基于物联网的家庭智能门禁系统的设计

D O I :10.3969/j.i s s n .1001-5337.2019.3.076 *收稿日期:2019-03-07基金项目:国家自然科学基金(61572224);安徽省教育厅质量工程(2017j y x m 0219;2018k f k 137);淮北师范大学质量工程(j y 2017119;2018jd x m 02).作者简介:胡锋,男,1995-,硕士研究生;研究方向:嵌入式控制;E -m a i l :994486525@q q.c o m.通信作者:李峥,男,1980-,硕士,副教授;研究方向:嵌入式控制;E -m a i l :l i z h e n g19800214@126.c o m.基于物联网的家庭智能门禁系统的设计*胡 锋, 李 峥, 石传寿, 程克杰(淮北师范大学物理与电子信息学院,235000,安徽省淮北市)摘要:为了实现住户对家庭门禁的智能化管理,设计了一种基于物联网的家庭智能门禁系统.该设计选用S TM 32F 103R C T 6单片机作为主控模块,由W I F I 无线网络㊁云平台和手机A P P 实现远程控制,通过W I F I 模块将O p e n MV 3摄像头的数据发送到云平台,智能手机作为无线控制的终端,通过手机A P P 与云平台建立通信调取云端数据,住户能够实时监控门外信息.该系统具备远程信息监控能力,可实现远程控制门锁工作,在实际测试和控制过程中工作稳定,具备智能㊁安全㊁便捷等诸多方面的优势.关键词:智能门禁系统;摄像头;单片机;云平台;A P P中图分类号:T P 274.2 文献标识码:A 文章编号:1001-5337(2019)03-0076-060 引 言21世纪,智能家居作为物联网时代的代表性项目,带给人们更加智能的生活方式[1]. 万物皆可通过网络互联 的理念,正在不断促进全世界很多国家的研发团队针对智能家居项目进行深入研究[2].我国在2006年也表示要大力发展物联网,近而加快国内物联网产业化进程.目前我国的智能家居不断地向智能化方向转变,智能化的服务也应用于各种真实的生活情景之中.智能门禁作为智能家居系统基础的设计部分同时也是最重要的组成部分,其发展对于智能家居整体的升级具有重要的作用.因此,本文研究并设计了一种基于物联网的家庭智能门禁系统,该系统利用传感技术和无线传输技术,以微处理器为核心,云平台为媒介,进行智能门锁A P P 设计,实现了住户对家庭门禁的智能化管理.1 系统整体概述本文设计的家庭智能门禁系统采用W I F I 作为无线网络通信,实现各个模块间的无线通信传输.通过热释电传感器㊁振动传感器以及摄像头实现门外环境的感知与监测.当热释电传感器感应到门外人体后,会根据门外人员停留时间的长短进行判断,一旦超过设置的正常时间则立刻发送开启指令给摄像头.O pe n MV 3上自带的M C U 1收到指令后开启摄像头.摄像头通电后将监控门外动态,并将视频数据发送至云平台储存.当门上的振动模块产生振动感应时,手机A P P 会实时接收到门禁振动的提醒消息.本系统为住户提供了可视化的信息控制与管理,设计了一款配套的家庭智能门禁系统的A P P 软件.住户可以在手机上实时监控自己家庭门禁的状态,远程一键开锁.本设计的系统整体框图如图1所示.图1 系统整体框图第45卷 第3期2019年7月 曲阜师范大学学报J o u r n a l o f Q u f u N o r m a l U n i v e r s i t yV o l .45 N o .3J u l y 20192系统的硬件设计2.1主控模块主控模块是整个家庭智能门禁系统的核心,起着至关重要的作用.其功能主要是与其他功能模块建立通信连接,指挥和控制各个功能模块的信息集中㊁存储㊁分析和决策,从而精准控制模块间的正常工作.在硬件选择过程中将系统所需的主控芯片定为S T M32F103R C T6考虑到两个方面:其一是因为S T M32F103R C T6单片机与12系列和51系列单片机相比而言,优势突出.它具有较高的稳定性,运算速度和处理能力远远超过其他单片机,时钟可以达到72M,R AM和R OM的空间更大,使用时可以充分利用其硬件资源;其二是由于S T M32F103R C T6的集成度非常高,存储器为256K的闪存,可外接许多外设,在使用过程中表现出功耗低,稳定性高等优点[3].通过该芯片的很多特性发现此芯片非常适合做家庭智能门禁的主控模块.2.2传感器模块本设计使用的传感器主要有人体热释电传感器㊁振动传感器以及O p e n MV3摄像头.其中人体热释电传感器主要是探测门外是否有人体通过.振动传感器有两个方面的用途,一方面访客敲门时便于提醒住户有人来访,另一方面用于防盗,在不法分子撬锁时会引发振动提醒住户关注家中门锁安全. O p e n MV3摄像头主要是采集门外的视频信息.2.2.1人体热释电传感器人体热释电传感器主要由滤光片㊁热释电探测元和前置放大器3部分组成,其中热释电传感器的核心元件是热释电探测元.工作过程中一旦检测到人体释放的红外光,探头便将其接收采集,随后把接收到的光信号转变成电信号,光电转换结束后就将电信号送入电子电路中用于驱动负载进行工作,最后接收到信号后则需要进行信号的转换与处理.信号转换主要分为3个阶段:第1阶段是热转换,第2阶段是热电转换,第3阶段是电转换.其转换过程如图2所示.图2热释电传感器的信号转换过程图3热释电传感器的感应范围示意图人体热释电传感器在测试过程中可以通过延时调节控制反应时间长短,并且可以对灵敏度进行设置控制信号触发,人体热释电传感器调节过后具备全自动感应功能[4].当人体进入热释电传感器所在的覆盖检测范围内时,由于人自身的温度与周围环境的温度是不同的,人体会释放特殊波段的红外光信号,传感器接收信号则输出高电平,一旦人离开感应范围,则输出低电平.本文针对家庭门禁的实际情况对感应范围做了如下设计.在门上方的热释电传感器周围安装上亚克力板,利用亚克力板的遮光性,改变热释电传感器的检测角度,调节旋钮改变其感应距离,找到合适的感应范围.热释电传感器的感应范围示意图如图3所示.2.2.2振动传感器本设计中振动传感器采用的是压电陶瓷传感器,其电路原理图如下页图4所示.选择压电陶瓷传感器主要是因为其压电系数大㊁灵敏度很高并且可调节.压电陶瓷传感器是利用压电材料的压电效应进行工作的,其内部的电介质受到一定方向外力作用的过程中就会产生机械变形从而就会导致极化现象的产生.随后就会在它的其中一个表面产生正电荷,另一个表面产生负电荷,将外力撤去以后,电荷消失变成不带电状态[5].利用这种原理,当振动传感77第3期胡锋,等:基于物联网的家庭智能门禁系统的设计器工作后,只要有人用力敲门或者撬门时,就可以起到提醒住户以及防盗的作用.本设计采用的是模拟信号输出的方式,当振动强度越大,则输出电压越高,振动幅度灵敏度可通过电位器调节.图4振动传感器原理图2.2.3摄像头本设计中的摄像头模块使用的是O p e n MV3和A TW I N C1500W I F I扩展板[6].其中摄像头负责采集信息,W I F I拓展板负责信息的传输,O p e n MV3与W I F I拓展板连接原理图如图5所示.O p e n MV3采用S T M32F765V I T6处理器,主频216MH z,512 K BR AM,F l a s h是2M B,所有的I/O引脚输出3.3V并且5V耐受,其中一个S P I总线高达54 M b p s速度.O p e n MV3通过高级语言P y t h o n编写,其高级数据结构可以在机器视觉算法中处理复杂的输出,也可以很容易的使用外部终端触发拍摄或者执行算法,并用算法的结果用来控制I O引脚.O p e n MV3可以在M C U上很好的快速运行,同时具有操作简单㊁功耗小㊁性价比高等特点,在机器视觉(M a c h i n e V i s i o n)方面也具有很好的应用.图5 O p e n MV3与W i F i扩展板连接原理图2.3门锁模块本设计选用的门锁模块为全金属直流无刷电机[7].这是一种高性能的电动机,比普通的步进电机拥有更快的转速,具有控制能力强,运行可靠等优点.步进电机是靠单相脉冲电压直接驱动,而直流无刷电机控制转动的方式是通过霍尔元件定位提供的交变电源实现的.直流无刷电机由定子和转子组成的电动机主体和驱动器组成,除了几部分以外,在电机内部还安装位置传感器,其作用是用来检测转子的极性,它和控制电路以及功率逻辑开关一起组成的换相装置来取代传统的直流电动机的碳刷机械换相装置[8].在本设计中主控模块发出控制信号给直流无刷电机,电机接收控制指令后按照给定的方向角度旋转,从而实现门锁的开关动作.2.4 W I F I模块在家庭智能门禁系统中手机A P P㊁摄像头与S T M32之间的通信主要都是通过W I F I模块建立通讯连接的.W I F I模块选择A T K-E S P8266,这是A L I E N T E K设计的一款高性能U A R T-W I F I模块,拥有F C C C E认证[9].在设计过程中将E S P8266模块通过路由器连接到互联网,利用W I F I模块将下位机部分的信息发送至云平台,住户通过A n-d r o i d端的手机A P P连接互联网就可以实现对家庭门禁的远程控制.E S P8266与单片机系统兼容,可以通过A T指令来控制,在使用过程中有3种模式可供选择,用户可根据需要选择不同模式.第1种模式是A P模式,作为热点被其他设备连接;第2种模式是S T A模式,E S P8266模块通过路由器连接互联87曲阜师范大学学报(自然科学版)2019年网;第3种模式是A P+S T A,它是前面2种模式的共存模式,既可以连接到其他无线网络也可以作为热点供其他无线设备连接[10].本设计主要是利用了E S P8266的S T A模式,实现了各部分间的数据传输.2.5显示模块选用0.96寸O L E D显示屏[11]作为显示模块,其电路原理图如图6所示.在本设计中当家庭住户确认来访者身份安全,远程确认开门后则O L E D显示屏显示主人允许进入的信息,当住户不同意访客进入时,O L E D显示屏则显示禁止进入的信息. 3系统的软件设计系统的软件设计主要包括下位机程序设计㊁摄像头控制程序设计以及手机A P P的设计.以下给出了各个部分的设计说明和流程图,如图6所示.3.1下位机程序设计本设计的下位机部分是用C语言编写的,其流程图如图6所示.C语言简洁灵活,逻辑性强,便于移植,在门禁系统的程序设计中,程序代码高效执行,S T M32单片机可以快速处理数据同时发送相应指令操作摄像头模块㊁门锁以及显示模块.3.2摄像头控制程序设计摄像头部分的程序用的是P y t h o n语言,P y-t h o n是一种面向对象的解释性语言[12].当摄像头接收指令后便开始启动摄像头,获取相应的设备信息和图像信息,初始化窗口㊁颜色模式㊁帧状态等,随后进行流媒体图像的传输,将视频流传输至云平台,摄像头控制程序设计流程图如图7所示.在本设计中可以轻松的使用P y t h o n编程写出清晰易懂的程序,实现摄像头传输视频的功能,从而达到远程监控家庭门禁的作用.图6下位机程序设计流程图图7摄像头控制程序设计流程图3.3 A P P设计本文设计了一款与家庭智能门禁系统配套的家庭智能门锁A P P[13].这个A P P软件是基于A n d r o i d 开发,采用J a v a语言编写应用程序.家庭智能门禁系统包括A n d r o i d的A P P客户端控制系统设计,主要包括用户界面U I㊁S o c k e t通信㊁S Q L i t e数据库的设计这几部分[14].作为设计者对于A P P应当考虑的更加全面,一个好的A P P应当遵循简单㊁安全㊁高效等原则,应该有规范和通用的设计框架.本文所设计的A P P框架搭建主要的思想还是分层思想,其设计框图如下页图8所示.作为一款家庭智能门禁A P P,不仅仅只是起到一把电子钥匙的作用,而更重要的是可以保障用户的家庭财产,因此其安全性也是用户特别关注的.在设计过程中会通过对软件权限的设置和收发数据的加密操作,保证这款A P P没有泄密权限和非法访问的情况,同时不会捆绑其他软件,绿色安全.97第3期胡锋,等:基于物联网的家庭智能门禁系统的设计图8 A P P框架搭建设计框图4云平台云平台是家庭智能门禁系统的核心模块[15-16],在本设计中选择阿里云作为云平台,这是一款公共㊁开发的云计算服务平台,包含了云数据存储,云操作系统以及云计算服务.本设计以阿里云物联网平台为载体,实时采集和接收数据信息,利用阿里云性能强大的I o T H u b,使得手机A P P与云端可以稳定的㊁低延时进行双向通信.采用阿里云的另一个原因是考虑到本系统运行过程中实时信息较多,接收的数据量较大,系统数据安全和运行环境安全至关重要[17].阿里云具备多重的防护能力可以时刻保障设备的云端安全,稳定可靠的数据存储能力方便智能门锁A P P的数据存储和实时访问.只需通过规则引擎在w e b上配置规则即可实现数据采集+数据计算+数据存储等全栈服务,灵活快速的构建家庭智能门禁系统.通过设置规则引擎可以将设备上送的消息数据通过配置转发规则将处理后的数据转发用于下一步操作[18].5系统的调试(1)首先在智能门锁A P P上完成新用户的注册,使用注册过的账号和设置的密码登录智能门锁A P P,登录界面如图9所示.这种登录界面十分人性化,也被大部分用户所接受.用户在登录时可以选择记住密码以及自动登录2种方式,下次登录就比较方便快捷.当住户遗忘密码时可以点击忘记密码按键,通过自己的手机号和验证码按照相应指示操作就可以找回登录密码.(2)登入家庭智能门锁A P P,其操作界面如图10所示,在手机上就可以实现远程一键开锁操作和打开摄像头,当有客人来访,手机A P P会发出提醒信息,住户可以通过远程摄像头查看家门口的情况,如图11所示.通过摄像头确认访客身份安全后就可以点击一键开锁实现远程开启门锁.图9 A P P登录界面图10 A P P操作界面(3)A P P远程一键开锁,通过阿里云平台将指令发送给M C U,主控模块接收指令后则控制门锁开启,同时O L E D显示屏显示 主人已同意,欢迎光临 的提示信息,当不同意开启门锁,O L E D显示屏显示 主人未许可,禁止进入 的警告消息.通过多次测试,结果表明该设计通过手机A P P 就可以实现远程查看摄像头和控制开启门锁的功能,整个系统正常运行.图11摄像头远程监控视频6结束语本文设计并实现了一种基于物联网的家庭智能门禁系统.该门禁系统利用热释电传感器的人体感应㊁振动传感器的振动感应和摄像头图像采集信息08曲阜师范大学学报(自然科学版)2019年等功能,以S T M 32单片机为主控芯片,云平台实现存储,通过手机A P P 进行远程控制,实现了远程数据采集和门禁控制一体化.经过实际测试证明:系统工作高效稳定,能够及时接收客人到访信息,随时随地视频监控,并且可以远程一键开锁,有效地推动家庭门禁智能化发展,同时为家庭智能门禁系统进一步的构建提供参考,值得进一步研究.参考文献:[1]崔碧月,李金阳,赵毅巍,等.智能衣柜的创新与设计[J ].科技创新与应用,2018(24):43-44.[2]王灿.基于云平台的物联网远程监控系统研究[D ].华中科技大学,2015.[3]孙志勇,龚琼,苏大明,等.基于S TM 32的多参数手环的系统设计[J ].科技视界,2016(27):444-445.[4]蒙建源,胡玲艳.人体感应智能风扇的模型设计与测试[J ].电子测试,2017(01):15+17.[5]秦婧文.基于压电陶瓷传感器的震动防盗报警电路的应用[J ].科技经济导刊,2016(19):60.[6]宋李波.嵌入式手持智能导航终端摄像头模块设计与实现[D ].华中科技大学,2011.[7]夏长亮,无刷直流电机控制系统[M ].科学出版社,2009.[8]阳涛.直流无刷电机智能控制系统的研究与实现[D ].湖南大学,2011.[9]李润宁,杨建豪,光金正,等.基于S TM 32的智能家居控制系统[J ].智能计算机与应用,2017,7(02):131-133+136.[10]王子赢.面向无线传感网络的通信网关研究与设计[D ].大连理工大学,2017.[11]焦石,王琛,胡泽原,等.基于S TM 32的O L E D 显示屏驱动设计[J ].电子世界,2018(12):127-128.[12]凌昱.集中运维管理系统的设计与实现[D ].电子科技大学,2011.[13]D i n g W e n x 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e I n t e l l i g e n tA c c e s sC o n t r o l S y s t e mB a s e do n I n t e r n e t o fT h i n gs HU F e n g , L IZ h e n g , S H IC h u a n s h o u , C H E N G K e ji e (S c h o o l o f P h y s i c s a n dE l e c t r i c I n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y ,H u a i b e iN o r m a lU n i v e r s i t y,235000,H u a i B e i ,A n H u i ,P R C )A b s t r a c t :T o r e a l i z e t h e i n t e l l i g e n tm a n a g e m e n t o f h o u s e h o l d a c c e s s c o n t r o l ,a f a m i l y i n t e l l i ge n t a c c e s s c o n t r o l s y s t e mi s d e s i g n e db a s e do n I n t e r n e t o fT h i n g s .T h eS T M 32F 103R C T 6s i n g l e c h i p m i c r o c o m pu t e r i s s e l e c t e d a s t h em a i nc o n t r o lm o d u l e i nt h i sd e s i g n .T h i ss y s t e mi sm a i n l y c o n t r o l l e dr e m o t e l y t h r o u gh W I F Im o d u l e ,c l o u d p l a t f o r ma n dA P P .T h ed a t ao f t h eO pe n MV 3c a m e r a a r e s e n t t o t h e c l o u d p l a tf o 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