已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)維護(hù)現(xiàn)今家庭的安全，這時(shí)候監(jiān)控設(shè)備便發(fā)揮了作用。目前的監(jiān)控系統(tǒng)大多由前端設(shè)備（即攝像機(jī)、傳感器和相關(guān)輔助設(shè)備）、傳輸設(shè)備、中心設(shè)備（監(jiān)控中心）等設(shè)備組成。實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整可靠的監(jiān)控系統(tǒng)，必須具備以下性質(zhì)：①實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)時(shí)刻監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并發(fā)送相關(guān)信息；②實(shí)用性，從用戶(hù)的角度出發(fā)，系統(tǒng)在滿(mǎn)足其監(jiān)控功能的情況下，還需簡(jiǎn)化操作、降低成本、提高耐用性；③安全性，系統(tǒng)具有安全防范和保密措施，對(duì)于系統(tǒng)信息嚴(yán)格加密，不外泄，對(duì)于非法入侵及時(shí)阻止。

1.2.2 系統(tǒng)的危險(xiǎn)警報(bào)功能

一個(gè)完善的防盜門(mén)系統(tǒng)，危險(xiǎn)警報(bào)功能必不可少。危險(xiǎn)警報(bào)功能類(lèi)似看門(mén)狗，不過(guò)除了在家居遭到入侵時(shí)能夠通過(guò)恐嚇等方式趕走入侵者，還能向用戶(hù)發(fā)送危險(xiǎn)警報(bào)，用戶(hù)收到警報(bào)，能夠及時(shí)排除危險(xiǎn)。警報(bào)功能從兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)，一是對(duì)危險(xiǎn)的感應(yīng)，二是對(duì)發(fā)現(xiàn)的危險(xiǎn)做出反應(yīng)，比如報(bào)警、發(fā)送信息。在這兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)的前提下，還需要保證感應(yīng)的準(zhǔn)確性以及反應(yīng)的及時(shí)性。目前主流的方法是使用感應(yīng)器感應(yīng)相關(guān)危險(xiǎn)。對(duì)感應(yīng)到的危險(xiǎn)做出反應(yīng)則可以通過(guò)即時(shí)通訊向用戶(hù)發(fā)送信號(hào)，具有速度快，信息可達(dá)率高等優(yōu)點(diǎn)。

1.2.3 系統(tǒng)的用戶(hù)管理、個(gè)性化設(shè)置

除了門(mén)自身具備的防盜功能外，還需保證用戶(hù)賬號(hào)的安全性，在使用賬號(hào)開(kāi)門(mén)前，需判斷該賬號(hào)是否為有效賬號(hào)，是否具備開(kāi)門(mén)權(quán)力，對(duì)賬號(hào)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控加密，避免偽賬號(hào)破解等。滿(mǎn)足這些條件后再考慮其個(gè)性化設(shè)置。首先是開(kāi)門(mén)方式，防盜門(mén)系統(tǒng)開(kāi)門(mén)方式多樣，有指紋開(kāi)門(mén)，人臉開(kāi)門(mén)，密碼開(kāi)門(mén)等，授權(quán)用戶(hù)可根據(jù)個(gè)人愛(ài)好自由開(kāi)啟或關(guān)閉。同時(shí)，根據(jù)用戶(hù)與家居的距離還可將開(kāi)門(mén)方式分為遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén)和當(dāng)面開(kāi)門(mén)兩種方法。其次，用戶(hù)賬號(hào)可以是授權(quán)微信或者APP 賬戶(hù)，在手機(jī)端APP 或者微信小程序上操控，目前微信小程序居多。且不同賬號(hào)有不同的角色，不同角色擁有不同的權(quán)限，權(quán)限最高者可授予或刪除其他所有角色的權(quán)限。普通用戶(hù)在授權(quán)后可設(shè)置個(gè)性化語(yǔ)音播報(bào)等。

2 智慧防盜門(mén)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文對(duì)智慧防盜門(mén)系統(tǒng)作如下劃分設(shè)計(jì)：對(duì)于監(jiān)控功能，系統(tǒng)劃分出監(jiān)控系統(tǒng)，保證實(shí)時(shí)監(jiān)控的穩(wěn)定、節(jié)能；對(duì)于危險(xiǎn)警報(bào)功能，系統(tǒng)劃分出安全系統(tǒng)，通過(guò)安全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)及時(shí)通報(bào)并做出響應(yīng)措施；而用戶(hù)管理和自定義設(shè)置，系統(tǒng)劃分出用戶(hù)系統(tǒng)，通過(guò)用戶(hù)系統(tǒng)，用戶(hù)可在后臺(tái)實(shí)現(xiàn)家庭賬號(hào)管理，對(duì)新賬號(hào)授權(quán)，舊帳號(hào)權(quán)限更改等功能，并實(shí)行用戶(hù)個(gè)性化，用戶(hù)可自由添加進(jìn)出門(mén)語(yǔ)音播報(bào)等功能。系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控作為整個(gè)防盜門(mén)系統(tǒng)的核心功能，對(duì)周?chē)h(huán)境監(jiān)測(cè)的速度、準(zhǔn)確度以及對(duì)異常情況做出反應(yīng)的速度要求非常高。當(dāng)有人出現(xiàn)在指定范圍內(nèi)后，人體紅外傳感器立即感應(yīng)到并發(fā)送信號(hào)到樹(shù)莓派端，樹(shù)莓派端打開(kāi)攝像頭拍下鏡頭中的路人，同時(shí)，將正在待機(jī)狀態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng)打開(kāi)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，直至路人離開(kāi)監(jiān)控范圍。另一方面，當(dāng)用戶(hù)端發(fā)起監(jiān)控請(qǐng)求時(shí)，樹(shù)莓派端也會(huì)開(kāi)啟監(jiān)控系統(tǒng)。其它任何時(shí)間監(jiān)控系統(tǒng)都處于待機(jī)狀態(tài)。通過(guò)控制監(jiān)控系統(tǒng)工作時(shí)間不僅僅節(jié)省了電量的使用，還更加智慧化地獲取周?chē)闆r，節(jié)省了系統(tǒng)存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)視頻存放的空間。其功能模塊圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)模塊

2.2 安全系統(tǒng)

針對(duì)實(shí)體鑰匙作為防盜開(kāi)鎖工具存在的安全問(wèn)題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)出在手機(jī)用戶(hù)端通過(guò)已存入數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋、人臉、密碼進(jìn)行解鎖。若出現(xiàn)緊急情況，比如手機(jī)丟失，可立即通過(guò)別的綁定了該系統(tǒng)的手機(jī)對(duì)丟失手機(jī)上的賬號(hào)進(jìn)行注銷(xiāo)。又或者是不會(huì)使用手機(jī)的老人，可由子女通過(guò)遠(yuǎn)程控制進(jìn)行解鎖。

當(dāng)防盜門(mén)受到異常解鎖時(shí)，安全系統(tǒng)會(huì)立即生成報(bào)警信號(hào)，并將信號(hào)發(fā)送至手機(jī)用戶(hù)端，主人根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)做出相應(yīng)措施。當(dāng)門(mén)身受到劇烈打擊時(shí)，系統(tǒng)第一時(shí)間發(fā)出報(bào)警信號(hào)并通知主人。

作為防盜門(mén)第一大重要功能，安全系統(tǒng)很大程度地提高了家居生活的安全性，讓用戶(hù)放心無(wú)憂(yōu)。其功能模塊圖如圖3所示。

圖3 安全系統(tǒng)模塊

2.3 用戶(hù)系統(tǒng)

隨著智能手機(jī)的普及，生活中許許多多事情都需要通過(guò)手機(jī)來(lái)完成。同樣，智慧防盜門(mén)系統(tǒng)也需要通過(guò)手機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

用戶(hù)安裝好智慧防盜門(mén)系統(tǒng)后需要通過(guò)手機(jī)注冊(cè)賬號(hào)并綁定該系統(tǒng)，一個(gè)系統(tǒng)可綁定多個(gè)賬號(hào)。完成注冊(cè)綁定后用戶(hù)便可在賬號(hào)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置以及錄入信息等操作。

另外，用戶(hù)可通過(guò)賬號(hào)接收系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)，比如未鎖門(mén)提醒信號(hào)、報(bào)警信號(hào)等。用戶(hù)也可以通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的監(jiān)控視頻實(shí)時(shí)地觀(guān)察防盜門(mén)周?chē)闆r。除了接收信號(hào)以外，用戶(hù)還可以傳送信號(hào)，對(duì)于家里老人出現(xiàn)在門(mén)外時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)識(shí)別出老人面容并發(fā)送消息給用戶(hù)賬號(hào)，用戶(hù)可向系統(tǒng)發(fā)送遠(yuǎn)程解鎖信號(hào)，而對(duì)于停留在門(mén)外很久的陌生人，用戶(hù)可連接系統(tǒng)進(jìn)行通話(huà)，詢(xún)問(wèn)或警告停留陌生人。

針對(duì)于智慧，用戶(hù)可使用賬號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自定義設(shè)置，可以設(shè)置出入門(mén)語(yǔ)音提示，或者是連接家里其它家居，比如設(shè)置開(kāi)門(mén)后就打開(kāi)電視，出門(mén)就將家里的燈或者其它電器關(guān)閉。而對(duì)于不同賬號(hào)，因?yàn)榻怄i時(shí)使用的“鑰匙”不同，系統(tǒng)將根據(jù)“鑰匙”執(zhí)行相應(yīng)的個(gè)性化指令。

安全系統(tǒng)給用戶(hù)帶來(lái)安全無(wú)憂(yōu)的生活體驗(yàn)，用戶(hù)系統(tǒng)則給用戶(hù)帶來(lái)舒適智慧的生活。

3 智慧防盜門(mén)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

（1）前端：微信小程序；

（2）后端：springboot；

（3）內(nèi)網(wǎng)穿透：natapp；

（4）硬件設(shè)備：樹(shù)莓派。

3.2 mqtt通信實(shí)現(xiàn)消息推送

防盜門(mén)上裝有與樹(shù)莓派相連接的各類(lèi)傳感器，其連接方式如圖4所示。當(dāng)收到傳感器接收的信號(hào)時(shí)，樹(shù)莓派mqtt 客戶(hù)端向mqtt 服務(wù)器發(fā)布消息到相應(yīng)主題，手機(jī)mqtt 客戶(hù)端訂閱該主題后便能接收到消息，用戶(hù)可根據(jù)收到的消息做出回應(yīng)。一般情況下，手機(jī)mqtt 客戶(hù)端與樹(shù)莓派mqtt 客戶(hù)端不在同一局域網(wǎng)下，所以要想實(shí)現(xiàn)手機(jī)mqtt 客戶(hù)端與mqtt 服務(wù)器間的連接（mqtt 服務(wù)器與樹(shù)莓派mqtt 客戶(hù)端處于同一局域網(wǎng)），可以使用natapp 內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)穿透，如圖5所示。

圖4 樹(shù)莓派連接傳感器示意圖

圖5 natapp內(nèi)網(wǎng)穿透

本系統(tǒng)采用EMQ X 作為mqtt 服務(wù)器，其MQTT Over WebSocket 能夠完全兼容使用在微信小程序上。為了使用戶(hù)第一時(shí)間看到消息，微信小程序接入了消息推送服務(wù)，既將微信小程序收到的主題消息推送至用戶(hù)微信賬號(hào)或者以手機(jī)短信的方式發(fā)送信息到用戶(hù)手機(jī)號(hào)。在準(zhǔn)備好mqtt 服務(wù)器、樹(shù)莓派mqtt 客戶(hù)端、手機(jī)mqtt 客戶(hù)端，并能夠保證其相互通信的情況下，便可開(kāi)始實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén)、異常報(bào)警功能。

3.2.1 遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén)實(shí)現(xiàn)

樹(shù)莓派通過(guò)GPIO 引腳連接觸摸傳感器，觸摸傳感器收到高電平信號(hào)，可向mqtt 服務(wù)器touch 主題發(fā)送“訪(fǎng)客通知”消息，用戶(hù)接收到消息后，可使用微信小程序?qū)崟r(shí)監(jiān)控功能查看情況，核實(shí)訪(fǎng)客身份，進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén)。通過(guò)微信中指紋解鎖、人臉解鎖、密碼解鎖其中之一，手機(jī)mqtt 客戶(hù)端向mqtt 服務(wù)器opendoor 主題發(fā)送“開(kāi)門(mén)”消息，樹(shù)莓派mqtt 訂閱主題并接收到消息后控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)。

3.2.2 異常報(bào)警實(shí)現(xiàn)

同樣，樹(shù)莓派通過(guò)GPIO 引腳連接傳感器，其中包括振動(dòng)傳感器、MQ-2 煙霧氣體傳感器、熱釋電人體紅外傳感器。當(dāng)門(mén)身受到劇烈破壞時(shí)，振動(dòng)傳感器發(fā)出高電平信號(hào)，蜂鳴器報(bào)警，樹(shù)莓派mqtt 客戶(hù)端向invade 主題發(fā)送“入侵警告”消息，手機(jī)mqtt 客戶(hù)端訂閱主題并接收到消息后向用戶(hù)微信推送報(bào)警信息。對(duì)于震動(dòng)傳感器感應(yīng)到門(mén)身受到破壞的程度，可通過(guò)設(shè)置能量閾值的方式，如果采集信號(hào)的能量過(guò)小，比如只是有人簡(jiǎn)單地敲了下門(mén)，對(duì)于這類(lèi)能量過(guò)小的閾值信號(hào)直接拋棄掉。一旦能量超過(guò)閾值所設(shè)定的范圍，便立刻報(bào)警。MQ-2煙霧氣體傳感器則用于預(yù)防火焰危險(xiǎn)，當(dāng)周?chē)鸁熿F濃度過(guò)高時(shí)，可發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒用戶(hù)做出相應(yīng)預(yù)防措施。熱釋電人體紅外傳感器則可以通過(guò)輸出電平的方式感應(yīng)到附近是否有人長(zhǎng)時(shí)間逗留，當(dāng)有人經(jīng)過(guò)時(shí)，感應(yīng)器收到感應(yīng)后系統(tǒng)拍下路人樣貌，如果有人長(zhǎng)時(shí)間逗留，則系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)到用戶(hù)手機(jī)。

3.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能使用手機(jī)微信小程序作為圖像輸出端，用戶(hù)可使用已授權(quán)微信登錄家居微信小程序觀(guān)看家門(mén)周?chē)闆r。圖像數(shù)據(jù)通過(guò)樹(shù)莓派安置攝像頭拍攝。為了滿(mǎn)足小程序?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)接收樹(shù)莓派攝像頭拍攝的畫(huà)面，圖像傳輸?shù)募夹g(shù)要采用流媒體形式傳輸，系統(tǒng)采用了Mjpeg 作為視頻流技術(shù)。

小程序要實(shí)現(xiàn)接收視頻畫(huà)面，首先底層通過(guò)攝像頭采集圖片，通過(guò)驅(qū)動(dòng)將數(shù)據(jù)流存儲(chǔ)到j(luò)peg圖庫(kù)，最終通過(guò)一個(gè)HTML網(wǎng)頁(yè)來(lái)不斷刷新接收MJPG-Streamer 程序發(fā)送的圖片來(lái)組成視頻效果。

小程序因?yàn)橹荒芙邮説ttps 方式的請(qǐng)求，而本地訪(fǎng)問(wèn)的方式只能是http 請(qǐng)求接收視頻圖片，所以需要開(kāi)啟內(nèi)網(wǎng)穿透功能，讓外界能通過(guò)https 方式接收MJPG-Streamer 程序發(fā)送圖片，本系統(tǒng)用到的內(nèi)外穿透工具為Natapp。首先在網(wǎng)上申請(qǐng)一條natapp 隧道，然后綁定自己的https 域名，并在樹(shù)莓派新建一個(gè)配置文件輸入隧道的authtoken 保存后開(kāi)啟natapp 程序。

4 結(jié)語(yǔ)

論文系統(tǒng)地闡述了基于樹(shù)莓派與微信小程序開(kāi)發(fā)的智能防盜門(mén)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。當(dāng)前，人們對(duì)生活智能化的需求越來(lái)越高。論文針對(duì)已有的相關(guān)研究所存在的不足加以改進(jìn)，通過(guò)不斷的實(shí)踐與測(cè)試研究探析并設(shè)計(jì)出了一款滿(mǎn)足人們對(duì)安全、智能化需求的智能防盜門(mén)系統(tǒng)。