基于物聯(lián)網(wǎng)的安全家居管理系統(tǒng)開發(fā)

姜強(qiáng)強(qiáng)+陳夢(mèng)楠

摘 要：在樹莓派開發(fā)板安裝Windows loT，利用微軟認(rèn)知服務(wù)的人臉識(shí)別技術(shù)、Windows 10通用應(yīng)用開發(fā)技術(shù)以及Microsoft Azure云服務(wù)平臺(tái)構(gòu)建安全家居管理系統(tǒng)。主要功能有：回家刷臉進(jìn)門；阻擋嫌疑訪客并拍照記錄；監(jiān)控家中火源，獲取家中溫濕度；遠(yuǎn)程控制門鎖開關(guān)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；樹莓派；微軟人臉識(shí)別API；Azure云服務(wù)；Windows 10

引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被看作是信息領(lǐng)域一次重大的發(fā)展和變革機(jī)遇，從通信對(duì)象和過程來看，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心是物與物以及人與物之間的信息交互，可實(shí)現(xiàn)信息獲取、信息傳輸、信息處理等功能。[1]使用微軟最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)+C/S結(jié)構(gòu)+云服務(wù)模式實(shí)現(xiàn)當(dāng)前用戶的需求，整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)清晰且易于后期的維護(hù)與升級(jí)。

1 硬件技術(shù)平臺(tái)、軟件開發(fā)平臺(tái)

1.1 樹莓派

樹莓派（英語：Raspberry Pi）是英國(guó)的樹莓派基金會(huì)開發(fā)的微型計(jì)算機(jī)，因?yàn)樗阋说膬r(jià)格，信用卡般的大小和強(qiáng)大的性能，迅速被推向市場(chǎng)，在其基礎(chǔ)上搭建了各種平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)特定的需求?；跇漭伤远x的安全家居系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)功能，加上傳感器、攝像頭等部件便可進(jìn)行識(shí)別、監(jiān)測(cè)室內(nèi)狀況。[2]

1.2 開發(fā)平臺(tái)——Windows10

Windows10是一款支持PC、平板、手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)硬件等跨設(shè)備的操作系統(tǒng)。Windows10通用應(yīng)用程序原生支持X86架構(gòu)和ARM架構(gòu)，此平臺(tái)支持基于云的服務(wù)——通知服務(wù)、漫游數(shù)據(jù)、Azure等。[3]Windows10支持多種開發(fā)語言，本系統(tǒng)中的程序主要采用C#語言編寫。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與架構(gòu)

2.1 設(shè)計(jì)思路

采用運(yùn)行Windows10 IoT core的樹莓派2代作為中控主機(jī)；使用Microsoft Azure作為云服務(wù)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，同時(shí)也作為樹莓派與客戶端的通信平臺(tái)；運(yùn)行于跨設(shè)備的UWP（Universal Windows Platform）應(yīng)用作為客戶端。

2.2 Azure云服務(wù)平臺(tái)——服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、人臉識(shí)別API

Azure服務(wù)器端的程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的增刪改查，Azure端同時(shí)存在一個(gè)照片庫即人臉信息表（Face List）將用戶上傳的照片使用API處理成Face List，當(dāng)程序調(diào)用人臉對(duì)比API時(shí)，將樹莓派端傳來的照片作為參數(shù)傳入，與Face List進(jìn)行匹配，得出結(jié)果并根據(jù)識(shí)別結(jié)果創(chuàng)建相應(yīng)通知消息并推送至客戶端；在Azure的數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建用戶表、通知表、溫濕度狀態(tài)表、陌生人表等主要信息表。

2.3 樹莓派配置

硬件配置：攝像頭、溫濕度傳感器、紅外傳感器、擴(kuò)音器、電鎖。

軟件配置：初始化設(shè)備程序——獲取GPIO控制器，將所有接入設(shè)備的引腳的初始電壓置為高（GpioPinValue.High）；溫濕度傳感器程序——設(shè)置Timer計(jì)時(shí)器事件[4]，每隔3分鐘觸發(fā)，為溫濕度傳感器傳入低電壓進(jìn)行工作（默認(rèn)不工作的狀態(tài)是高電壓），記錄當(dāng)前的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)至Azure數(shù)據(jù)庫，若溫度過高（疑似有起火狀況），則創(chuàng)建消息通知從服務(wù)器發(fā)送至客戶端；紅外傳感器程序——當(dāng)有人靠近時(shí)，觸發(fā)相應(yīng)的事件處理程序并調(diào)用攝像頭；攝像頭工作處理程序——將攝像頭拍攝的照片序列化成流作為請(qǐng)求體，發(fā)送Post請(qǐng)求至服務(wù)器。

2.4 客戶端——UWP應(yīng)用

注冊(cè)用戶：根據(jù)用戶填寫的信息，以及選擇的照片將用戶信息存入創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫，照片序列化成流存入Azure用于人臉識(shí)別的圖片庫中（Face List）。

查看溫濕度：樹莓派測(cè)得的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，再將數(shù)據(jù)讀出查出顯示到當(dāng)前頁面。

查看陌生人列表：非家庭成員多次訪問失敗，將自動(dòng)拍照保存至數(shù)據(jù)庫，采用ListView列表控件來顯示，創(chuàng)建相應(yīng)模型，將從數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)處理成此模型的List集合綁定于ListView控件。[5]

遠(yuǎn)程開關(guān)：客戶端開關(guān)按鈕事件向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)器處理程序?qū)⒂|發(fā)樹莓派中的門鎖開發(fā)處理事件，實(shí)現(xiàn)門鎖的開與關(guān)。

3 技術(shù)分析

3.1 人臉識(shí)別API使用

3.2 推送通知

開發(fā)者首先將通知消息內(nèi)容發(fā)送到微軟的云服務(wù)器上（推送服務(wù)器），由推送服務(wù)器將消息發(fā)送到用戶設(shè)備上。推送服務(wù)器通過為每個(gè)應(yīng)用程序分配一個(gè)唯一的URI來確定將通知轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)用戶。每個(gè)客戶端運(yùn)行后需要向推送服務(wù)器申請(qǐng)一個(gè)URI，將要推送通知的內(nèi)容（XML格式的文檔）以HTTP Post方式發(fā)送到該通道的URI即可。在向服務(wù)器提交的字段中包含應(yīng)用在應(yīng)用商店的SID值和客戶端密鑰，提交方式為Post。[8]

4 功能模塊及展示

4.1 功能模塊

訪客控制：在HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊探測(cè)到人體后，樹莓派會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)攝像頭捕獲人臉，獲取到清晰人臉后，將圖像以Post消息體的方式發(fā)送給位于Azure上的Face Recognition API，將圖像處理并返回每個(gè)人臉唯一對(duì)應(yīng)的FaceId，并返回給系統(tǒng)，系統(tǒng)將此FaceId與數(shù)據(jù)庫中的FaceId進(jìn)行比對(duì)返回此人的相應(yīng)權(quán)限。如果系統(tǒng)判定此人有權(quán)進(jìn)入，將會(huì)發(fā)送通知至PC/手機(jī)客戶端。若有人多次識(shí)別失敗，客戶端也會(huì)收到相應(yīng)的警告，并將此人照片存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫供用戶查看陌生人。

溫濕度監(jiān)測(cè)：通過DHT11溫濕度模塊每5分鐘獲取樹莓派所處環(huán)境的溫度和濕度，并發(fā)送至Azure中，系統(tǒng)將簡(jiǎn)單分析并自行存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫中。用戶可以從客戶端獲取溫濕度數(shù)據(jù)。

安全分析：通過火焰?zhèn)鞲衅髂K監(jiān)視的火警狀況；訪客控制給出的可疑訪客等形成的數(shù)據(jù)，形成圖表化的安全簡(jiǎn)報(bào)。

遠(yuǎn)程開關(guān)控制：通過HTTP請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)門鎖開關(guān)控制，以方便臨時(shí)訪客的進(jìn)入。

4.2 項(xiàng)目展示（見圖2、圖3）

5 結(jié)束語

安全家居產(chǎn)業(yè)受到許多廠商的青睞，在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中安全家居智能產(chǎn)品將不斷完善。接下來可開發(fā)的功能有：對(duì)接微信平臺(tái)，用戶可以通過微信收到推送消息實(shí)時(shí)獲得家中的情況；加入聲紋識(shí)別等技術(shù)，進(jìn)一步提升安全可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]孫其博，劉杰，黎 ，等.物聯(lián)網(wǎng)：概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（3）：1-3.

[2]劉繼元.基于樹莓派的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[J].電子世界，2016（8）：1-2.

[3]林政.深入淺出Windows10通用應(yīng)用開發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2016：3-12.

[4]Microsoft.Windows開發(fā)人員中心[EB/OL].（2016）[2015-12-23].https：//developer.microsoft.com/en-us/windows/iot/samples/kitblinky.

[5]耿肇英，周真真，耿焱.C#應(yīng)用程序設(shè)計(jì)教程（第2版）[M].北京：人民郵電出版社，2010：70-71.

[6]Microsoft.Cognitive Service[EB/OL].（2016）[2016-03-30].

[7]Microsoft.Cognitive Service[EB/OL].（2016）[2016-03-30].

[8]周家安.Windows10應(yīng)用開發(fā)實(shí)戰(zhàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015：343-350.