智慧防盜門系統研究與設計

曹阿成，謝桂芳，江金麗

（湘南學院計算機與人工智能學院，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，人們對生活質量要求日益提高，而與生活息息相關的防盜門還無法滿足人們對安全、智能、便捷等方面的需求。目前市面上大多數防盜門仍然存在功能單一、防盜水平低、智能化程度低等問題。據公安部門統計，在很多大城市，高達50%的入室盜竊案是由不法分子采用技術性開啟房門，從而進行犯罪活動，而超過20%是采用暴力破壞，這些不法分子作案有一個共同特點：都是針對鎖，實施破壞。鎖被打開了，門也就自然開了。

因此，研發出一款安全、智慧的防盜門系統已成為時代所需。

1 智慧防盜門系統研究

作為家居智能化的“第一道門”，除了門本身材質以外，還需要加強其“科技質量”。本文主要就智能家居防盜門系統展開深度研究。

1.1 已有的相關研究

國內對智能門鎖硬件及軟件方面的研究已經成熟。陳明忠等基于STM32 和云平臺的智能門鎖控制系統做出了設計。于浩等基于GPRS 的智能門鎖系統設計做出了研究，他們認為由于GPRS技術性能穩定，覆蓋范圍廣泛，并且不需要重新組建網絡，利用原有網絡就能使用，操作簡單。劉文林等基于GPRS 短信通訊的低功耗智能門鎖系統設計結合各個模塊高效便捷管理門鎖系統的同時大大降低系統運行功耗。

國外對防盜門系統的研究主要分為兩大塊。一是對防盜門系統設計方面的研究，如意大利學者Sinico就視覺設計因素對防盜門感知安全性的影響展開了探討，并通過實驗驗證了不同防盜門模型對感知安全的影響。二是對防盜門系統實現技術方面的研究，如Poddar 等采用基于圖像處理的人臉識別的家門安防系統，系統中的人臉檢測采用Haar-Cascade 方法，并使用了精度測試、距離測試、面部表情測試、光照條件四種方法進行了測試。

國內外學者的相關研究，滿足了人們對防盜門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、智能化程度低等問題，因此，開展智慧防盜門系統研究與設計勢在必行。

1.2 本文研究內容

針對已有的相關研究所存在的不足，本文將從以下三個方面展開研究。

1.2.1 系統的實時監控功能

隨著房屋建筑由以往的小戶型房轉變成當今的樓層房，諸如圍墻、鐵柵欄、看門狗等傳統維護安全的方式已經無法實現維護現今家庭的安全，這時候監控設備便發揮了作用。目前的監控系統大多由前端設備（即攝像機、傳感器和相關輔助設備）、傳輸設備、中心設備（監控中心）等設備組成。實現一個完整可靠的監控系統，必須具備以下性質：①實時性，系統時刻監控設備的運行狀態和參數，及時發現故障并發送相關信息；②實用性，從用戶的角度出發，系統在滿足其監控功能的情況下，還需簡化操作、降低成本、提高耐用性；③安全性，系統具有安全防范和保密措施，對于系統信息嚴格加密，不外泄，對于非法入侵及時阻止。

1.2.2 系統的危險警報功能

一個完善的防盜門系統，危險警報功能必不可少。危險警報功能類似看門狗，不過除了在家居遭到入侵時能夠通過恐嚇等方式趕走入侵者，還能向用戶發送危險警報，用戶收到警報，能夠及時排除危險。警報功能從兩個方面實現，一是對危險的感應，二是對發現的危險做出反應，比如報警、發送信息。在這兩個方面實現的前提下，還需要保證感應的準確性以及反應的及時性。目前主流的方法是使用感應器感應相關危險。對感應到的危險做出反應則可以通過即時通訊向用戶發送信號，具有速度快，信息可達率高等優點。

1.2.3 系統的用戶管理、個性化設置

除了門自身具備的防盜功能外，還需保證用戶賬號的安全性，在使用賬號開門前，需判斷該賬號是否為有效賬號，是否具備開門權力，對賬號進行嚴格監控加密，避免偽賬號破解等。滿足這些條件后再考慮其個性化設置。首先是開門方式，防盜門系統開門方式多樣，有指紋開門，人臉開門，密碼開門等，授權用戶可根據個人愛好自由開啟或關閉。同時，根據用戶與家居的距離還可將開門方式分為遠程開門和當面開門兩種方法。其次，用戶賬號可以是授權微信或者APP 賬戶，在手機端APP 或者微信小程序上操控，目前微信小程序居多。且不同賬號有不同的角色，不同角色擁有不同的權限，權限最高者可授予或刪除其他所有角色的權限。普通用戶在授權后可設置個性化語音播報等。

2 智慧防盜門系統設計

本文對智慧防盜門系統作如下劃分設計：對于監控功能，系統劃分出監控系統，保證實時監控的穩定、節能；對于危險警報功能，系統劃分出安全系統，通過安全系統實現危險及時通報并做出響應措施；而用戶管理和自定義設置，系統劃分出用戶系統，通過用戶系統，用戶可在后臺實現家庭賬號管理，對新賬號授權，舊帳號權限更改等功能，并實行用戶個性化，用戶可自由添加進出門語音播報等功能。系統功能模塊如圖1所示。

圖1 系統功能模塊

2.1 監控系統

視頻監控作為整個防盜門系統的核心功能，對周圍環境監測的速度、準確度以及對異常情況做出反應的速度要求非常高。當有人出現在指定范圍內后，人體紅外傳感器立即感應到并發送信號到樹莓派端，樹莓派端打開攝像頭拍下鏡頭中的路人，同時，將正在待機狀態的監控系統打開進行持續監控，直至路人離開監控范圍。另一方面，當用戶端發起監控請求時，樹莓派端也會開啟監控系統。其它任何時間監控系統都處于待機狀態。通過控制監控系統工作時間不僅僅節省了電量的使用，還更加智慧化地獲取周圍情況，節省了系統存儲監測視頻存放的空間。其功能模塊圖如圖2所示。

圖2 監控系統模塊

2.2 安全系統

針對實體鑰匙作為防盜開鎖工具存在的安全問題，系統設計出在手機用戶端通過已存入數據庫中的指紋、人臉、密碼進行解鎖。若出現緊急情況，比如手機丟失，可立即通過別的綁定了該系統的手機對丟失手機上的賬號進行注銷。又或者是不會使用手機的老人，可由子女通過遠程控制進行解鎖。

當防盜門受到異常解鎖時，安全系統會立即生成報警信號，并將信號發送至手機用戶端，主人根據現場情況及時做出相應措施。當門身受到劇烈打擊時，系統第一時間發出報警信號并通知主人。

作為防盜門第一大重要功能，安全系統很大程度地提高了家居生活的安全性，讓用戶放心無憂。其功能模塊圖如圖3所示。

圖3 安全系統模塊

2.3 用戶系統

隨著智能手機的普及，生活中許許多多事情都需要通過手機來完成。同樣，智慧防盜門系統也需要通過手機來實現。

用戶安裝好智慧防盜門系統后需要通過手機注冊賬號并綁定該系統，一個系統可綁定多個賬號。完成注冊綁定后用戶便可在賬號進行相應設置以及錄入信息等操作。

另外，用戶可通過賬號接收系統發送過來的信號，比如未鎖門提醒信號、報警信號等。用戶也可以通過監測系統發送過來的監控視頻實時地觀察防盜門周圍情況。除了接收信號以外，用戶還可以傳送信號，對于家里老人出現在門外時，檢測系統識別出老人面容并發送消息給用戶賬號，用戶可向系統發送遠程解鎖信號，而對于停留在門外很久的陌生人，用戶可連接系統進行通話，詢問或警告停留陌生人。

針對于智慧，用戶可使用賬號對系統進行自定義設置，可以設置出入門語音提示，或者是連接家里其它家居，比如設置開門后就打開電視，出門就將家里的燈或者其它電器關閉。而對于不同賬號，因為解鎖時使用的“鑰匙”不同，系統將根據“鑰匙”執行相應的個性化指令。

安全系統給用戶帶來安全無憂的生活體驗，用戶系統則給用戶帶來舒適智慧的生活。

3 智慧防盜門系統實現

3.1 關鍵技術

（1）前端：微信小程序；

（2）后端：springboot；

（3）內網穿透：natapp；

（4）硬件設備：樹莓派。

3.2 mqtt通信實現消息推送

防盜門上裝有與樹莓派相連接的各類傳感器，其連接方式如圖4所示。當收到傳感器接收的信號時，樹莓派mqtt 客戶端向mqtt 服務器發布消息到相應主題，手機mqtt 客戶端訂閱該主題后便能接收到消息，用戶可根據收到的消息做出回應。一般情況下，手機mqtt 客戶端與樹莓派mqtt 客戶端不在同一局域網下，所以要想實現手機mqtt 客戶端與mqtt 服務器間的連接（mqtt 服務器與樹莓派mqtt 客戶端處于同一局域網），可以使用natapp 內網穿透技術實現內網穿透，如圖5所示。

圖4 樹莓派連接傳感器示意圖

圖5 natapp內網穿透

本系統采用EMQ X 作為mqtt 服務器，其MQTT Over WebSocket 能夠完全兼容使用在微信小程序上。為了使用戶第一時間看到消息，微信小程序接入了消息推送服務，既將微信小程序收到的主題消息推送至用戶微信賬號或者以手機短信的方式發送信息到用戶手機號。在準備好mqtt 服務器、樹莓派mqtt 客戶端、手機mqtt 客戶端，并能夠保證其相互通信的情況下，便可開始實現遠程開門、異常報警功能。

3.2.1 遠程開門實現

樹莓派通過GPIO 引腳連接觸摸傳感器，觸摸傳感器收到高電平信號，可向mqtt 服務器touch 主題發送“訪客通知”消息，用戶接收到消息后，可使用微信小程序實時監控功能查看情況，核實訪客身份，進行遠程開門。通過微信中指紋解鎖、人臉解鎖、密碼解鎖其中之一，手機mqtt 客戶端向mqtt 服務器opendoor 主題發送“開門”消息，樹莓派mqtt 訂閱主題并接收到消息后控制舵機實現開門。

3.2.2 異常報警實現

同樣，樹莓派通過GPIO 引腳連接傳感器，其中包括振動傳感器、MQ-2 煙霧氣體傳感器、熱釋電人體紅外傳感器。當門身受到劇烈破壞時，振動傳感器發出高電平信號，蜂鳴器報警，樹莓派mqtt 客戶端向invade 主題發送“入侵警告”消息，手機mqtt 客戶端訂閱主題并接收到消息后向用戶微信推送報警信息。對于震動傳感器感應到門身受到破壞的程度，可通過設置能量閾值的方式，如果采集信號的能量過小，比如只是有人簡單地敲了下門，對于這類能量過小的閾值信號直接拋棄掉。一旦能量超過閾值所設定的范圍，便立刻報警。MQ-2煙霧氣體傳感器則用于預防火焰危險，當周圍煙霧濃度過高時，可發出報警信號，提醒用戶做出相應預防措施。熱釋電人體紅外傳感器則可以通過輸出電平的方式感應到附近是否有人長時間逗留，當有人經過時，感應器收到感應后系統拍下路人樣貌，如果有人長時間逗留，則系統發送報警信號到用戶手機。

3.3 實時監控實現

系統實時監控功能使用手機微信小程序作為圖像輸出端，用戶可使用已授權微信登錄家居微信小程序觀看家門周圍情況。圖像數據通過樹莓派安置攝像頭拍攝。為了滿足小程序實現實時接收樹莓派攝像頭拍攝的畫面，圖像傳輸的技術要采用流媒體形式傳輸，系統采用了Mjpeg 作為視頻流技術。

小程序要實現接收視頻畫面，首先底層通過攝像頭采集圖片，通過驅動將數據流存儲到jpeg圖庫，最終通過一個HTML網頁來不斷刷新接收MJPG-Streamer 程序發送的圖片來組成視頻效果。

小程序因為只能接收https 方式的請求，而本地訪問的方式只能是http 請求接收視頻圖片，所以需要開啟內網穿透功能，讓外界能通過https 方式接收MJPG-Streamer 程序發送圖片，本系統用到的內外穿透工具為Natapp。首先在網上申請一條natapp 隧道，然后綁定自己的https 域名，并在樹莓派新建一個配置文件輸入隧道的authtoken 保存后開啟natapp 程序。

4 結語

論文系統地闡述了基于樹莓派與微信小程序開發的智能防盜門系統的設計與實現過程。當前，人們對生活智能化的需求越來越高。論文針對已有的相關研究所存在的不足加以改進，通過不斷的實踐與測試研究探析并設計出了一款滿足人們對安全、智能化需求的智能防盜門系統。