基于ESP32的家庭智能監(jiān)控系統(tǒng)

摘" 要：在物聯(lián)網(wǎng)融入人們生活的時代下，對自家物品的保護(hù)成了人民越來越關(guān)心的話題。而目前使用較為廣泛的專業(yè)監(jiān)控，已不能滿足當(dāng)前人們的需求。因此設(shè)計一種基于ESP32的家庭智能監(jiān)控系統(tǒng)，采用低功耗MQTT協(xié)議無線通信，通過上位機(jī)控制智能監(jiān)控組網(wǎng)和執(zhí)行拍照，將監(jiān)控工作智能化，能為人民生活帶來便利，具有良好的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：家庭監(jiān)控；MQTT協(xié)議；HTTP協(xié)議

中圖分類號：TP277" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）11-0182-05

Home Intelligent Monitoring System Based on ESP32

TANG Shaoxun， LIU Erjian

（School of Electronic Engineering and Automation， Guilin University of Electronic Technology， Guilin" 541004， China）

Abstract： In the era of integrating the Internet of Things into people's lives， the protection of one's own belongings has become a topic of increasing concern for the people. However， the widely used professional monitoring currently cannot meet people's needs. Therefore， a home intelligent monitoring system based on ESP32 is designed， which adopts low-power MQTT protocol wireless communication. By controlling the intelligent monitoring networking and taking photos through the upper computer， the monitoring work can be intelligentized， which can bring convenience to people's lives and has a good development prospect.

Keywords： home monitoring; MQTT protocol; HTTP protocol

0" 引" 言

近年來，隨著人們生活水平的逐漸提高，對自家物品的保護(hù)成了人民越來越關(guān)心的話題。長期以來，專業(yè)監(jiān)控花費(fèi)貴、耗電多、用途單一、難以維護(hù)阻礙人們?yōu)樽约野踩钌戏谰€的最后一步。而隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，主流協(xié)議的進(jìn)步，以及專用物聯(lián)網(wǎng)芯片的普及，家用智能監(jiān)控成為可能。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加持下的家庭監(jiān)控是一種智能化、易于維護(hù)的監(jiān)控設(shè)備，相較于傳統(tǒng)的家居設(shè)備，它不僅具有傳統(tǒng)家居功能，還具有節(jié)約費(fèi)用、易于部署、能源利用率高等優(yōu)勢[1]。目前監(jiān)控的產(chǎn)品方案（X-10、EIB系統(tǒng)、8X系統(tǒng)等）主要需要專門的通信線路（需房屋內(nèi)部施工及布線），費(fèi)用較高[2]。而家庭智能監(jiān)控具有便宜的價格和不用改造房屋就可部署的優(yōu)點(diǎn)更適合市場。在過去幾年，已經(jīng)有利用可靠和通用的模組芯片對家庭智能監(jiān)控的嘗試[2]，也有利用ESP32模組做的便攜式智能監(jiān)控系統(tǒng)[3]。智能監(jiān)控的研究重點(diǎn)在于實(shí)時網(wǎng)上控制后拍照監(jiān)控，智能監(jiān)控主要使用攝像頭進(jìn)行拍攝采集，采用Wi-Fi連接方案進(jìn)行通信連接。利用MQTT推送機(jī)制對監(jiān)控進(jìn)行操作，借助專用的監(jiān)控網(wǎng)站以及手機(jī)APP就可以對整個監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。基于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)能與互聯(lián)的理念，該系統(tǒng)有效為家庭安全防盜提供了便利與支持。

1" 系統(tǒng)設(shè)計

家庭智能監(jiān)控由監(jiān)控像頭、照片存儲云服務(wù)器和客戶端Web/APP組成。為保證監(jiān)控主機(jī)與客戶端的通信可靠，系統(tǒng)采用常采用的MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)兩者的消息推送。照片傳輸至服務(wù)器采取HTTP協(xié)議傳輸。

1.1" 整體設(shè)計

家庭智能監(jiān)控整體如圖1所示，系統(tǒng)符合物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)（感知層、網(wǎng)絡(luò)層和業(yè)務(wù)層）。監(jiān)控攝像頭是整個系統(tǒng)的中心，對使用者而言，可以通過業(yè)務(wù)層實(shí)時操控攝像頭，拍攝想要查看的地方；對于MQTT指令服務(wù)器而言，通過連接后攝像頭的報文采集與分析，可對攝像頭所處狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，以及意外斷連時對使用者通過網(wǎng)頁后臺進(jìn)行報警提示。客戶端可通過訂閱智能監(jiān)控系統(tǒng)的主題查看實(shí)時在線攝像頭信息，達(dá)到對家庭所有攝像頭的狀態(tài)的實(shí)時掌控，本次設(shè)計中感知層與業(yè)務(wù)層之間通過家庭常用的Wi-Fi/WLAN通信連接方式進(jìn)行通信。

1.2" MQTT協(xié)議與HTTP協(xié)議

MQTT是一種輕量級的消息協(xié)議，由IBM開發(fā)。它的設(shè)計目標(biāo)是為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的通信提供一種簡潔、可靠且高效的解決方案。MQTT采用了發(fā)布/訂閱模式，通過一個中心代理服務(wù)器來管理消息的傳輸和分發(fā)。

MQTT的使用場景非常廣泛。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，許多傳感器設(shè)備需要定期將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給后臺服務(wù)器進(jìn)行處理和分析。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常具有資源受限的特點(diǎn)，如計算能力和電池壽命限制，因此需要一種輕量級的通信協(xié)議來滿足其需求，MQTT協(xié)議框架如圖2所示。

MQTT提供了可靠的消息傳輸機(jī)制，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時性。此外，在智能家居領(lǐng)域，MQTT可以用于設(shè)備之間的通信，實(shí)現(xiàn)各種功能，如遠(yuǎn)程控制和狀態(tài)監(jiān)測。在物流和供應(yīng)鏈管理中，MQTT可以用于跟蹤和監(jiān)控貨物的位置和狀態(tài)，提供更準(zhǔn)確、實(shí)時的信息[4]。

HTTP是一種用于傳輸超媒體文件的應(yīng)用層協(xié)議，HTTP協(xié)議框架如圖3所示。它是互聯(lián)網(wǎng)上最常用的協(xié)議，具有簡單、無連接、無狀態(tài)的特點(diǎn)。HTTP使用請求/響應(yīng)模型，通過請求方法和URI標(biāo)識資源。它可以在任何傳輸協(xié)議上使用，并支持緩存、身份驗(yàn)證等功能。HTTP是一種易于實(shí)現(xiàn)、擴(kuò)展和理解的協(xié)議，適用于各種應(yīng)用場景。它能夠提供快速而可靠的數(shù)據(jù)傳輸，為互聯(lián)網(wǎng)通信提供了基礎(chǔ)。

HTTP的使用場景十分廣泛。在互聯(lián)網(wǎng)上瀏覽網(wǎng)頁時，瀏覽器會向服務(wù)器發(fā)送HTTP請求，并接收服務(wù)器返回的HTML文檔。在Web應(yīng)用開發(fā)中，HTTP常用于前后端數(shù)據(jù)交互，通過RESTful API來獲取和更新資源。此外，HTTP還支持緩存機(jī)制，可以提高數(shù)據(jù)傳輸效率，并減輕服務(wù)器的負(fù)載。

2" "感知層設(shè)計

感知層是整個智能監(jiān)控拍照系統(tǒng)的執(zhí)行終端，負(fù)責(zé)實(shí)時拍攝當(dāng)前所處環(huán)境的照片、控制拍攝所處的方向與服務(wù)器的通信，也是總體所需要的硬件方案設(shè)計，感知層結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

2.1" 主控部分設(shè)計

該層硬件主控采用國產(chǎn)高性能嵌入式處理器模組ESP32-S作為主控芯片，ESP32-S模組內(nèi)芯片為ESP32-DOWD，該芯片采用樂鑫自研架構(gòu)Xtensa，時鐘頻率達(dá)240 MHz，512 KB的RAM，工作溫度在-40～125 ℃，工作電壓位于2.7～3.6 V，所以芯片部分供電部分采用了一片LDO對5 V進(jìn)行降壓，如圖5所示。并集成了Wi-Fi，滿足了此次設(shè)計要求。此芯片模組適用于各種應(yīng)用場景和不同功耗需求使用[5]，所以本次低功耗設(shè)計采用本芯片模組。

2.2" 攝像部分設(shè)計

本設(shè)計采用了OV2640攝像頭模組，該模組是豪威公司生產(chǎn)的1/4寸CMOS圖像傳感器。它具有200萬像素的UXGA（1 632×1 232）分辨率，能夠輸出1 600×1 200分辨率及以下的8/10位影像數(shù)據(jù)。該攝像模組采用標(biāo)準(zhǔn)SCCB接口，支持RGB（RGB565、RGB555）輸出格式，并支持圖像壓縮，即支持JPEG圖像數(shù)據(jù)輸出。在硬件設(shè)計上，采用了0.5 mm的24PIN FPC座子作為接口[6]。由于模擬電路、接口電路和數(shù)字電路的電壓要求不同，因此選用了兩片XC6206芯片分別為接口電壓和數(shù)字電壓供應(yīng)1.2 V和2.8 V。該傳感器適合于低電壓工作，非常適用于嵌入式設(shè)備。此外，它可以在0～50 ℃的環(huán)境下穩(wěn)定工作，因此選擇采用本圖像傳感器完全符合本次設(shè)計的要求。連接所使用的OV2640模組三視圖如圖6所示（單位/毫米）。

2.3" 終端轉(zhuǎn)向設(shè)計

攝像頭轉(zhuǎn)向方面采用兩個五線舵機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向。舵機(jī)是伺服電機(jī)，伺服電機(jī)就是帶有反饋環(huán)節(jié)的電機(jī)，有了反饋便可獲取所旋轉(zhuǎn)的角度，便可精確控制攝像頭的轉(zhuǎn)向。為了滿足減少控制所需要的引腳，采用一片74HC595來減少控制所需引腳。并且，舵機(jī)瞬時工作電流比較大，此單片機(jī)引腳在電氣性能上無法提供所需電流，所以采用一個常見的達(dá)林頓管ULN2803A對瞬時電流進(jìn)行續(xù)流[7]，具體設(shè)計如圖7所示。

2.4" 空中下載設(shè)計

除了基本的拍照功能，感知層還具備空中下載功能，通過控制臺發(fā)出指令使攝像頭通過HTTP協(xié)議連接服務(wù)器上固定地址的固件對機(jī)器進(jìn)行更新。空中下載（OTA）系統(tǒng)升級方案有兩種：片外Flash升級和片內(nèi)Flash升級[7]。考慮ESP32-S模組片上較大的存儲，容量為4 MB可分配較大的OTA分區(qū)及降低功耗考慮，本次OTA更新設(shè)計采用片上Flash更新設(shè)計。對于OTA客戶端，也就是ESP32-S模組，按照一般分區(qū)表設(shè)置中，要有與升級相關(guān)的4個分區(qū)，OTA data、Factory App、OTA_0、OTA_1。這里官方給出的分區(qū)表設(shè)置如圖8所示。可以看到一般啟動BL代碼位于0x1000-0x8000地址區(qū)域，F(xiàn)actory App為出廠時的固件，在收到升級的指令后，OTA升級程序會向OTA_0燒錄新的固件，燒錄完成后更新OTA data分區(qū)數(shù)據(jù)并重啟，重啟時采集OTA data分區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行分配，再加載OTA_0分區(qū)固件并運(yùn)行。下一次進(jìn)行OTA升級就向OTA_1分區(qū)燒錄新固件且像原先處理順序在OTA_1分區(qū)運(yùn)行固件。之后每次更新固件，燒錄程序都會在OTA_0、OTA_1分區(qū)之間交替進(jìn)行，并不會影響到出廠時的Factory App分區(qū)里的固件。

2.5" 配網(wǎng)邏輯設(shè)計

ESP32-S連接目標(biāo)Wi-Fi時需要獲取Wi-Fi的名稱和密碼，因此我們可以使用攝像頭模塊進(jìn)行拍照并且識別二維碼。掃描時，二維碼平面要與攝像頭鏡頭平面正對并且保持適當(dāng)?shù)木嚯x（十厘米左右），此時ESP32-S可以準(zhǔn)確地識別出二維碼的原始信息。當(dāng)用戶成功掃描二維碼一次之后，ESP32-S將會記錄二維碼解碼之后原始信息，等待第二次掃描二維碼并解析原始信息之后，ESP32-S會將兩次掃碼的結(jié)果進(jìn)行對比，也就是對比兩次獲取的二維碼原始信息[8]。只有在對比成功之后才會繼續(xù)進(jìn)行信息的解析以此獲取二維碼上的Wi-Fi賬號和密碼信息然后調(diào)用ESP32-S進(jìn)行Wi-Fi連接。在此過程中如果出現(xiàn)用戶連接時間過長的情況或者出現(xiàn)解碼錯誤的情況，ESP32-S將會開啟定時器計時并在3分鐘后啟動UDP通信模式并停止掃碼。UDP通信技術(shù)是一種無連接的傳輸層協(xié)議，開啟UDP通信模式下ESP32-S會開啟一個Wi-Fi，用戶需要使用上位機(jī)進(jìn)行連接，在連接上之后用戶只需要連接上ESP32-S的Wi-Fi與它建立通信再用特定的APP即可將信息傳入ESP32-S。這兩種方式都可使得ESP32-S連接上目標(biāo)Wi-Fi，為后續(xù)的功能奠定基礎(chǔ)。

3" 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)層像個紐帶一樣連接著感知層和應(yīng)用層，它相當(dāng)于中樞神經(jīng)，負(fù)責(zé)將感知層獲得的信息，安全可靠地傳輸?shù)綐I(yè)務(wù)層，然后根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行信息處理。物聯(lián)網(wǎng)常用的無線接入技術(shù)有許多，包括Wi-Fi、藍(lán)牙、GSM等中短距離無線通信技術(shù)。由于家庭安防攝像頭位置穩(wěn)定，并且近幾年來Wi-Fi無線接入技術(shù)的廣泛普及，所以本次設(shè)計在網(wǎng)絡(luò)層上選用是Wi-Fi無線接入技術(shù)，監(jiān)控通過Wi-Fi連接接到指定的局域網(wǎng)與云服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時的數(shù)據(jù)交換。

4" 應(yīng)用層設(shè)計

家庭智能監(jiān)控設(shè)計了一個應(yīng)用層中間件，中間件主要負(fù)責(zé)傳感器收集的數(shù)據(jù)收集和訪問的控制，為用戶提供數(shù)據(jù)傳送。這個中間件利用PHP搭建服務(wù)，利用域名直接就可以訪問。搭建好的中間件存儲如圖9所示。家庭智能監(jiān)控設(shè)計了一個控制臺，控制臺主要有MQTT控制服務(wù)和Web接口服務(wù)功能，控制臺功能框圖實(shí)際如圖10所示。

MQTT控制臺中的MQTT指令控制服務(wù)是最主要的功能，本次設(shè)計中通過了本地搭建服務(wù)器并在其中構(gòu)建MQTT控制臺。本次使用Node-RED面板來搭建控制臺，Node-RED是一個開源項(xiàng)目，滿足簡單并快速地連接硬件和設(shè)備到Web服務(wù)[9]。通過簡單Node的連接，便可構(gòu)建出復(fù)雜的任務(wù)。MQTT服務(wù)開始后，監(jiān)控攝像頭與用戶一起連接到本地服務(wù)器所分配的MQTT監(jiān)聽端口，此時用戶可在此進(jìn)行主題下的信息的發(fā)布與訂閱。同時，攝像頭會發(fā)出包含運(yùn)行狀態(tài)及舵機(jī)所在角度的報文，以及上報自己的編號到服務(wù)器上，在面板的信息流中便可查看。在網(wǎng)絡(luò)層中，用戶可單擊Node-RED面板上的按鈕即可對所想用的攝像頭發(fā)出設(shè)定好的命令。用戶還可通過Node-RED面板上自定義設(shè)定主題、訂閱等信息，以實(shí)現(xiàn)不同攝像頭分組控制[10]。

5" 實(shí)際運(yùn)行測試

實(shí)際功耗采集如圖11所示。可以看到該智能監(jiān)控拍照系統(tǒng)在單個攝像頭運(yùn)行之下功耗在1～2 瓦之間，組成多個拍攝陣列才可達(dá)到市場上專業(yè)家庭監(jiān)控的功耗。在長時間測試中，有五臺攝像頭終端的情況下，一天僅有0.23度電的能源消耗。平常拍攝處于OV2640的UXGA格式下，實(shí)際拍攝出來的1 600×1 200分辨率照片狀況良好，無不良的撕裂狀況。實(shí)際拍攝照片如圖12所示。

6" 結(jié) 論

智能家庭監(jiān)控的需求與專業(yè)監(jiān)控資源短缺之間存在矛盾。在當(dāng)前人們安全意識不斷增強(qiáng)的情況下，家庭智能監(jiān)控可以幫助緩解這種矛盾。實(shí)用且具有經(jīng)濟(jì)性的家庭智能監(jiān)控系統(tǒng)對于現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)時代的發(fā)展將提供良好的支持。本文使用ESP32-S設(shè)計了一款家庭智能監(jiān)控系統(tǒng)，對硬件終端和網(wǎng)絡(luò)連接層進(jìn)行了設(shè)計。通過家庭的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)部署攝像頭終端，并使用網(wǎng)頁后端進(jìn)行實(shí)時操作，實(shí)現(xiàn)了對監(jiān)控活動的控制。通過與專業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的對比實(shí)驗(yàn)，該家庭智能監(jiān)控系統(tǒng)在單個攝像頭狀態(tài)下平均1～2瓦的功率，相較于傳統(tǒng)的專業(yè)監(jiān)控攝像頭的20瓦功耗，具有廣泛實(shí)用的意義。而在價格方面，相對于傳統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備，這種家庭智能監(jiān)控系統(tǒng)價格更低，適應(yīng)了物聯(lián)網(wǎng)時代現(xiàn)代家庭的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周橙旻，趙晗肖，徐雪，等.基于CiteSpace的中國適老智能家居研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景 [J].包裝工程，2022，43（2）：35-41.

[2] SAJID A，ABBAS H，SALEEM K. Cloud-Assisted IoT-Based SCADA Systems Security： A Review of the State of the Art and Future Challenges [J].IEEE Access，2016，4：1375-1384.

[3] RAI P，REHMAN M. ESP32 Based Smart Surveillance System [C]//2019 2nd International Conference on Computing，Mathematics and Engineering Technologies （iCoMET）.Sukkur：IEEE，2019：1-3.

[4] 鄭紅兵，王煥偉，趙琪，等.基于Tamarin的MQTT協(xié)議安全性分析方法 [J].計算機(jī)應(yīng)用研究，2023，40（10）：3132-3137+3143.

[5] 孫國祥，蔡嘉奇，周新竹，等.基于陣列式ESP32-CAM的番茄根系表型原位測量方法 [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2023，39（18）：172-182.

[6] 溫全，成天樂，蘇澤亞.基于STM32和OV2640的自主循跡四旋翼飛行器設(shè)計 [J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35（22）：105-107.

[7] 陳英杰，朱晉鋒.ZigBee空中下載技術(shù)研究及其優(yōu)化設(shè)計 [J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012，12（11）：1-4.

[8] 楊輝媛，楊紅海，譚偉杰.基于AT89C51單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計 [J].艦船電子工程，2008（8）：204-206.

[9] LEKI? M，GARDA?EVI? G. IoT Sensor Integration to Node-RED Platform [C]//2018 17th International Symposium INFOTEH-JAHORINA （INFOTEH）.East Sarajevo：IEEE，2018：1-5.

[10] 張立.基于node-red的可視化糧倉溫控系統(tǒng)設(shè)計 [J].信息技術(shù)與信息化，2022（4）：110-113.

作者簡介：唐少勛（2003—），男，瑤族，廣西賀州人，本科在讀，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)；劉爾健（2003—），男，漢族，廣東河源人，本科在讀，研究方向：智能控制。

收稿日期：2023-10-23