基于樹莓派的遠(yuǎn)程智能門控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王宏

文章編號(hào)： 2095-2163（2018）03-0079-05中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

摘要： 關(guān)鍵詞： remote intelligent gating system based on Raspberry Pi

（School of Computer， Xi'an Shiyou University， Xi'an 710065， China）

Abstract： Compared with the traditional mechanical lock control， intelligent lock control has the features such as the electronic control modes and diverse unlocking methods， which have been applied in some occasions. But because of high product prices， it has encountered greater resistance in the home market. As a cheap solution to intelligent gating， this paper designs and implements a remote intelligent gating system based on open source hardware （Raspberry Pi）. The idea is to set up an embedded gated server on Raspberry Pi， integrate camera and ultrasonic sensors to achieve the front door monitoring， remote lock control， lock control management and other functions. After that， with the help of QR code technology， a smart key based on the mobile terminal is achieved . The system is highly integrated and has both front and remote lock control capabilities. The fruits is a feature-rich and powerful upgrade of intelligent gating.

Key words：

基金項(xiàng)目： 作者簡(jiǎn)介：

收稿日期： 引言

隨著對(duì)家居安全性的重視，現(xiàn)代門鎖也在融入電子技術(shù)后進(jìn)入了智能化時(shí)代，為人們的家居生活提供了更安全、便捷、功能日趨豐富的用戶體驗(yàn)。阻礙智能化門鎖應(yīng)用于普通家庭的主要原因是產(chǎn)品價(jià)格高昂，因此本文以住宅門戶作為應(yīng)用對(duì)象，在廉價(jià)開源的樹莓派開發(fā)板基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種融合視頻監(jiān)控、超聲波測(cè)距、網(wǎng)絡(luò)遙控和二維碼技術(shù)的遠(yuǎn)程智能門控系統(tǒng)。

1門控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1應(yīng)用場(chǎng)景

遠(yuǎn)程智能門控系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示。

從圖1可以看出，門控裝置安裝在住宅入戶門內(nèi)，其攝像頭和超聲波傳感器固定在入戶門外側(cè)，系統(tǒng)將依托住宅內(nèi)WiFi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和后臺(tái)管理。另外，用戶在門前可以手機(jī)展示二維碼的方式實(shí)現(xiàn)開門功能。

1.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

樹莓派是一款開源的基于ARM的卡片式電腦主板，門控系統(tǒng)以樹莓派為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，共分5個(gè)模塊，對(duì)其闡釋如下：

（1）近距拍照記錄。通過(guò)超聲波檢測(cè)門外人員與入戶門距離，并在一定條件下開啟拍照模式，再將照片保存至系統(tǒng)。

（2）遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。對(duì)門前區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。

（3）遠(yuǎn)程協(xié)助門控。訪客通過(guò)觸發(fā)開關(guān)發(fā)送開門請(qǐng)求，戶主可通過(guò)遠(yuǎn)程視頻在確認(rèn)安全情況下允許為訪客開門。

（4）智能門鑰。一個(gè)運(yùn)行于Android上的移動(dòng)應(yīng)用，可通過(guò)展示門鑰二維碼來(lái)指令開門。

（5）系統(tǒng)管理。用戶可通過(guò)住宅內(nèi)WiFi網(wǎng)絡(luò)以Web方式對(duì)門控系統(tǒng)進(jìn)行后臺(tái)管理、參數(shù)設(shè)置及生成智能門鑰（APK：Android安裝包）。

1.3硬件方案和技術(shù)路線

系統(tǒng)硬件除樹莓派B+板外，還包括HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器、USB高清攝像頭、32 GB的SD卡、USB無(wú)線網(wǎng)卡、繼電器和觸發(fā)開關(guān)各一個(gè)。各部件連接即如圖2所示。

本方案選用的樹莓派B+板具有4個(gè)USB接口、1個(gè)HDMI 接口以及附帶40個(gè)引腳的GPIO接口。

本方案中，將HC-SR04超聲波傳感器的5 V供電、TRIGGER、ECHO和GROUND接地4個(gè)引腳分別與樹莓派的2、16、18和6號(hào)引腳連起來(lái)；選用的USB攝像頭價(jià)格低廉，300萬(wàn)像素，即能與已有配置配合實(shí)現(xiàn)近距拍照，也能滿足遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控和二維碼識(shí)別的要求。

本方案中，還需要在樹莓派的SD卡槽插入一個(gè)32 G的SD存儲(chǔ)卡，用來(lái)安裝操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

選用的USB無(wú)線網(wǎng)卡傳輸速率150 Mpbs，覆蓋范圍≥50 m，兼容性好，能滿足與WiFi網(wǎng)絡(luò)連接的需要（最新的樹莓派3上已集成了無(wú)線網(wǎng)卡，無(wú)需再配）。

繼電器用來(lái)模擬開門動(dòng)作。在本方案中，將繼電器的GND 引腳、輸入引腳分別與樹莓派的GND 引腳和19號(hào)引腳連接起來(lái)，控制繼電器的開閉。

觸發(fā)開關(guān)裝在入戶門外，用于發(fā)出遠(yuǎn)程協(xié)助請(qǐng)求。

B+板可以搭載Raspbian、Debian、NOOBS等Linux類操作系統(tǒng)，在其上可安裝Apache、Nginx等作為嵌入式服務(wù)器來(lái)支持通過(guò)Web方式對(duì)門控系統(tǒng)進(jìn)行訪問(wèn)。

Raspbian不僅占用SD卡空間少，而且內(nèi)置了較完整的Python開發(fā)環(huán)境，還包含了很多樹莓派相關(guān)的功能庫(kù)，即方便實(shí)現(xiàn)樹莓派硬件與嵌入式Web服務(wù)器（Apache）的深度集成，又可以簡(jiǎn)化開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期。因此選用Raspbian作為樹莓派的操作系統(tǒng)。

另外，智能門鑰是基于流行的QR碼研發(fā)創(chuàng)建，采用開源的ZXing和ZBar來(lái)設(shè)計(jì)推出生成和識(shí)讀功能。其中，ZXing是一套得到廣泛應(yīng)用的開源條形碼工具軟件包（包括QR碼），ZBar則是一款Linux下的開源二維碼工具，可識(shí)讀QR碼，在樹莓派Raspbian系統(tǒng)中配置使用簡(jiǎn)單，將其引入到智能門鑰識(shí)別過(guò)程中，可有效降低智能門鑰的開發(fā)難度。

2功能模塊實(shí)現(xiàn)

2.1近距拍照記錄

在系統(tǒng)設(shè)定的門前近距范圍內(nèi)，當(dāng)超聲波傳感器連續(xù)N次測(cè)距、且均發(fā)現(xiàn)有人或物體存在時(shí)，近距拍照記錄功能將會(huì)啟動(dòng)并將所拍照片存到門控裝置中供用戶查詢?cè)L問(wèn)。

超聲波測(cè)距是通過(guò)對(duì)發(fā)射的超聲波進(jìn)行反射回波計(jì)時(shí)來(lái)推導(dǎo)求得的，距離計(jì)算公式為：d=17150×（t2-t1）（1）其中，t1為超聲波發(fā)射時(shí)間；t2為回波收到時(shí)間；d為發(fā)射點(diǎn)到物體的距離，單位為cm。

在硬件上雖然已將超聲波測(cè)距傳感器的4個(gè)引腳與樹莓派GPIO的4個(gè)引腳連接起來(lái)，但超聲波傳感器此時(shí)還不能工作，還需要在樹莓派上編寫軟件來(lái)驅(qū)動(dòng)傳感器發(fā)射超聲波、接收回波時(shí)間將按照公式（1）來(lái)計(jì)算距離，這需要首先利用軟件設(shè)置GPIO的BCM模式。

在GPIO的BCM模式下，TRIGGER（觸發(fā)）引腳就是樹莓派的輸出引腳（GPIO23），也是傳感器的輸入引腳；ECHO（回波）引腳則是樹莓派的輸入引腳（GPIO24）。通過(guò)觸發(fā)引腳發(fā)送超聲波脈沖后，回波引腳會(huì)從傳感器收到響應(yīng)，從而取得回波時(shí)間。關(guān)鍵代碼如下：